数控直流电流源报告 修改.docx
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数控直流电流源报告修改
数控直流电流源
摘要：
本系统设计了以stc89c51为控制核心，集成运算放大器构成的具有深度负反馈的数字可控直流电流源。
采用12为高精度A/D转换芯片TL5618和高精度D/A转换芯片TL2543以提高控制精度。
系统由单片机控制，具有键盘设定、步进，液晶显示设定值和测量值等功能，实现了在200~2000mA的电流范围内任意设定电流，多步长步进，最小步进值为1mA。
关键词：
数控直流电流源TLV2543深度负反馈
目录
一、方案比较与论证1
1.1总体方案比较与论证1
1.2.系统框图2
1.2.1控制器模块2
1.2.2电流源模块2
1.2.3电压转换模块3
1.2.4测量电路的设计4
1.2.5电源模块4
1.2.6显示模块模块4
1.2.7精密基准源模块4
1.2.8键盘模块4
二、单元电路设计4
2.1电流源电路设计4
2.2D/A转换电路的设计5
2.3测量电路的设计5
四、系统测试和误差分析7
1．测试仪器及设备7
2.测试方法8
3.测试数据8
3.1输出电流和纹波电流的测试8
3.3步进电流的测试：
8
3.4直流电流源的负载特性测试8
4.误差分析9
一、方案比较与论证
1.1总体方案比较与论证
方案一：
PWM信号控制的恒流源。
PWM输出到RC滤波电路消除谐波分量，然后经过分压电路进行分压，再到V-I转换电路实现恒流源功能。
采用PWM脉冲方式来实现的恒流源可以简化硬件电路，易于控制和调节、廉价，而且具有效率高的优点。
但是该方案也存在精度不高、电流调节范围较小的缺点。
受纹波和稳定性等因素的限制，采用PWM调节方式的电路其波形的占空比调节范围其实相当有限，难以应用在大电流调节范围的应用之下。
方案二：
采用集成稳压器件构成的开关恒流源。
开关恒流源电路虽然能实现题目的基本要求，但存在主要问题是对电流的程控步进通过改变滑阻来实现，只能采用数字电位器，但数字电位器价格昂贵，电流的控制精度也达不到要求。
方案三：
集成运放恒流源。
集成运算放大器是一种高增益的直流放大器，一般工作在闭环状态，只要外界少数几个电阻，就可以构成具有深度负反馈的放大器，因而可用做恒流源。
通过负反馈作用，使加到比较放大器两个输入端的电压相等，从而保持输出电流的恒定.
鉴于以上比较和论证，最终选择方案三。
1.2.系统框图
整个系统包括控制器模块、DA转换模块、电流源模块、电源模块、显示模块、键盘模块、测量模块。
系统框图如图2-1所示。
图2-1系统框图
为实现各模块的功能设计了几种不同的方案并进行了论证。
1.2.1控制器模块
方案一：
采用可编程逻辑器件FPGA作为控制器。
FPGA可以实现各种复杂的逻辑功能，规模大，密度高，体积小，稳定性高，IO资源丰富，处理速度快，易于进行功能扩展。
但本系统不需复杂的逻辑功能，对数据的处理熟读要求也不高。
因此放弃了这个方案。
方案二：
采用单片机作为控制器。
选择了stc89c51作为控制芯片，它具有性价比高、高速、低功耗、抗干扰能力强，满足本系统的要求的特点。
所以选择该方案。
1.2.2电流源模块
方案一：
单运放反馈型恒流源。
集成运算放大器是一种高增益的直流放大器，一般工作在闭环状态，只需要外部接少数的电阻，就可以构成具有深度负反馈的放大器，因而可用作恒流源。
本电路设计的时候采用的OP07是双电源供电，通过负反馈作用，使加到比较放大器的两个输入端的电压相等，从而保持输出电流的恒定，如图2-2所示。
方案二：
双运放反馈负载接地型恒流源。
通过两个集成运放的闭环系统，外围适当的接电阻，构成负载接地的恒流源。
这种方法外围电路较为复杂，功耗相对较高。
电路图如图2-3所示。
单运放反馈型恒流源可以达到题目要求的指标，功耗相对较低，所以选择方
案一。
图2-2单运放反馈型恒流源
图2-3双运放反馈负载接地型恒流源
1.2.3电压转换模块
要程控电流的变化，必须改变电压。
我们选择电压型D/A转换期间。
D/A的精度决定于题目的要求。
题目基本要求中电流的变化为200~2000mA，步进10mA，分辨率是（2000-200）/10=180,普通的八位D/A转换为分辨率是255，已经满足要求。
发挥部分要求是200~2000mA，步进1mA，分辨率为（2000-20）/1=1980,10位A/D转换为分辨率1023，达不到如此高的精度，12位A/D转换为分辨率4095，满足要求。
1.2.4测量电路的设计
采用A/D转换测量电流。
对采样电阻进行电压采样，把数据传送给单片机处理并送显示模块显示。
1.2.5电源模块
提供输出电流的电源部分。
题目要求输出200~2000mA电流，电压≤10V，因此需要较大的电压功率。
1.2.6显示模块模块
采用带字库的LCD12864。
为了避免占用大量的I/O口，我们采用串行传送，减少硬件电路的制作。
LCD12864可以采用中文显示界面，显示内容丰富，人机交互界面好。
1.2.7精密基准源模块
采用稳压元件提供精密基准电压，电路如图所示。
图2-4精密基准源
1.2.8键盘模块
采用4x4矩阵键盘。
根据题目要求，需要较多的按键，采用矩阵键盘，提高I/O口的利用率。
二、单元电路设计
2.1电流源电路设计
采用集成运放构成的深度负反馈恒流源电路如图2-5
图2-5恒流源电路
D/A输出后作为输入电压Vin，运放与三极管组成恒流源电路。
R是采样电阻，在这里取为1Ω。
由虚短和虚断的原则可知，流过采样电阻的电流的
为：
。
根据三极管的特性，流过负载
的电流
，
，所以
。
负载电流只与固定参数有关，适合电路的设计要求。
根据原理
，其中
的范围是200~2000mA，
为D/A转换后的电压，因为最大电流为2A，考虑功率的问题，取采样电阻
。
电路中采样电阻采用高精度、低温漂的康铜丝电阻。
集成运放选择了低失调集成运放OP07，它的失调电压为10
，温漂
，偏置电流700pA，噪声为
（1kHz），能满足要求。
因为电流将会达到2A，所以采用达林顿复合管结构，前级用三极管S8050，后级采用达林顿管TIP122。
在实际电路中，因为电流较大时，三极管易发烫，所以为其加散热片。
2.2D/A转换电路的设计
我们选择了12位电压型D/A芯片TLV5618,其外围电路如图所示。
D/A能达到的精度：
可以达到步进1mA的要求。
2.3测量电路的设计
基本要求中电流的变化为200~2000mA，步进10mA，分辨率是（2000-200）/10=180,普通的八位A/D转换为分辨率是255，已经满足要求。
发挥部分要求是200~2000mA，步进1mA，分辨率为（2000-20）/1=1980,12位A/D转换为分辨率4095，因此我们选择了12位的A/D芯片TLC2543。
为保证数控恒流器件的高稳定性，器件内部应有反馈单元电路。
较简单的办法是通过采样电阻RS与负载串联实现采样反馈，但RS的选择直接影响IO的稳定性和器件自身功耗。
若RS过大，将导致功率损耗增加；若RS过小，则反馈信号太弱，不利于对电压的控制。
采用放大分压电路增大反馈，是降低功耗，确保反馈信号有效控制的理想办法。
实际电路中采样进入A/D前加了一级跟随作为隔离。
电路如图2-5、2-6所示.
如图2-5电压跟随器
三、软件主程序流程图
软件主程序流程图如图1-5所示。
图1-5主程序流程图
四、系统测试和误差分析
1．测试仪器及设备
表1-6测试仪器及设备
仪器名称
型号
用途
数量
手持万用表
MS8264
测量负载电阻
1
电流表
测量负载电流
1
可调电阻
2K0.1A
作为可变负载
1
2.测试方法
系统测试以可调电阻为负载，测试分以下几个步骤：
步骤一：
设定负载电阻是50Ω、100Ω、200Ω，保持负载不变，选择步进量“1mA”、“0.5mA”测试“+”、“-”步进功能。
步骤二：
分别另输出电流是3mA、5.5mA、18mA，保持电流不变，改变负载电阻在50Ω-250Ω之间变化，用万用表测量输出电流，并记录不同负载时的输出电流。
3.测试数据
3.1输出电流和纹波电流的测试
负载为
时，输出电流和纹波电流的测试如表3-1
表3-1输出电流和纹波电流的测试
序号
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
预置电流/mA
输出电流/mA
实测电流/mA
纹波电压/mV
纹波电流（纹波电压/负载）/mA
3.3步进电流的测试：
表3-2输出电流和纹波电流的测试
当前电流值/mA
1
5.5
10.5
15
17.5
步进之后的电流值/mA
+0.5
-0.5
+1
-1
分析：
运用实测查表的方法使步进值能够达到设定的步长，并且比较稳定。
3.4直流电流源的负载特性测试
表3-3输出电流和纹波电流的测试
负载电阻/Ω
1Ω
2Ω
3Ω
4Ω
5Ω
负载电压/mV
电流/mA
100
500
1000
1500
2000
4.误差分析
系统误差产生的原因，主要有：
达林顿管的非线性误差及温度特性；取样电阻本身存在温漂，导致误差；DAC,ADC存在转换误差；三极管集电极输出，电流为
，与取样电阻上的电流
存在误差。
[参考文献]
[1]全国大学生电子设计竞赛组委会.全国大学生电子设计竞赛获奖作品选编[C].北京：
北京理工大学出版社，2007.2.
[2]谢佳奎.电子线路:
线性部分[M].北京:
高等教育出版社,1999.6.
[3]求是科技.8051系列单片机C程序设计完全手册[M].北京：
人民邮电出版社，2006.4.
[4]铃木雅臣.晶体管电路设计（上）[M].北京:
科学出版社,2004.
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