数控直流电流源设计

数控直流电流源摘要本设计以单片机AT89C52作为数控直流电源的控制核心，控制由运算放大器和复合型大功率管构成的电流源。该系统由单片机小系统（包括键盘、LED显示、A/D采样、D/A控制）、直流电源模块和电流源模块组成。可以通过键盘设定和以步长10MA,1MA调整电流源的给定电流值，经运算处理后再由D/A输出去控制电流源模块的输入参考电压信号，达到数控恒流的目的。本设计的要点之一是以精密的电压信号源为基准，去控制大电流的恒流源，而这个可接给定值设置的精密电压源则来自单片机控制的D/A转换器本设计的要点之二是恒流源电路是一个线性电路，可以用比例调节的方法去处理。在本设计中单片机小系统板的设计则尽可能地采用了较先进的串行C总线器件。ABSTRACTINTHISDESIGN,THECONTROLLERKERNELOFTHEPOWERSOURCEISBASEDONAT89C52ASTHEDIGITALCONTROLDCCURRENTPOWERSOURCE,THECURRENTPOWERSOURCEISCOMPOSEDBYOPERATIONAMPLIFIERANDLARGEPOWERTRANSISTORTHISSYSTEMISMADEBYMCUSYSTEMINCLUDEDKEYBOARD,DISPLAYFORTHELED,COLLECTIONFORTHEA/D,CONTROLLERFORTHED/A,THEDCPOWERSOURCEMODULEANDACURRENTSOURCEMODULESETTINGCURRENTVALUEWHICHISSETBYTHEKEYBOARD,ADJUSTINGTHECURRENTPOWERSOURCETHOUGHTHEFOOTOF10MAAND1MA,THENBYTHEOPERATIONTREATMENT,COMPUTERCONTROLSTHEREFERENCEVOLTAGESIGNALWHICHISTHEINPUTOFTHECURRENTPOWERSOURCEMODULEITCANSEVEREDTHEPURPOSEFORDIGITALCONTROLINTHISDESIGN,ONEOFTHEPRINCIPALPOINTSISUSEDREFERENCEVOLTAGESIGNALCALIBRATORSTOCONTROLTHECONSTANTSOURCEOFTHEBIGCURRENT,ANDTHEVOLTAGEWASCONTROLLEDBUYTHEA/DCONVERTERWHICHCONTROLLEDBUYMCU,INTHISDESIGNTHESECONDPRINCIPALPOINTSISTHECONSTANTSOURCEWASALINEARCIRCUITRY,WECANADJUSTTHEPROPORTIONTOCONTROLITTHEDESIGNOFTHEMCUSYSTEMBOARDMOSTUSEDTHEMOREADVANCEDDEVICEFORTHESERIALCBUS一、方案论证1、数控模块题目要求数控模块可设置显示输出电流给定值，并实时显示出来，还有要具有“”、“”步进调整的功能，而且步进值分别可设置1MA、10MA。方案一采用数字集成电路的数控模块，显然，要用数字电路完成本题的功能是可以，但不是易事。方案二采用单片机小系统。由单片机，键盘，显示LED,A/D,D/A构成的单片机小系统，它具有强大的功能和实惠的性能/价格比，用C51的编程取代了繁杂的数字电路。数控模块的最主要任务是要按给定电流值产生一个精密电压源，因此构成本模块的D/A必须选择那些可以胜任此任务的D/A转换器。很显然，选择方案二，可以大大缩短设计、制作时间，而更重要的是，更容易实现精密电压源的功能。2、直流电源模块根据题目的要求，在改变负载电阻时，输出电压可在10V以内变化，这样直流电源模块输入电压必须大于10V，才能符合系统的规格，本设计选择15V。方案一、采用三端稳压电源电路，用较常见的7815和或LM317三端稳压器，但是这些三端稳压块的最大输出电流都达不到本设计的要求。方案二、在方案一的基础上，采用大功率管扩流的方法来达到所要的电源。图1图1中，T是扩流的大功率管。图1的扩流部分的电路如图2从图2可知，15V稳压电压源及固定电阻R构成了三极管T的基极偏置电路，让大电流从T流过。经实践，方案二的效果非常好，因此本系统采用方案二。图23电流源模块传统的电流源电路如图3图3图3中，VS是电压源输入电压，VO为负载电压。根据运算放大器的虚短原则，（运放的、端对地电压相等，即VV），则VFVS。又根据运算放大器的虚断原则（运放的、端输入电压II0），则流过RL和RF电阻上的电流都应是I0，I0便是设计要求的电流源电流。由于VFI0RF,并把VFVS代入，待I0VF/RFVS/RF。从上式可知，RF一定，I0与VS成正比，当VS恒定，I0便恒定；VS变化，I0也随VS线性变化，因此，图3所示的恒流源电路是一个线性电路，可以用比例调节的方法去处理。方案一、如上式I0VS/RF,为了达到IO可调的目的，可以保持VS不变，调节RF去达到电流源电流I0设定的目的。按照基本要求中10MA的步长分级，从200MA到2000MA共变化了1800MA，设VS5V恒定，则当I0200MA时，RF25；当I02000MA时，RF25，即对应每级10MA步长，RF的变化率为1/180。为了达到RF的从大到小的按每级变化1/180分级变化，完全可以通过数字电路中的多个多路模拟开关，如4051（8路）、4067（16路），构成电阻选择网络，达到按电流给定值选取多路模拟开关的目的。显然，构成电阻选择网络的工作量是很大的，而且调整的精度是很低的。方案二、仍如上述式子，I0VS/RF,可令RF不变，调节VS，当VS变化，IO便随VS成正比例地变化。而VS的变化可以通过数控模块的D/A输出电压变化去实现。显然，方案二实现的成本、实施的效果都会大大好于方案一。以下再讨论电流源的大电流部分的构成方案。图3所示的是一个用运放实现的基本的恒流源，这种恒流源的输出电流小。本题目要求最大输出电流达到2000MA为了实现大电流输出，必须增加复合管形式的后级，如图4。如果把图4的复合管看成是工作在完全饱和形式，则可以看成是短路，这样图4与图3便没有什么区别了。复合管的选择原则能够在最大电流图4（2000MA）之下仍然能安全通过（允许带散热片）。按本设计构成NPN的达林顿复合形式。管压降要尽可能小。不能降低电流源的线性度。按以上的原则，目的之一是达到设计指标2000MA的最大输出；目的之二是构成一个高性能、高线性度、低误差的电流源。本设计的电源部分选用了LF353作为电流源的运放电路和NPN型达林顿管由TIP41和BU508组成。LF353是一种带内部微调输入偏差电压技术（BIFETTMTECHMOLOGY）的运放；它输入阻抗高达1012；输入电流低达50PA,高速转换率，低功耗（电源电流仅36MA）。它常在音响和仪表等要求极高的领域待以应用。本设计也因此选用LF353。二、系统的设计与论证系统的总体框图如图5数控模快图5系统总体框图1、数控模块的设计与论证本系统以单片机AT89C52作为数控模块的控制核心，通过对键盘的控制，设置输出电流的给定值并显示。单片机把从键盘输入的电流给定值读入，经运算形成D/A转换器的输出电压模拟量提供给电流源。实际的电流源电流经1采样电阻转换成采样电压经A/D转换器被单片机读入并显示出来。A/D实际电流转换为采样电压后由A/D采样回送到单片机，并在LED显示。按实验室已有元件，本设计中所使用的是11通道12位A/D转换器AT89C52LED显示电源模块键盘D/A电流源模块A/DTLC2543。TLC2543支持串行的地址/数据输入输出，串行芯片可以大大节省单片机的I/O口资源，本设计仅用P11P12P13P14四个I/O口便可与TLC2543的CLK、ADDR、DATAOUT，CS连接。由于题目要求显示的电流是202000MA,显示电流的变化范围达1980级，必须采12位的A/D转换（分辨率是1/40），才能达到题目要求，不能采用8位或10位的A/D。A/D采样电路在初调时，发现A/D实际电流值回来显示的数字末位明显跳动，为此，设计中增加了较好的A/D输入滤波电路，电路如图6图6ICA是一个电压跟随器，目的也是增加输入阻抗，使R51这个小的采样电阻和电流源比例电阻不会因为接入了A/D采样之后而影响了电流源的精度。ICB与R2、C1组成积分电路，起到对采样电压平滑滤波的作用。D/A如上所述，本数控电流源线性度的精度取决于是电流源的输入电压信号VS的线性度的精度，而VS又来自D/A转换器，因此，选择D/A便是重中之重。试选择8位D/A。由于它只有256级，若200MA2000MA按10MA步长分级，可分为180级，选择8位D/A可满足它的要求；但若20MA2000MA按1MA步长分级，可分为1980级，这样8位D/A不能满足它的要求。为此，又改选择12位D/A。12位D/A有4096级，远大于1980级，因此可以胜任。为了达到高线性度的高精度的要求，本设计选用了12位D/A转换器MAX531。MAX531是串行器件，高线性度。更值得选用的理由是它的内部有精密的参考电压源2048V；显然，使用内部参考电压源比使用外部参考电压源更能满足高精度的要求。MAX531有1倍、2倍的输出接法，采用2倍输出，满量程输出电压为4096V，与12位的4096完全对应。在实测时，发现MAX531的输出电压与设定的数字间的误差小于1个字，非常满意。实测结果也表明选择这个器件是对的。MAX531仅需三个串行端口，用P03、P04、P05分别与MAX531的DATA、CLK、CS连接。LED显示单片机系统板设计了三个三个四位LED显示，三个四位LED的八段显示数码管中的八段显示数据是采用74LS164传输显示数据给LED。74164是一个串入显示的移位寄存器，串行输入脚仅有DATA（A,B脚并陪联）、CLK，仅用两个I/O口便可取代需占用8个I/O口的八段显示数据线。由于本系统板采用三个四位一体的共阴数码管显示数据，每个四位LED数码管有4个COM口，如果把它们直接接到单片机的话，便要占去12个I/O口，这样太浪费I/O口资源了，因而我们采用两个74LS138来控制各个COM口的1与0电平，这样只占用4个I/O口，便可代替12个I/O口。仅此显示部分便节约出14个I/O口。这三个LED中，第一个是用来显示电流的实际值；也就是TLC2543的A/D转换值第三个LED是备用。在LED显示电路中，P20P21P22P23分别接到两块74LS138的C,B,A,G1四个端口其中274138的G1是经反相器与1的G1连接，两块74138的输出共可连接16路COM口，（本系统板仅用12路），通过对P20P23口不断的动态扫描，便动态地选通相应的COM口。综上所述，本系统板的设计尽可能采用了较先进的串行C总线器件。键盘本系统板设计了四个键，按行列矩阵的键盘方式接入单片机。键的一端接公用行线，通过上拉电阻与P37接在一起，而键的另一端则分别与P24、P25、P26、P27相接，采用动态循环扫描的形式去识别键的按下。为了达到题目要求，各个键的功能分别是1键短按可以任意设定电流给定值；长按进入10MA步进给定，此时第二行LED的小数点全点亮，作为进入10MA步进给定的识别。2键在1键短按下，实现该位加1的功能，作090的循环。在1键长按下可以实现步进加10MA（是在原来显示的基础上）在3键长按下可以实现步进加1MA（是在原来显示的基础上）3键在1键短按下，此键没有用。在1键长按下可以实现步进减10MA（是在原来显示的基础上）3键长按进入1MA步进给定，此时第二行LED的第1、3位小数点亮，作为1MA步进给定的识别。在3键长按下可以实现步进减1MA（是在原来显示的基础上）4键确定键精密电源TL431精密电源的电压输出是作为TLC2543A/D电路的参考电压，而D/A电路已内带参考电压源。2直流电源模块的设计与论证直流电源模块分为变压，整流，滤波，稳压器部分，如图7图7变压由于题目要求的最大输出电流为2000MA，输出电压10V，因此理论输出功率20W。考虑到变压器的功率和可能出现的人为超载，变压器的视在功率应选30VA才好，由于题目要求对纹波有较高要求，而纹波电流除了因电路而造成之外，还会与地磁场环境有关。（注在调试时曾试把教室的风扇等电源关闭，纹波电流确定可以降低一些）。为了减少电磁中幅射也为了改变效率，采用了环形变压器。整流整流采用了大功率的桥式整流桥堆，桥堆的四个端口都并联了滤波电容。滤波本电源采用了型滤波电路，在稳压电源的入口和出口分别采用了大电容的滤波。高质量的滤波使输出直流电压非常稳定，而且降低了纹波电流。为了减少高频和干扰，还加入了小值的电容滤除高频杂波。稳压扩流题目要求负载端10V，因此，设计时直流稳压电源的输出电压为15V。稳压电源采用三端稳压器7815,外加大功率管B817的扩流。这三端稳压器加大功率管扩流的电路是比较常见的大电流稳压电源选用电路。3、电流源模块的设计与论证电流源模块分为线性调节,电压跟随器,电流源部分。电流源模块的电路图如图8图8线性调节线性调节电路其实是一个很常见的分压器,如图9D/A输出电压是04096V,经分压器分压后范围为020V,这就是VSRF在图电路中便是R5,根据I0VS/RF,因此,I0便较准确地输出02000MA整个线性调节电路都是电阻网络,即线性网络,这也是确保电流源有高线性度的关键。图9电压跟随器如图8所示,W1电位器的输出端接至一个同相输入电压跟随器,为什么要加一级电压跟随器呢设计时的想法是电压跟随器可以提高输入阻抗,加入高输入阻抗的电压跟随器,相当于把电流源和D/A的转换器作了一个”隔离”,使大电流的电流源不至于影响D/A转换器的高精度。从调试时看,这一隔离确实起着极好的效果。电流源电流源的设计已在第一大点方案论证作了较多的阐述电流源电路也是很传统的电路。扩流复合管的加入也是常见的达林顿复合管形式。4整机的设计与论证高线性度,高精度的大电流源的实现,仅有上述的思路还不够。在业余搞高保真音响电路遇到的问题启发我们在设计这种高性能电路时要注意整机的布局和电路板的设计。整机的布局整机的布局要符合小信号和大电流、直流和交流的尽可能分隔,信号的流向要合理,绝对不要出现信号的犬牙交错。本设计整机的布局如图10交流220V电流输出图10设计中把电源模块与电流源模块放在一块大的电路板,这样做,使大电流不是以接插件及其连线的形式连接,而是在敷铜板内部的铜薄去实现大电流的供给及输出。电路板由于本校制作水平有限,只能制作单面板,在设计中,我们尽量做到元件布局合理,例如，单片机小系统板与电流源的联系一是D/A,二是A/D,因此都要求有关的元件,如R5即RF要较接近单片机板,而D/A输出电压要接近电阻分压电路。散热任何电子元件对温度都是敏感的,因此,整机设计时对散热作了专门的考虑如图11所有大功率管全部粘贴至大散热片上。散热片分两个电源扩流的B817贴在一个散热片上,电流源的TIP41和BU508贴在另一个散热片上。图11变压器单片机小系统板电源模块电流源模块利用计算机用的微型直流风扇,两个风扇附在散热片背部，直吹散热片。R3这个1电阻,既是电流源公式的RF,又是A/D转换中的采样电阻,这个电阻极其重要,因此,设计时,散热片的下部钻一群小孔,散热风扇的风也吹到这个电阻上,使其不会发热。考虑了散热,确实收到了良好的效果使整机在大电流2000MA的长期工作下稳定性很好,精度得以保持。三、软件设计本设计是用单片机系统板作为数控模块，让D/A转换器输出精密电压去控制电流源电流。软件功能应包括键盘输入功能、显示功能、运算功能、D/A功能、A/D功能。如图12图12初始化键盘输入功能给定值，实际值显示功能运算D/AA/D软件的流程图如图13START初始化键盘动态扫描从第二个LED读入电流给定值（BCD码）给定值（BCD）转换成十六进制D/A值D/A转换A/D转换A/D读入十六进制数值转换成显示（BCD）LED动态扫描显示显示电流实际值的电流给定值图13软件采用C51语言编写。四、理论分析与计算理想电流源的概念是若一个二端元件的输出电流恒定时，则称为理想电流源。其基本性质是A、输出电流恒定且与外电流无关；B、其两端电压由外电路确定。其伏安特性如图14图14本设计要求的恒流源，若按基本要求，则误差在1内；若按发挥要求，则误差在01内。本题目最重要的指导性的理论公式是I0VS/RF。要求电流源的精确度高，除了要求RF恒定不变外，更要求有高精密度的电压源控制输入信号VS，所以实现高精度电流源的关键便是高精度电压源的设计制作，从器件选型到C51编程，都提出了相应的高要求，实施更要格IUOIS外的谨慎。如上述“数控模块中的设计与论证”中的D/A一段所述，D/A转换器选用12位的D/A转换器MAX531，极好地扮演了高精度电压源的角色，再加上出来之后的电阻分压器和射极跟随器，都使这个精密电压源信号第一要素得以获得高质量的保证。五、电路图及有关设计文件1图15为最小系统板的原理图图152图16为电源电路图图16图16中15V电源是大电流稳压电源，15V电源及5V电源都仅由三端稳压器输出，其中15V用于运放的负电源，5V电源用于单片机。3图17为电流源电路32184IC3ALF353567IC3BLF353T2BU508R511515T1TIP4112J1RLR3POT2D/AR282KR182KR4100K15A/D32184LF353A567LF353B15RCCAPRRPOT2R图17六、测试方法与仪器1、测试仪器4位半数字万用表（用于测量电流值），数字万用表（用于测量电压值），低频毫伏表。2、测试方法根据设计的要求，把最小系统板，电流源和电源按相应的接口连接起来，并把测试用的数字万用表按图18所示连接。图18在检查接线无误后开启电源，调节负载电阻，使输出电压在10V内变化。1、用电压表测定负载RL两端电阻，调节RL使其两端电压为10V，然后，通过按键可以设置电流给定值在2002000MA范围内任意设置电流给定值，观察电流万用表的实际值，并与给定值对照。在2002000MA范围内设定某一电流给定值，然后，按“10”键或“10”键使电流每次增加10MA或减少10MA，观察电流万用表的实际值，并与给定值对照。在202000MA范围内设定某一电流给定值，然后，并按“1”键或“1”键使电流每次增加1MA或减少1MA，观察电流万用表的实际值，并与给定值对照。用低频毫伏表测量负载电阻两端纹波电压，再测量负载电阻的电阻值，然后按IV/R，求出纹波电流。2、调节RL，使其两端电压为0V（事实上是用短路线短路RL两端），重测、。七、测试数据及测试结果分析1、测试结果（如下表）设定电流值（MA）输出电流值（输出电压0V）输出电流值（输出电压10V）输出电流（测量显示值）纹波电流值（输出电压10V）设定电流值（MA）输出电流值（输出电压0V）输出电流值（输出电压10V）输出电流（测量显示值）纹波电流值（输出电压10V）202020230025805805795790063030303300260060059959900640403939002620620619619006505049490026406406396380066060595900266066065965800670706970002680680679678006808079790027007006996980069090899000272072071971800610010099990027407407397380061201201191190027607607597580061401401391390037807807797780061601601591590038008007997980071801801791790038208208198180072002001991990038408408398380072202202192190038608608598580072402402392390038808808798780072602602592590039009008998980072802802792790049209209199180073003002992990049409409399380073203203193190049609609599580073403403393390049809809799780073603603593590041000999998998008380380379379004110010991098109800840040039939900512001199119811980074204204194180051300129912981298007440440439438005140013991398139600846046045945800515001499149814960084804804794780051600159915981596011500500499498006170016991698169501152052051951800618001800179917950115405405395380061