数控直流电流源设计

第1页共20页1摘要：本设计以AT89S52为核心，通过A/D、D/A转换、V/I转换及独特的算法实现了高精度的，电流输出范围为20mA～2000mA的数控直流电流源。该电流源具有电流可预置，1mA步进，同时显示给定值和实测值等功能。关键字：89S52，数控电源，V/I转换NumericalControlledConstant-CurrentSourceAbstract:Thepaperexpoundsthedesignofthenumericalcontrolledconstant-Currentsource.ThesystemcoreisAT89s52.TheA/DD/AV/Iconvertsandthespecificarithmeticisusedtocarryouthighprecisionandthecurrentoutputrangefrom20mAto2000mA.Thesourcerealizesthattheoutputcurrentcanbeset,1mAadjustedstepbystep,thedisplayofthepresentvalueandthepracticemeasurevalue。Keywords:AT89S52,Numericalcontrolledsource,V/Iconverter第2页共20页2目录1.系统设计..........................................................................31.1设计要求.........................................................................31.1.1基本要求.......................................................................31.1.2发挥部分.......................................................................31.2总体设计方案.....................................................................41.2.1方案论证与比较.................................................................42.单元电路设计......................................................................72.1恒定电流源电路设计...............................................................72.2控制器电路设计...................................................................82.2.1单片机最小系统设计.............................................................82.2.2A/D、D/A电路设计..............................................................82.3键盘电路设计.....................................................................92.4显示器电路设计..................................................................102.5稳压电源电路....................................................................103.软件设计.........................................................................113.1软件设计流程图..................................................................113.2软件功能、算法及源程序：........................................................124.系统测试.........................................................................144.1测试使用的仪器..................................................................144.2指标测试和测试结果..............................................................144.2.1输出电流范围测试..............................................................144.2.2步进调整测试..................................................................144.2.3输出电流测试..................................................................144.2.4结论..........................................................................155.结语.............................................................................15参考文献............................................................................16附录1主要元器件清单...............................................................16附录2单片机最小系统原理图.........................................................17附录3模块电路原理图...............................................................17附录4单片机最小系统PCB............................................................19附录5模块电路PCB..................................................................19附录6操作说明：...................................................................20第3页共20页31.系统设计设计并制作数控直流电流源。输入交流200～240V，50Hz；输出直流电压≤10V。其原理示意图如下所示。图1.1数控直流电流源原理示意图1.1设计要求题目要求设计并制作数控直流电流源。输入交流200～240V，50Hz；输出直流电压≤10V。其要求如下:1.1.1基本要求（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≤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；（6）自制电源。1.1.2发挥部分（1）输出电流范围为20mA～2000mA，步进1mA；（2）设计、制作测量并显示输出电流的装置(可同时或交替显示电流的给定值和实测值)，测量误差的绝对值≤测量值的0.1％+3个字；（3）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0.1％+1mA；（4）纹波电流≤0.2mA；（5）其他。键盘控制器电流源负载显示器电源第4页共20页41.2总体设计方案1.2.1方案论证与比较（1）恒定电流源模块方案方案一：采用开关电源的开关恒流源。其组成方框图如图1.2所示。图中C1、C2为滤波电容；K是开关器件；D是续流二极管；L是扼流圈；PWM是脉宽调制电路；KF是电流反馈电路；R0是电流取样电阻。在原理图电路上，通过精选元器件和采用合理的结构设计，可以使电路的分布参数得到有效控制。采用开关电源的开关恒流源主要特点是：振荡反馈电容小，阻抗大，反馈电流小。KKpPWM++C1LRoIoC2DUIN图1.2采用开关电源的开关恒流源组成框图方案二：采用集成稳压器构成的开关恒流源。图1.3所示是是三端集成稳压器构成的开关恒流源。当设定电阻R一定时，电路给负载Ro提供一恒定电流当RL发生变化时，由IC的输入——输出压差进行自动补偿而使负载电流保持不变。ICC1C2RRoIoUINUo图1.3采用集成稳压器构成的开关恒流源原理框图第5页共20页5方案三：采用集成运放的线性恒流源。该恒流源输出的电流与负载无关,通过使用两块构成比较放大环节，功率管构成调整环节，利用晶体管平坦的输出特性和深度的负反馈电路可以得到稳定的恒流输出和高输出阻抗，实现了电压——电流转换。其原理框图如图1.4所示。32184U1A567U1BQ1NPN1R3RES2Q2PNP1Q3PNP1R2RES2R5RES2RLRRf1+12VABCVin图1.4采用集成运放的线性恒流源原理框图综上所述，采用方案三，使用低噪音、高速宽带运放LF356和中功率管TIP42C等构成一个恒流源电路。（2）控制器模块方案方案一：采用FPGA作为系统的控制模块。FPGA可以实现复杂的逻辑功能，规模大，稳定性强，易于调试和进行功能扩展。FPGA采用并行输入输出方式，处理速度高，适合作为大规模实时系统的核心。但由于FPGA集成度高，成本偏高，且由于其引脚较多，加大了硬件设计和实物制作的难度。方案二：采用AT89S52作为控制模块核心。单片机最小系统简单，容易制作PCB，算术功能强，软件编程灵活、可以通过ISP方式将程序快速下载到芯片，方便的实现程序的更新，自由度大，较好的发挥C语言的灵活性，可用编程实现各种算法和逻辑控制，同时其具有功耗低、体积小、技术成熟和成本低等优点。基于以上分析，选择方案二,利用89S52单片机将电流步进值或设定值通过换算由D/A转换，驱动恒流源电路实现电流输出。输出电流经处理电路作A/D转换反馈到单片机系统，通过补偿算法调整电流的输出,以此提高输出的精度和稳定性。在器件的，D/A转换器选用12位优质D/A转换芯片TLV5618，直接输出电压值，且其输出电压能达到参考电压的两倍，A/D转换器选用高精度16位模数转换芯片AD7705。（3）显示器模块方案方案一：使用LED数码管显示。数码管采用BCD编码显示数字，对外界环境要求低，易于维护。但根据题目要求，如果需要同时显示给定值和测量值，需显示的内容较多，要使用多个数码管动态显示，使电路变得复杂，加大了编程工作量。方案二：使用LCD显示。LCD具有轻薄短小，可视面积大，方便的显示汉字数字，分辨率高，抗干扰能力强，功耗小，且设计简单等特点。综上所述，选择方案二。采用19264D汉字图形点阵液晶显示模块同时显示电流给定值和实测值。第6页共20页6（4）键盘模块方案方案一：采用独立式按键电路