数控直流恒流源浙大.docx
《数控直流恒流源浙大.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《数控直流恒流源浙大.docx（15页珍藏版）》请在冰点文库上搜索。
数控直流恒流源浙大
数控直流恒流源（浙江大学）
coldfly发表于七月6th,2007
o未分类
作者：
浙江大学陈智德徐进陶晶
摘要：
本设计采用凌阳十六位单片机SPCE061A作为直流恒流源的控制、显示和输出电流检测核心，实现了-2A到2A数控可调直流恒流源。
系统的显示部分采用128×64点阵式液晶显示屏实时显示设定电流值和实测电流值；输出电流控制采用SPCE061A单片机的D/A口输出模拟量；电流测量采用基本没有温度漂移的康锰铜电阻丝作为精密取样电阻，利用SPCE061A的A/D输入口进行电流检测和监控。
硬件电路恒流部分的控制端采用多个精密运算放大器OP07接成闭环反馈控制形式，受控部分采用达林顿管进行扩流、精确输出设定电流。
电源部分采用大功率变压器供电，多级电容滤除纹波干扰；电源输出采用三端稳压芯片进行稳压，并且利用大功率达林顿管进行扩流以满足后级功率需求。
关键字：
SPCE061A恒流源
一、方案论证
如题目要求，系统主要由控制器模块、电源模块、电流源模块、负载模块及键盘显示模块构成，下面分别论证这几个模块的选择。
1、控制模块的选择方案
方案一：
采用AT89C51单片机进行控制。
本设计需要使用的软件资源比较简单，只需要完成数控部分、键盘输入以及显示输出功能。
采用AT89C51进行控制比较简单，但是51单片机资源有限，控制输入输出，需要外接8279之类的芯片进行I/O扩展。
方案二：
采用SPCE061A单片机进行控制。
SPCE061A凌阳单片机具有强大功能的16位微控制器，它内部集成7路10位ADC和2通道10位DAC，可以直接用于电流测量时的数据采集，以及数字控制输出；I/O口资源丰富，可以直接完成对键盘输入和显示输出的控制；存储空间大，能配合LCD液晶显示的字模数据存储。
采用SPCE061A单片机，能将相当一部分外围器件结合到一起，使用方便，抗干扰性能提高。
鉴于上面分析，本设计采用方案二。
2、电源模块的选择方案
由于该题要求输出最大电流达2A，输出最大电压达到10V，且纹波电流要求很小，因此对电源的要求比较高，尤其体现在电源的功率和纹波电压的要求。
方案一：
采用全桥整流加电容滤波电路
该电源为正负对称输出，实际输出电压为正负20V左右，100nF、1.0uF用于滤除电源中的高频交流成分。
为了满足大电流要求，后级滤波电容选用了10000uF。
这种电路广泛应用于一些要求不太高的电流直流电源中，其驱动能力和后级的滤波电容有关，该电路显著的特点就是能够比较好的满足电流的瞬态相应，而如果负载要求持续的大电流输出，该电路将无能为力。
方案二：
采用三端稳压集成电路
一般的三端稳压集成块稳压效果较好，但难以达到2A以上的大电流输出，为了满足本题需要可以采用多块稳压集成块并联的方式来扩流。
这种电路理论上输出电流能力为各块集成块输出最大电流的和。
要达到比较好的稳压效果，要求并联的各稳压块参数尽量接近。
在应用中发现，当电流接近理论值时，稳压效果急剧变差，这是由于器件的不一致性所造成的。
因此，要取得好的稳压效果，理论输出最大电流值要大于所需电流值，这必然造成器件的浪费，且器件的选择还必须参数尽量接近。
方案三：
采用三端稳压集成电路外接扩流管
这种电路既利用了稳压集成块优秀的稳压性能，又能够有一定的电流输出，在一些高精度的线性稳压电源中被广泛采用，其基本电路图如图1.1所示。
采用三端稳压集成电路LM7812驱动达林顿管TIP127，该管最大集电极电流为8A，仿真时当电流为3A左右时，纹波电压仅为几十uV，有着非常优异的性能。
鉴于上面分析，本设计采用方案三。
图1.1加入三端稳压电路和扩流管的电源电路
3、电流源模块的选择方案
方案一：
由晶体管构成镜像恒流源
该电路的缺点之一在于电流的测量精度受到两个晶体管的匹配程度影响，其中涉及到比较复杂的工艺参数。
另一缺点在于，集电极最大输出电流约为几百毫安，而题目要求输出电流为200～2000mA，因此由晶体管构成的恒流源不适合采用。
方案二：
由运算放大器构成恒流电路
运算放大器构成的恒流电路摆脱了晶体管恒流电路受限于工艺参数的缺点。
但是只由运放构成的恒流电路，输出电流同样只能达到几十毫安，远远不能满足设计要求，因此必须加上扩流电路。
方案三：
由运算放大器加上扩流管构成恒流电路
采用运算放大器加上扩流管构成恒流电路，既能利用运算放大器准确的特性，输出又能达到要求。
采用高精度运算放大器OP07，更能增加其准确的性能；采用达林顿管TP127进行扩流，具有很大的扩流能力，两者结合，可以实现比较精确的恒流电路。
鉴于上面分析，本设计采用方案三。
4、电流取样电阻的选择方案
产生电流可以采用在电阻两端加电压的方法，测量电流一般采用的方法是测量电流流经电阻两端的电压进行间接计算得到的。
因此在产生电流或者测量电流值时，取样电阻的选择非常重要。
方案一：
采用普通电阻。
在电流比较小的情况下，普通的1/4W或者1/8W的电阻可以被用作电流测量，但是本题需要测量的是电流源的输出电流，最大需要达到2A。
因此即使是比较小的电阻，如1Ω电阻，通过2A电流时功率也已经达到4W，大大超过普通电阻的额定功率，电阻将被烧断。
因此在本系统中，测量电流的取样电阻不能使用普通电阻。
方案二：
采用大功率电阻。
为了满足流过大电流的要求，可以采用大功率电阻，如1Ω/10W的电阻，通过2A电流时一定不会被烧断。
但是此时流过的大电流将会使电阻大量发热，导致电阻温度急剧上升。
一般的大功率电阻在温度很高时，将产生比较严重的阻值温度漂移。
在产生电流的情况下，由于电压值与实际的电流值并非一一对应，将产生错误的电流；在测量电流的情况下，测量电流也会随着阻值的温度漂移而产生严重的变化，将产生很大的测量误差。
因此用于这些情况下的取样电阻也不能使用温度漂移严重的普通大功率电阻。
方案三：
采用康锰铜电阻丝。
康锰铜电阻丝是电流测量中很常用取样电阻，其特点在于温度漂移量非常小。
经过测试，在1Ω的康锰铜电阻丝上通过约2A电流，由于产生的热量引起的升温，只会引起0.02Ω左右的阻值变化，对电流的稳定起了很重要的作用。
另一方面，1Ω的康锰铜电阻丝约长1m，由于和外界接触面积大，即使通过大电流也能很快的散热，进一步的减小温度漂移带来的影响。
鉴于上面分析，本设计采用方案三。
5、显示模块的选择方案
方案一：
采用LED数码管显示。
由于要求显示设定值和测量值，需要显示的值比较多。
采用LED数码管需要用动态扫描，占用资源比较多。
整个显示界面显得不太友好。
方案二：
采用LCD液晶显示器显示。
采用128×64点阵LCD液晶显示，可视面积大，画面效果好，抗干扰能力强，调用方便简单，而且可以节省了软件中断资源。
其缺点在于显示内容需要存储字模信息，需要一定存储空间。
由于作为控制器的单片机SPCE061A有32K字的Flash，有足够的存储空间，存储字模数据绰绰有余。
鉴于上面分析，本设计采用方案三。
二、详细软硬件设计
根据题目要求和以上论证，本设计的系统框图如图2.1所示，主控制器与各外围模块的硬件连接图如图2.2所示。
系统工作过程如下：
自制电源为电源电路，提供给各模块；SPCE061A单片机通过检测键盘输入，经过运算相应改变10位DAC的输出值，控制电流源电路输出的电流值；电流源输出经过负载取出电压值，由SPCE061A单片机的10位ADC进行采样测量；最后通过LCD液晶显示出设定值和测量值。
图2.1系统总体框图
图2.2系统硬件连接图
1、硬件设计
本系统的硬件部分主要包括三大部分：
恒流源电路、电流测量电路和单片机控制电路。
恒流源电路包括电源电路、恒流源电路以及SPCE061A单片机10位DAC的输出电路。
电流测量电路包括电压采样电路和SPCE061A单片机10位ADC输入前的电平转换电路。
单片机控制电路包括SPCE061A单片机、键盘电路和显示电路。
下面详细介绍各个单元电路的设计。
（1）电源电路的硬件设计
在本系统中，要求输出2A的大电流，而且对纹波的要求很高，电源部分的电路图如图2.3所示。
50Hz交流220V电压经过变压器，输出约±20V交流电压，经过全桥进行整流，通过电容滤波，100nF、1.0uF用于滤除电源中的高频交流成分。
采用三端稳压集成电路LM7812驱动达林顿管TIP127，使电源输出电流能达到2A以上，以满足电流源的需要。
图2.3电源部分电路
利用Multisim8对图2.1电源电路进行仿真。
当正负两路电源输出负载为5Ω时，分别用虚拟万用表测量正负两路电源的输出电压（即图2.3的节点11和节点6），以及通过负载的电流，得到结果如2.4所示。
正端电源输出电压为11.84V，流经负载电流为2.368A；负端电源输出电压为-11.869V，流经负载电流为2.374A。
正负两路输出功率均能达到20W，满足电流源最大电流2A，最高电压10V的输出功率要求。
图2.4正负电源负载端电压电流仿真结果
（2）数控电路的设计
数控部分主要利用SPCE061A单片机的10位DAC实现。
SACE061A的DAC是电流型DAC，需要对地接电阻以得到电压控制量。
对地接电位器，调节得到0～2V电压。
分别线性对应成-2A～2A的电流。
再经过一个电压跟随器进行隔离，取出控制恒流源的控制电压值。
该部分电路如图2.5所示。
图2.5数控电压的产生
（3）恒流源电路的设计
恒流源电路如图2.6所示。
其中，运算放大器U3是一个反相加法器，一路输入为控制信号V1，另一路输入为运放U1的输出反馈，R8是U3的反馈电阻。
针对运算放大器输出电流小的不足，该电路加了扩流电路。
采用达林顿管TIP122和TIP127组成推挽式电路，两管轮流导通。
U2是电压跟随器，输入阻抗高，基本没有分流，因此流经R2的电流全部流入负载RL。
U1是反相放大器，取R14＝R11时，放大倍数为-1，即构成反相器。
图2.6恒流源部分电路
若U3的输入电压为Vin，根据叠加原理，有
由U2的电压跟随特性和U1的反相特性，有
代入得到
即流经R7的电流完全由输入控制电压Vin决定
由于U2的输入端不取电流，流经负载RL的电流完全由输入控制电压Vin决定，实现了压控直流电流源的功能。
由于R7中流过的电流就是恒流源的输出电流，按照题目要求，输出的直流电流需要达到2A，这里采用康锰铜电阻丝作为电阻R7。
（4）电流测量采样电路的设计
如前所述，恒流源的输出电流值完全由图2.6中的康锰铜电阻丝R7决定的，可以通过测量康锰铜电阻丝的两端电压来测量恒流源的输出电流。
图2.7完成的是对康锰铜电阻丝两端电压的提取和转换功能。
图中R1即为康锰铜电阻丝。
V1为正电流流入点，V2为正电流流出点。
U1和U3两个运算放大器作为电压跟随器，分别提取出V1和V2两点的电压值，由于电压跟随器输入阻抗很高，基本不取电流，因此不会影响恒流源的输出值。
电压V2经过U3的同相跟随和U4的反相，得到的电压值为-V2。
V1和-V2两路电压接入反相加法器U2，输出电压为
由于恒流源的输出电流范围为±2A，V1-V2的差值是正负对称的，因此通过调整电位器Rf的值，可以将反相加法器的输出固定在-1.5V～1.5V，作为反相加法器U5的一个输入端；从电源电路引出的±12V直流信号分别通过LM7805和LM7905，将电压稳定在±5V，然后通过电位器取出-1.5V直流电平，作为反相加法器的另外一个输入端。
则U5的输出电压范围为0～3V，将该电平输入到SPCE061A单片机的ADC输入，则通过V1-V2和0～3V以及A/D的数字采样之间的线性对应关系，就可以通过单片机测量出V1-V2的电压值，从而计算出恒流源的输出电流。
图2.7电流测量采样及电平转换电路
（5）键盘电路的设计
在本系统中，键盘主要用于设定电流源的输出电流值。
为了操作更方便，采用了1×8按键，连接到SPCE061A单片机IOA的高8位，采用直接检测电平的方法检测按键。
其中使用了5个按键，按键面板如图2.8所示。
设定键用于正常状态和设定状态之间的切换。
左右键用于设定状态下，设定位置的选择；上下键用于改变设定位的值。
调节范围为0～2A，步进1mA。
图2.8键盘面板图
（6）显示电路的设计
本系统采用128×64LCD液晶点阵显示。
8位数据线分别连接到SPCE061A的IOB高8位，并且利用IOB3～IOB7作为控制线。
正常状态下显示面板图如图2.9所示。
当设定电流和负载电阻的配合使负载两端电压值超过题目要求的10V最大电压时，将会输出警告信息，此时显示面板输出图如图2.10所示。
图2.9正常状态下显示面板图 图2.10报警状态下显示面板图
2、软件设计
（1）主程序流程图
软件的主程序流程如图2.11所示。
主程序不断检测是否有按键输入，如果有按键，则进行相应的键值处理，根据按键改变设定的电流值，实现数控输入。
再根据设定值，对应改变显示内容和DAC输出的控制电压。
当设定电流值为正的时候，通过SPCE061A的I/O口控制两个模拟开关的导通与截止。
图2.11主程序流程图
（2）中断服务函数流程
中断服务函数主要处理测量电流时的采集数据，每0.5s进行一次电压的A/D采集，根据采集得到的电压换算成被测电流值，并且显示相应的数据。
另外，为了使改变电流设定值的时候界面显得更加友好，在被修改的一位上加上闪烁功能，因此每隔0.5s改变一次标志位的值。
中断服务函数流程如图2.12所示。
图2.12中断服务函数流程
三、测试说明
1、测试仪器
电路测试中使用的仪器设备及其用途如表3.1所示。
表3.1电源部分测试使用的仪器设备
序号
仪器名称及型号
数量
用途
1
VC9806+四位半数字万用表
1
测量负载电流
2
DT9205三位半数字万用表
1
测量电源输出电压
3
V-21220MHz示波器
1
观察电源输出纹波电压
4
DA-16晶体管毫伏表
1
测量电源输出纹波电压有效值
5
BCI-5000～500Ω瓷盘变阻器
1
可变负载电阻
2、电源部分测试
在该项测试中，使用瓷盘变阻器作为负载电阻，使用VC9806+四位半数字万用表测试电源输出电流，DA-16晶体管毫伏表测试负载两端输出电压，改变瓷盘变阻器的阻值，测试电源的输出电压，负载电流以及纹波电压。
测试数据如表3.2所示。
表3.2电源部分指标测试
测试次数
电源输出电压
负载电流
负载电阻
纹波电压有效值
1
12.14V
0mA
空载
250μV
2
12.14V
25.14mA
482.9Ω
180μV
3
12.14V
50.06mA
242.5Ω
140μV
4
12.14V
100.1mA
121.3Ω
130μV
5
12.14V
0.509A
23.9Ω
122μV
6
12.14V
1.114A
10.9Ω
122μV
7
12.13V
2.234A
5.4Ω
180μV
由测试数据可以看出，当负载电流超过2A时，电源的输出电压仍然能稳定在12V左右，可知电源的输出功率超过足以驱动电流源电路，使其产生最大20W的功率，符合电流源的功率要求。
通过毫伏表估读出其纹波电压，都是微伏数量级的小纹波电压，不足以引起电流源很大的纹波电流。
综上所述，电源部分满足指标要求。
3、恒流源电路测试
使用自制电源作为恒流源的电源，首先将负载电阻短路，通过控制面板输入所需电流值，测得恒流源在0负载条件下的性能指标。
改变负载电阻，测试恒流源电路的带负载能力。
测试数据如表3.3所示。
表3.3恒流源电路测试
设定电流
实测输出电流
纹波电流
负载电阻
20mA
20mA
55uA
0Ω
40mA
40mA
60uA
0Ω
100mA
101mA
75uA
0Ω
300mA
299mA
90uA
0Ω
800mA
798mA
160uA
0Ω
1A
998mA
223uA
0Ω
1.2A
1200mA
302uA
0Ω
1.5A
1496mA
330uA
0Ω
1.8A
1792mA
385uA
0Ω
2A
1990mA
414uA
0Ω
20mA
20mA
153uA
30Ω
40mA
40mA
167uA
30Ω
100mA
99mA
180uA
30Ω
300mA
298mA
223uA
30Ω
四、结论
本系统以凌阳十六位单片机SPCE061A芯片为核心控制器件，控制液晶显示，键盘输入，恒流输出设定和电流输出检测等各个部分。
数控恒流源可以在输出口电压不超过10伏的情况下输出-2A到2A的恒定电流，具有输出准确，纹波少，输出稳定等特点，基本达到了竞赛题目中要求的各项任务和功能。
在系统设计过程中，功率器件和控制器件隔离布线，对大功率器件进行了较好的散热处理。
因为时间有限，该系统还有很多值得改进的地方：
电源部分加入过载自动保护电路，以防止负载过大时的系统过载；采用12位的AD和DA对恒流源电路进行更加精确的检测和控制，因为整体硬件电路经过测试可以将输出电流精确到0.1mA；增加监测点，当输出口电压大于10伏时进行报警；增加风扇或其他更好的散热设备和温度检测设备，当恒流源连续输出大电流系统过热时，对整个系统进行充分的散热，这样也可以使输出的最高电流2A向上提升到5A以上。
升级会员 