数控直流电流源开题报告.docx
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数控直流电流源开题报告
浙江师范大学本科毕业设计（论文）开题报告
论文题目
数控直流电流源
一、选题背景和意义
电源技术尤其是数控电源技术是一门实践性很强的工程技术，服务于各个行业。
当今电源技术融合了电气、电子、系统集成、控制理论、材料等诸多科学领域。
随着计算机和通讯技术发展而带来的现代信息技术革命，给电源技术提供了广阔的发展前景，同时也给电源技术提出了更高的要求。
随着数控电源在电子装置中的普遍使用，普通电源在工作时产生的误差，会影响整个系统的精确度，电源在使用时会造成许多不良后果。
世界各国纷纷对电源产品提出了不同要求并制定了一系列产品精度标准，达标后后才能够进入市场。
随着经济全球化的发展，满足国际标准的电源产品才能够获得通行证。
数控电源是从80年代才开始发展起来的产品，期间系统的电力电子理论开始建立。
这些理论为其后来的发展提供了良好的理论基础，在以后的时间里，数控电源技术开始长足的发展。
现在市场上数控电流源存在输出精度不高，功率密度比较低，带负载能力不强，体积大，价格较高，操作繁琐，工作状态不稳定等弊端，因此数控电源的主要发展方向是针对上述缺点不断改善。
所以，高精度的数控直流电流源有很大的发展空间。
单片机技术及电压转换模块的出现为精确数控电源的发展提供了有利条件。
新的变化技术和控制理论的不断发展，各种类型专用集成电路、数字信号处理器件的研制应用，到90年代，已出现了数控精度达0.05V的数控电源，功率密度已达50W的数控电源。
从组成上，数控电源可分为器件、主电路和控制电路三部分。
本课题主要研究的是急于单片机的数控直流恒流源的设计，恒流源是能够向负载提供恒定电流的电源，因此恒流源的应用范围非常广泛，并且在许多情况下市必不可少的。
例如，在用通常的充电器对蓄电池充电时，随着蓄电池端电压的逐渐升高，充电电流就会相应减少。
为了保证恒流充电，必须随时提高充电器的输出电压，但采用恒流源充电后就可以不必调整期输出电压，从而使劳动强度降低，生产效率得到了提高。
恒流源还被广泛用于测量电路中，例如电阻器阻值的测量和分级，电缆电阻的测量等，且电流越稳定，测量就越准确。
它既可以为各种放大电路提供偏流以稳定其静态工作点，又可以作为其有源负载，以提高放大倍数，并且在差动放大电路、脉冲产生电路中得到了广泛应用。
除此，线性扫描锯齿波的获得，有线通信远供电源、电泳、电解、电镀等化学加工装置电源，电子束加工机、离子注入机等电子光学设备中的供电电源也都必须应用恒流源。
二、国内外研究现状、发展动态
现状：
在我国，以电力电子学为核心技术的电源产业，从二十世纪60年代中期开始形成，到了90年代以来，随着对系统更高效率和更低功耗的要求，电信与数据通信设备的技术更新推动电源行业中直流/直流转换器向更高灵活性和智能化的发展方向，电源产业进入快速发展期。
一方面，电源产业规模的发展在加快；另一方面，在国家自然科学基金的资助下或创新意识指导下，我国电力电子技术的研究从吸收消化和一般跟踪发展到前沿跟踪和基础创新，电源产业涌现了一些技术难度较大，具有国际先进水平的产品而且还生产了一大批具有代表性的研究成果和产品。
目前国内还开展了跟踪国际多方面前沿性课题的研究或基础创新研究。
但是我国电源产业与发达国家相比，存在着很大的差距和不足:
在电源产品的质量、可靠性、开发投入、生产规模、工艺水平、先进检测设备、智能化、网络化、持续创新能力等方面的差距为10—15年，尤其在实现直流恒流的智能化、网络化方面的研究不是很多。
目前国内在这两方面研究比较多的是成都电子科技大学和广州华南理工大学，主要是利用单片机和可编程系统器件（PSD）来控制开关直流稳压电源或数字化电压单元达到数控的目的，但和国外的比较起来，效果不是很理想，还存在很大的差距和不足。
现今，随着数控直流电源技术的飞跃发展，整流系统由以前的分路原件和集成电路发展为微机控制，从而使直流电源智能化，具有遥测、遥信和遥控的三遥功能。
目前，全国的电源及其配件的生产销售企业有4000家以上，产值由300—400亿元，但国内企业销售的数控直流稳压电源大多是代理日本和台湾的产品，国内厂家生产的直流稳压电源虽然也在向数字化方向发展，但多限于对输出显示实现数码显示，或实现多组数值预置。
总体来说，国内直流恒流源技术在实现智能化等方面相对落后，面对激烈的国际竞争，是个严重的挑战。
发展趋势：
目前，电力系统的后备电源、分布式电源系统以及通讯系统的后备电源等应用场合，均采用大容量的蓄电池作为储能元件。
然而，在蓄电池的使用中需要一个双向DC/DC变换器来进行直流功率的变换。
一旦电网系统发生故障，蓄电池通过双向DC/DC变换器直接并入直流母线，给后端的用电设备提供能量。
当电网正常工作时，直流母线通过DC/CD变换器讲电能储存在蓄电池中，而当蓄电池作为通讯系统的后备电源时，由于后端的用电设备多以抵押大电流工作，因此要求蓄电池能够提供一个大而稳定的工作电流。
另外，对蓄电池充电时，也必须进行恒流控制，因此在双向DC/CD变换器中恒流控制的好坏直接影响用电设备和蓄电池的使用寿命。
随着数字信号处理器（DSP）技术的成熟，越来越多的功率电路采用了数字式控制。
与模拟控制相比，数字控制具有性价比高、性能稳定等优点。
另外，通过对控制软件的编程，可以很方便的实现电路功能。
针对蓄电池等储能元件在使用过程中功率双向变换的问题，在目前已有的非隔离型双向拓扑基础上，提出了一种改进型双向电路拓扑。
该拓扑不仅实现了双向电路的恒流控制，而且解决了双向拓扑中对不同大小电流的采样问题。
通过对DSP软件的编程，还可以实现对电路的恒流、恒压以及恒功率等控制功能。
上海江柏电子科技有限公司是一家专注生产与研发:
精密线性高速可编程直流电源，及锰铜分流器取样电阻；公司全系列可编程直流电源供应器具有双重性能：
即是恒压源，又是恒流源，是国内精密直流电源主要生产商与供应商之一，可满足不同用户电源的要求所需。
精密线性高速可编程直流电源（恒压源，恒流源）；均采用线性结构方式制作，运用高速CPU处理器及16bitAD与DA数字转换以提供精准的数字化测量；产品性能卓越，是国内众多客户所需的最佳选择，能提供高频场所直流所需之要求，产品稳定性高，提供电压1mV分辩率及电流分辩率为1mA；广泛应用于工业控制、通讯通信、军工、科研和教学及LED照明测试等领域。
分流器广泛用于扩大仪表测量电流范围,有固定式定值分流器和精密合金电阻器,均可用于通讯系统、电子整机、自动化控制的电源等回路作限流,均流取样检测.
针对蓄电池系统在使用过程中的功率变换问题，提出了一种新颖的双向变换拓扑。
该拓扑不仅实现了蓄电池功率变换的要求，同时对放电电流和充电电流进行了恒流控制。
蓄电池放电时曹勇了降压型电路拓扑，可使负载端电流迅速增大，又很快的动态响应，从而满足抵押大电流用电设备的要求。
同时，在对蓄电池进行恒流充电时，通过软件编程，实现蓄电池的浮充功能，从而延长蓄电池的使用寿命。
另外，提出了对双向恒流源电路的全数字控制方案。
随着电子技术的发展，恒流源已经广泛地应用在各个领域。
目前市面上较成熟的恒流源输出或者在mA量级，或者在百安培量级，不能满足所有输出段位的需求。
许多输出电流不是很大、要求稳定度和输出精度较高的恒流源还是由使用者自行研制的。
恒流源在现代化工农业及科研生产的运用中正朝着体积小、精度高、稳定性好、使用灵活的方向发展。
急于功率运算放大器的恒流源在理论上具有体积小、精度高、稳定性好、可扩展等优点，输出电流范围在安培量级适用于小型电动机、线圈等的驱动。
但还需要通过实验做进一步深入的研究，这对于恒流源的发展具有相当现实的意义。
而且数字化智能电源模块是针对传统智能电源模块的不足提出的，数字化能够减少生产过程中的不确定因素和人为参与的环节，有效的解决了电源模块中诸如可靠性、智能化和产品一致性等工程问题，极大的提高了生产效率和产品的可维护性。
三、研究的内容及可行性分析
课题研究内容：
1．数控直流电流源设计的具体参数要求：
（1）输出电流范围：
200mA～2000mA；
（2）可设置并显示输出电流给定值，要求输出电流与给定值偏差的绝对值小于等于给定值的1％+10mA；
（3）具有“+”、“-”步进调整功能，步进≤10mA；
（4）改变负载电阻，输出电压在10V以内变化时，要求输出电流变化的绝对值≤输出电流值的1％+10mA；
（5）纹波电流≤2mA；
2．课题研究的是数控直流电流源的设计，主要有以下工作：
课题通过努力设计出一款高精度的数控直流电流源，科学仪器和电子设备中经常用到稳定性好、精度高、输出可预置的直流电流源.高性能的数控直流电流源不仅能够提高科学仪器的稳定性,本电流源能够很好地降低因元器件老化、温漂等原因造成的输出误差,输出电流在20mA～2000mA可调,输出电流可预置、具有"+"、"-"步进调整、输出电流信号可直接显示等功能.硬件电路以STC89C52单片机为控制核心器,构成闭环控制电路,采用压控电流方式实现稳流输出,步进为≤10mA,通过D/A控制压控电流步进,A/D采样电压值,软件算出电流的测量值.系统主要由键盘输入,控制处理、压控电流输出、液晶显示等功能模块组成.经实际测试,该系统可靠性好,精度较高、操作简单方便,人机界面友好.
课题可行性分析：
本课题所研究的数控直流电源应该包括如下模块：
电流源模块、测量模块、供电模块和数控模块等。
电流源模块采用了集成运放和大功率复合管构成的闭环电流深度负反馈电路。
由单片机控制高精度D/A的输出电压送入电流模块，可完成对输出电流的小步进控制。
测量模块是由双积分型高精度A/D来测量取样电阻伤的电压值进而转化为电流值来完成。
1.数控模块和测量模块
键盘与显示电路如图3-1所示。
图3-1键盘显示接口电路
用单片机作为这一控制的核心，单片机与键盘相连，采用4×4矩阵式键盘，用查询方式，由键盘控制输入电流，同时也由键盘进行控制其步进调整功能。
显示器LCD选用1602B，具有体积小、质量轻、功耗低等优点，单片机四条数据线与其相连，数据分两次传送；两条控制线E、R/S控制LCD的显示。
2.电流源模块
该模块主要功能是把由D/A输出的电压线性转换成输出电流，并且保证输出电流有很高的稳定性，如图3-3所示。
图3-3直流电流源电路
（1）负反馈电路的分析与设计
D/A输出电压作为恒流源的参考电压，运算放大器U4与晶体管Q1,Q2组成的达林顿电路构成电压跟随器。
用晶体管平坦的输出特性即可得到恒流输出。
由于跟随器是一种深度的电压负反馈电路，因此电流源具有较好的稳定性。
本电流源稳定度优于0.5%。
为了提高稳定度，D/A部分的参考电压采用TL431产生2.048V参考电压。
Rs采用大线径康铜丝制作，康铜丝温度系数很小（频率精度为5×102/℃），大线径可以使其温度影响减小至最小。
U4的同向端输入电压为V2，反相端的反馈电压为V1，流过Rs的电流：
IE=
（3-3）
复合管的放大倍数为两个三极管放大倍数数值之积，输出电流即集电极电流：
IO=IC
Ie=
（3-4）
对于理想运算放大器，同相反相间得压差为0，即：
V1=V2（3-5）
所以输出电流与输出电压间的关系：
IO=
（3-6）
U4采用精密运算放大器OP37，该放大器有调节零点漂移的功能。
Q1采用9014，它的放大倍数大约为400.Q2选用低频大功率管3DD15，它的放大倍数为10～20倍，漏电流很小。
Q1的加入是为了增加复合管的放大倍数。
（2）供电电压的选择
题目中要求输出电流最大为2A，输出电压最大为10V，取极限情况，又因为选取的取样电阻为2Ω，则取样电阻上的压降为4V，而功率管要工作在放大状态，Vce至少为2V，所以供电电压必须大于16V。
因此选取供电电压为20V。
（3）取样电阻的选择
由公式（3-6）知输出电流的控制是通过改变输入电压来实现的，这就要求电流取样电阻随温度变化很小。
锰铜丝的温度系数非常小，于是采用大直径的锰铜丝。
（4）测量电路的分析与设计
课题要求测量输出电流值，理论上是通过三极管的集电极串联一个很小的电阻，通过差分放大实现但是由于输出的电压幅度最大为10V，在小电阻上的电压没有线性关系，故从发射极测量。
采用电压跟随器运算放大器的输入阻抗很大，可以达到不分流而得到电压的目的。
为了电路的简洁，作品采取直接把电流取样电阻的中点电位作为输出电流的等效值。
3.供电模块
线性电源虽然简单，但在整个系统中有非常重要的作用。
电路中在输出端并联了大电容、串联了电感确保输出电流波纹小。
本电源先通过变压器电压变化隔符、桥式全波整流、电容滤波，在通过三端固定输出集成稳压器产生稳定电压+12V、-12V、+5V、-5V，稳压器内部电路由恒流源、基准电压、取样电阻、比较放大、调整管、保护电路、温度补偿电路等组成，如图3-4所示。
图3-4直流电源电路
为了改善波纹特性，在输入端加接电容；为了改善负载的瞬态响应，在输出端加接电容。
输入电压选择原则是：
ViMAX＞Vi＞VO+2Vo。
式中，ViMAX为产品允许的最大输入电压，VO为输出电压，2V为最小输出电压差。
20V电压、2A以上电流输出的直流电源，我们采用LM338可变输出稳压芯片。
交流输入经过电容滤波后送到三端稳压集成电路LM338的Vin端，输出端VOUT=VREF（1+RW1/R1）+IADJR2。
在LM338的ADJ端加一个接地滤波电容，会使波纹抑制比大幅提高，进而提供非常稳定的电源。
四、论文拟解决的关键问题及难点
1.如何D/A和A/D转换电路
根据课题要求输出电流范围为200mA～2000mA、步进为10mA，需要至少有1980个状态2”＞1980，n≤11，为了达到系统的控制精度，选取12位D/A。
具体电路接口如图3-2所示：
图3-2D/A转换电路接口
D/A转换器选用TLC5618，它是串行输入可编程双路12位D/A转换器。
该器件仅有8个引脚，但精度可以达到0.5mV。
AT89C52单片机控制它只需要三个引脚，非常方便。
该芯片内部有两个12位CMOS电压输出DAC，双缓冲结构使双路输出（OUTA和OUTB）可同时更新，+5V单电源工作。
选典型参考电压2.048V，输出电压公式为：
Vo=2×Vref×（n/2048）（3-1）
其输出电压范围为：
0～4.096V。
A/D转换器ICL7135是4为半双积分A/D芯片。
双积分式A/D转换芯片具有精度高，灵敏度高，抑制干扰能力强，造价低等特点。
许多资料和设备吧ICL7135与单片机以并行I/O扣方式接口，这种方式占有CPU资源多，读取A/D结果数据需要5次，所以不采用次方案。
本系统采取AT89C52单片机16位内部定时计数器T/C1和外部中断INT0一次读取A/D转换结果的方法。
ICL7135的busy引脚上的高电平宽度即积分实践也就代表了A/D转换结果的大小，利用busy引脚上的上升沿来处罚单片机的外部中断，再利用单片机的内部16定时器计算busy高电平宽度，用这种方法可以是单片机只用一根数据线就读取到A/D的转换结果，使硬件连接变得十分简单，提高了系统的稳定性。
用16为计数器可以保证结果的准确性。
因为选取ICL7135的时钟为1MHz，当T/C0采取定时方式为Fclk=CLK/8时，T/C0的定时时钟和ICL7135的工作时钟相等，节省了不少CPU的I/O接口，硬件结构简单，提高了数据采集效率。
输出电压公式为：
Vo=2×VREF×（N-1000）/20000（3-2）
其理论伤精度可达0.1mV。
五、研究方法与技术路线
根据课题要求，数控直流电流源应该包括如下模块：
电流源模块、测量模块、供电模块和数控模块等。
1.数控部分
数控模块可采用传统逻辑电路组成，如采用数字电路和FPGA门阵列等，也可以采用单片机系统。
单片机系统具有灵活的接口和在线编程能力，容易实现题目中有关键盘设置、显示以及测量功能等。
故本方案采用了以AT89C52单片机为核心的单片机系统完成对整个电路的控制。
2.电流源部分
在小电流输出的电流源中，可采用晶体管构成的镜像电流源、微电流源等。
本设计中要求的输出电流为200～2000mA，输出电流较大。
采用基于运算放大器和晶体管构成的电流深度负反馈电路。
该方案在电路中引入了深度电流负反馈，因此可以保证输出电流具有很高的稳定性。
电流源所需要的控制电压有高精度D/A转换器提供，容易实现输出电流的小步进调节。
如图1所示。
图1带有电流负反馈的直流电流源
3.供电电源部分
根据本设计的要求，需要一个具有20V电压、2A以上电流输出的直流电源，对电源没有特别的要求。
本设计采用了基于可调三端稳压器的线性直流稳压电源。
综上所述，这个系统的硬件组成框图如图2所示。
图2系统组成原理框图
六、论文的进度安排
2010．11—2010．12：
查阅相关文献资料，进行可行性分析，总体方案初拟；
2010．12—2011．01：
撰写开题报告，方案论证与修改，电路原理图设计；
2011．01—2011．03：
，开关电源的制作与调试以及对电源实验波形进行分析；
2011．03—2011．04：
毕业设计论文书写，毕业论文修改，毕业论文定稿；
2011．04：
毕业设计结题答辩。
七、主要参考文献
[1]姚庆亮.基于单片机的数控直流恒流源的设计[D].安徽：
安徽工程科技学院，2009.
[2]唐俊瞿.单片机原理及应用[M]，北京：
冶金工业出版社，2003.
[3]曾波.数控恒流源[N].电子世界，2005（9）.
[4]刘建民.水资源规划与决策支持系统的发展和应用[J]，水科学进展.1995，6（3）：
255～260.
[5]胡四一，宋德敦.长江防洪决策支持系统总体设计[J].水科学进展.1996，7（4）：
283～294.
[6]崔玉兰，郭治清.全国水文自动测报系统建设评价[J].水文.2002，22
（1）：
58～60.
[7]李浙东，黄晓艳，张莉君.水文遥测系统常用通信方式及特点的研究[J].水道港口.2004，3118～119.
[8]TsudaShinya，SkaiSouichi．Recentprogressina-Sisolarcells[J]．AppliedsurfaceScience1997．113（114）：
734～740．
[9]宋协法，万荣，梁振林.太阳能电池在深海抗风浪养殖网箱中的应用研究[J].青岛海洋大学学报.2003，33（5）：
707～711.
[10]徐鹏威，刘飞，刘邦银等.几种光伏系统MPPT方法的分析比较及改进[J].电力电子技术.2007，41（5）：
3～5.
[11]马章.新型太阳能光伏电源控制器[J].铁道通信信号.2000，36（7）：
24～25.
八、指导教师意见
该论文选题有理论和实用价值，前期工作准备充分，方案设计合理，可以开题。
签名：
2008年12月11日
九、开题审查小组意见
选题符合本专业培养目标，具有一定的实际意义与应用价值，方案设计可行，时间安排合理，同意开题。
开题审查小组组长签名：
2008年12月13日
忽略此处..
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