简易可编程恒流源

1目录一、前言.......................................................................................................................................2二、设计任务...............................................................................................................................3三、总体方案设计......................................................................................................................33.1方案论证与比较...........................................................................................43.1.1控制部分............................................................................................43.1.2恒流源部分........................................................................................4四、单元模块设计......................................................................................................................64.1各单元模块功能介绍及电路设计...............................................................64.1.1恒流源模块原理................................................................................64.1.3测量及显示模块原理........................................................................74.1.4过流保护电路....................................................................................74.1.5控制单元模块....................................................................................84.2各种特殊元件的选择...................................................................................84.2.1采样电阻的选择................................................................................84.2.2调整管的选择....................................................................................84.2.3误差电压放大器................................................................................94.2.4数模转换器的选择............................................................................9五、总结与心得...........................................................................................................................9六、附录......................................................................................................................................106.1实验数据........................................................................................................106.2程序代码........................................................................................................116.3仿真图............................................................................................................166.4实物图............................................................................................................176.5原件清单........................................................................................................186.6参考文献........................................................................................................182简易可编程恒流源本系统以直流电流源为核心，STC89C52单片机为主控制器，通过键盘来设置直流电源的输出电流，设置步进等级可达10mA，并可由液晶显示电流设定值。本系统由单片机程控输出数字信号，经过D/A转换器（TLV5615）输出模拟量，再经过运算放大器隔离放大(TL081)，控制输出功率管的基极，随着功率管基极电压的变化而输出不同的电流。单片机系统还兼顾对恒流源进行实时监控，输出电流经过电流/电压转变后，实时把模拟量转化为数据量，再经单片机分析处理，通过数据形式的反馈环节，使电流更加稳定，这样构成稳定的压控恒流源。关键词：程序控制D/A转换可控步进恒流LCD显示保护电路一、前言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。恒流源是电子技术常用的仪器设备，广泛的应用于教学、工业和科研等领域，是电子实验员、电子设计人员及电路开发部门进行实验作和科学研究所不可缺少的电子仪器。恒流源是模拟系统中广泛使用的一种单元电路或测试平台，在实际工程中也有广泛的用途，是电导测量、开关电源、功放等场合不可替代的检测设备。在电子电路中，通常都需要电压稳定的直流电源来供电。而整个稳压过程是由电源变压器、整流、滤波、稳压等四部分组成[10]。然而这种传统的直流稳压电源功能简单、不好控制、可靠性低、干扰大、精度低且体积大、复杂度高。随着电子技术的发展，数字电路应用领域的扩展，现今社会，产品智能化、数字化已成为人们追求的一种趋势，设备的性能，价格，发展空间等备受人们的关注，尤其对电子设备的精密度和稳定度最为关注。性能好的电子设备，首先离不开稳定的电源，电源稳定度越高，设备和外围条件越优越，那么设备的寿命更长。基于此，人们对数控恒定电流器件的需求越来越迫切。3二、设计任务（1）利用DA转换芯片输出200mA～2000mA电流信号；（2）可设置并显示输出电流给定值；（3）系统工作符合一般稳压电源要求；扩展要求：（4）可步进输出电流，步进值10mA；（5）保护电路。三、总体方案设计恒流源系统方框图如图1所示。它由控制器、电流源、电流测量装置、自制稳压电源等。系统程序流程图如图2所示。图1恒流源系统方框图图2系统程序流程图开始系统初始化等待输入电流值+-预置值显示预置电流值输入清零？显示测量电流值NY43.1方案论证与比较3.1.1控制部分对于一般控制方面的问题大体可以采用如下三种方案来实现：方案一：采用中小规模集成电路构成的控制器。方案二：采用以单片机为核心的单片机最小系统构成控制器。方案三：采用可编程逻辑器件（如FPGA/CPLD）构成的控制器。因方案一外围元器件多，容易出故障，方案三价格较贵，而方案二外围元器件不算多，而且具有价格便宜，容易掌握，可靠性高等优点，故本系统采用方案二，即采用STC89C52为核心的控制器。3.1.2恒流源部分方案一：由三端可调式集成稳压器构成的恒流源以LM338为例，其最大输出电流为5A，输出电压Uo1为1.2～33V。其典型恒流源电路如图3所示。LM338UiC0.1uFRRL1.2vUoUo1Ih图3由LM338构成的恒流源电路当可调稳压器LM338调节在输出电压Uo1=1.2V时，若R固定不变，则Ih不变。因此可获得恒流输出。例如，R=6，则Ih=Uo1/R=1.2/0.6=2A。若改变R的值，可使输出电流Ih改变。例如，R=6时，则Ih=200mA，可满足要求（输出电流范围200～2000mA）。若R由60变到0.6，则Ih为2～2000mA，则满足发挥部分的要求。假设R改为数控电位器，则输出电流可以以某一个步长进行改变。5此方案优点：结构简单，外围元器件少，调试方便，价格便宜。缺点：精密的大功率的数控电位器难购买。方案二：由数控稳压器构成的恒流源其原理方框图如图4所示。此方案优点：原理清楚，如果知识，器件有储备，方案容易实现。缺点：由图4可知，数控稳压源的地是浮地的，与系统不共地线。对系统而言，地线处理不方便。数控稳压源来自CPU电压控制字UiRRLUo1图4由数控稳压器构成的恒流源方框图方案三：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TL081，更能增加其准确的性能；采用三极管TIP122，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。图5方案三原理图方案三优点：原理清楚，对单片机及其外围器件比较熟悉，元器件资料丰富，实现此方案就变得容易。综合考虑，系统选取方案三。6四、单元模块设计4.1各单元模块功能介绍及电路设计4.1.1恒流源模块原理原理如图6所示在这一部分电路中DA将单片机送来的控制字转换成电压，控制晶体管的输出电流。由数模转换器TLV5615，误差放大器TL081驱动管，达林顿扩流电路等组成。图6恒流源电路图基本原理：DAC转换器TLV5615通过单片机输入一个给定值后，会输出一个电压值，再通过运放电路对电压进行放大，取合适的采样电阻和扩流电路后。通过误差电压放大器，输入电流的大小随输入给定值转变为电压信号，再转变为实际输出的电流值。在采样电阻不变的情况下跟随给定电流值变化。组成恒流源电路。数学表达式为：Uout=Vref*N/1024;基准电压Vref通过电阻分压取得2.5v（4.1）U1=Uout\(R4\R4+R3)（4.2）Il=Ie=Ic=U1\R9;R9为2.5（4.3）由以上三式可得：I=N(mA)即输出电流只与D