数控电流源的设计综述

1、课程设计测控电路课程设计课程设计名称：数控电流源设计专业班级：学生姓名：学号：指导教师 ：刘建娟同组人姓名 ：课程设计时间： 2013.12.25 2014.01.03课程设计测控电路课程设计任务书学生姓名专业班级学号题目数控电流源的设计课题性质工程设计课题来源参考书指导教师刘建娟主要内容（参数）参考期刊、文献等资料设计数控电流源电路，包括以下内容：（1）D/A转换电路；（2） U/I显示电路；（3）运算放大器放大电路；（4）显示电路；根据以上内容要求来设计电路图并具体分析电路图的特性。任务要求（进度）第1-2天：确定课程设计题目，查阅相关技术资料；第3-6天：确定设计内容及方案，并按照确定的

2、方案设计单元电路， 对各单元电路进行功能分析；第7-8天：进一步修正方案并画出电路图；第9-10天：撰写课程设计报告，将各部分内容完整地呈现在报告中， 并对本次课程设计进行总结。主要参考资料1 张国雄测控电路北京：机械工业出版社.，2011.2 邓北川.浅谈模拟PID电路的学习与辨识.西安：西安航空技术高等专科 学校学报，2007.3 胡寿松.自动控制原理.北京：科学出版社，2002.4 康华光.电子技术基础.北京：高等教育出版社，1988.审查意见系（教研室）主任签字：年月日课程设计引言数控电源是从80年代才真正的发展起来的，期间系统的电力电子理论开始建立。这些理论为其后来的发展提供了一个良

3、好的基础。在以后的一段时间里，数控电源技术有了长足的发展。但其产品存在数控程度达不到要求、分辨率不高、 功率密度比较低、可靠性较差的缺点。因此数控电源主要的发展方向，是针对上 述缺点不断加以改善。单片机技术及电压转换模块的出现为精确数控电源的发展 提供了有利的条件。新的变换技术和控制理论的不断发展， 各种类型专用集成电 路、数字信号处理器件的研制应用，到 90年代，已出现了数控精度达到 0.05V 的数控电源，功率密度达到每立方英寸 50W的数控电源。从90年代末起，随着 对系统更高效率和更低功耗的需求，电信与数据通讯设备的技术更新推动电源行 业中直流/直流电源转换器向更高灵活性和智能化方向发

4、展。 在80年代的第一代 分布式供电系统开始转向到20世纪末更为先进的第四代分布式供电结构以及中 间母线结构，直流/直流电源行业正面临着新的挑战，即如何在现有系统加入嵌 入式电源智能系统和数字控制。早在90年代中，半导体生产商们就开发出了数控电源管理技术，而在当时， 这种方案的性价比与当时广泛使用的模拟控制方案相比处于劣势，因而无法被广泛采用。由于板载电源管理的更广泛应用和行业能源节约和运行最优化的关注，电源 行业和半导体生产商们便开始共同开发这种名为“数控电源”的新产 品。现今随着直流电源技术的飞跃发展，整流系统由以前的分立元件和集成电 路控制发展为微机控制，从而使直流电源智能化，具有遥测、

5、遥信、遥控的三 遥功能，基本实现了直流电源的无人值守。从组成上，数控电源可分成器件、主电路与控制等三部分。目前在电力电子 器件方面，几乎都为旋纽开关调节电压，调节精度不高，而且经常跳变，使用麻 烦。数字化智能电源模块是针对传统智能电源模块的不足提出的，数字化能够减少生产过程中的不确定因素和人为参与的环节数， 有效地解决电源模块中诸如可靠性、智能化和产品一致性等工程问题，极大地提高生产效率和产品的可维护性。数控直流电流源作为稳定电源的分支，在工程技术和测量领域中有着重要的 实用价值，其涉及的应用由稳定电磁场、校正电流表等扩展至激光、超导、现代 通信和传感技术等领域。基于模拟电路的电流源虽然可以实

6、现高精度、 宽电流范 围输出，但其结构复杂，调整困难，指示不直观。随着单片机技术的发展，数 字控制电流源开始出现，其以控制灵活、调节方便等特点展示了良好的应用前 景。 一般的恒流电流源往往是电流值固定， 或是有限数值档的电流值输出，不 便于通用。数字控制的电流源则通过单片机作为核心控制器， 通过键盘设置所需 的电流值，电流值取值范围大，使用方便灵活。1课程设计3数控电流源课程设计二设计总任务:设计一个8档数字控制电流源，要求在控制按键的作用下，电流源输出电流依次为 0、10mA 20mA 30mA 40mA 50mA 60mA 70mA 同时用 LED数码管显示这8个电流档位。二：设计总目的:

7、通过本次设计，熟悉运算放大器，计数器，D/A转换器，译码/显示电路的应 用，并熟悉负反馈的应用。三：设计内容：第一部分控制电路与D/A转换电路的设计：控制电路和D/A转换电路主要有芯片74LS161和DAC083两个芯片构成，74LS161 的 Q2Q,Q0 依次循环输出 000, 001,010,011,100,101,110,111 。采用 8 位D/A转换器DAC0832完成D/A转换。当74LS161的QzQQ。在000-111之间变112化时，D/A转换器的理论输出电压 U1在0L -5V二-2.1875V之间变化。256第二部分U/I转换部分课程设计课程设计U图一电压放大器9第三部

8、分设计任务：为数控电流源设计档位显示电路。设计目的：通过本实验，熟悉数字译码器的使用，熟悉 CC4511七段锁存译码驱动器的 使用。设计原因：总的实验目的是要设计一个电流大小可以用数字方式控制的电流源，并可以在控制按键的作用下，电流源输出电流依次为 0、10mA 20mA 30mA 40mA 50mA 60mA 70mA同时用LED数码管显示这8个电流档位，因此要设计一个档位电视 电路。设计电路：显示电路部分:R2-图三档位显示电路显示电路可采用图三所示电路，其中 Q2 Q1 Q0为计数器输出信号分别接 图中C、B、A处，即芯片CC4511的 2引脚，1引脚和7引脚。工作原理：数字显示译码器课

9、程设计a.七段发光二极管（LED数码管LED数码管是目前最常用的数字显示器，图（a）（ b）为共阴管和共 阳管的电路，（c）为两种不同出线形式的引出脚功能图。一个LED数码管可用来显示一位0-9十进制和一个小数点。小型数码 管（0.5寸和0.36寸）每段发光二极管的正向压降，随显示光（通常为 红、绿、黄、橙色）的颜色不同略有差别，通常约为 2-2.5V，每个发光 二极管的点亮电流在5-10mALED数码管要显示BCD码所表示的十进制数字就需要一个专门的译码器该译码器不但要完成译码功能，还要有相当的驱动能力共阴连按（T电平农动）-A s-o-7- o（忖共RIARr -0 ih T M课程设计1

10、3afgbech4dg f a b 丨 I I I I3fgbecitd（c）符号及引脚功能图三 LED数码管b. BCD码七段译码驱动器此类译码器型号有 74LS47（共阳），74LS48 （共阴），CC4511（共阴）等,本电路采用CC4511码锁存七段译码驱动器。驱动共阴极 LED数码管。CC4511是 BCD-7段锁存译码驱动器，在同一单片结构上由COS/MO逻辑器件和n-p-n双极性晶体管构成。这些器件的组合，使 CC4511具有低静态耗散和 高抗干扰及源电流高达25mA的性能。由此可直接驱动LED及其他器件。汗、厉输出端分别检测显示、亮度调节、存储或选通一 BCD码等功能。当使 用

11、外部多路转换电路时，可多路转换和显示几种不同的信号图四为CC4511引脚排列:csi)B CUT BILED图四CC4511引脚排列其中A.B.C.D为BCD码输入端a.b.c.d.e.f.g为译码输入端，输出“1”有效，用来驱动共阴极LED数码为测试输入端。=“ 0”时，译码输出全为“ 1”。为消隐输入端。=“0”时，译码输出全为“ 0”。LE为锁定端。LE= “ 1”时，译码器处于锁定（保持）状态，译码输出保持 在=0时的数值，=0为正常译码。表一为CC4511功能表，内接有上拉电阻，故只需在输出端与数码管笔段串入限流电阻即可工作。译码器还有拒伪码功能，当输入码超过1001时，输出全为“

12、0”，数码管熄灭。表一：瀚入输111工BIirDcBAabt-1e显示字型*d*p11I11I800I*0D00000涓隐UFTi00uu111rrrr00Urri0uQI011uuQ0 JiiI0 J01011011Io10iI001I11I00I30rri01）0011011401 t0101(J J1 JI01I50rr011u001111160it01I1I1QuQ070iiIuou011I1Jg(J11p001I1i0011g(J1Ii0I0u00(J000UI1i0111QIo(10(Ju(i11i1u0(1a00(1Du1111u11u00ua0u11i110 J0u0000Qu

13、i1110u0(100a1i*锁存实验室只要接通+5V电源和将十进制数的BCD码接至译码器的相应输入端A.B.C.D即可以数字0-9的形式显示出相应要调节的档位。二.工作特性：静态特,性:参数测试条件规范值loH(mA)V0(V)V1(V)VDD(V)-55C-40C25C85C125C单位VOL-5/05.00.05输出10/010.0低电15/015.0平电V压（最大）VOH-5/05.04.04.14.2输出10/010.09.09.19.2高电15/015.014.014.114.2平电V压（最小）VIL-0.5/3.8-5.01.5输入1.0/8.810.03.0低电1.5/13.8

14、15.04.0平电V压（最大）VIH-0.5/3.8-5.03.5输入1.0/8.810.07.0高电1.5/13.815.011.0平电V压（最小）VOH0-5.04.04.14.2输出5-高电103.83.93.9平驱15-3.55-3.5动电203.43.4-压25I 3.1-（最0-10.09.09.19.2小）5-108.859.09.0V15-208.78.68.4258.68.3-动态工作条件:参数规范值单位VDD=5VVDD=10VVDD=15V最小最大最小最大最小最大tW宽度LE脉冲400160100nstH间保持时0-0-0nstsu建立时间150-70-40-ns动态特性

15、（TA=25C）:参数测试条件VDD(V)规范值单位最小最大tPLHA tCL=500pF5.0-1040ns传输YRL=200K10.0420延迟tr=20ns15.0300时间tf=20nstPHLA t5.0-800传输Y10.0350#河审，耒st厚课程设计延迟 时间15.0300tPLH传输 延迟 时间57t Y5.010.015.0700350250tPHL传输 延迟 时间Bit y5.010.015.0300150100tPLH传输 延迟 时间TtT Y5.010.015.0500250170tPHL传输 延迟 时间TtT YtTHL传输转换时间5.010.015.0310185

16、160tTLH传输转换时间5.010.015.01007565tWLE脉冲宽 度5.010.015.0400160100tSU建立时间5.010.015.01507040tH保持时间5.010.015.0000C1输入电容 （任一输入 端）7.5pF三逻辑图:it*Eh01图五逻辑图4tHIF第四部分总体方案设计：本设计要求一个电流大小可以用数字方式控制的电流源。一般情况下，对电流直接控制会比较困难，而对电压的控制则要求简单得多，而且容易实17课程设计现，因此工程上常设计一个电压/电流转换电路，即U/I转换电路，U/I转换 电路的输出信号为电流I，输入信号为控制信号电压 U, U I之间的关系

17、为I=KU式子中的K为一个不为0的系数。而后通过对电压的控制实现对电流的控制，其中K由U/I转换电路的结构和元件参数确定。控制电压 U可以通过数字控制方式得到，本设计中的电 压U由计数器和按键构成的控制电路控制 D/A转换器产生。本设计中要求产 生的电流共有8档，由此可以由8进制计数器控制D/A转换器产生8种不同 数值的控制电压。本次方案的原理框图如下图所示:19图六 数控电流源原理框图本次方案的电路原理图如下图所示kLlb*UH74LS161 -DAC0332 -5US2L丄n卿DNDC on UT2 I呃I图七总体电路原理图设计总结：这次课程设计历时两周，从最开始的选题，查阅与题目相关的技

18、术资料，到 后来的分析电路，每一步都有很大的收获，通过做这次课程设计，将电路中一些 知识系统地综合起来，将理论知识与实际的项目相结合，可以更好地理解测控电 路。通过对数控电流源电路的分析，得出了数控电流源电路的优点，即：（1）原理简单，使用方便（2）适应性强等。作为在工业控制中最常用的控制方式， 数控电流源电路具有强大的生命力， 已经可以满足工业控制的需要。 但是，对于 一些特殊的行业，例如军事工业、航天工业等，则需要一些复杂的数控电流源电 路才能满足控制的需要。课程设计设计心得：这次单片机课程设计我们历时两个星期，在我们班里算是倒数几组完成的吧，但经过这两个星期的实践和体验下来，我们又怎么会

19、去在乎那个先后问题呢， 因为对我来说学到的不仅是那些知识， 更多的是团队和合作。现在想来，也许学 校安排的课程设计有着它更深层的意义吧，它不仅仅让我们综合那些理论知识来 运用到设计和创新，还让我们知道了一个团队凝聚在一起时所能发挥出的巨大潜 能。在这次课程设计中，我们运用到了以前所学的专业课知识，如：preteus制图、模拟和数字电路知识等。虽然过去从未独立应用过它们， 但在学习的过程 中带着问题去学我发现效率很高，这是我做这次课程设计的又一收获。短短两周的课程设计已经结束了，通过这次的课程设计锻炼了我们的实践能 力，也是对我们以后的实际工作能力的具体训练和考察过程。现在是一个高科技 的时代，

20、单片机已经成为当今计算机应用中空前活跃的领域，在生活中可以说是无处不在的。因此对于我们这一专业的同学来说， 学好单片机，并正确应用单片 机是非常重要的。在整个设计中我懂得了许多东西，也培养了我独立工作的能力，树立了对自 己工作能力的信心，相信会对今后的学习工作生活有非常重要的影响。 而且大大 提高了动手的能力，使我充分体会到了在创造过程中探索的艰难和成功时的喜 悦。虽然这个设计做的也不太好，但是在设计过程中所学到的东西是这次课程设 计的最大收获和财富。21参考文献1 张国雄测控电路北京：机械工业出版社，2011.2 邓北川.浅谈模拟PID电路的学习与辨识.西安：西安航空技术高等专科学校学报，2

21、007.3 胡寿松.自动控制原理.北京：科学出版社，2002.4 康华光.电子技术基础.北京：高等教育出版社，1988.数码管显示原理:数码管按段数分为七段数码管和八段数码管，八段数码管比七段数码管多一个发光二极管单元（多一个小数点显示）；按能显示多少个“ 8”可分为1位、2位、4位等等数码管；按发光二极管单元连接方式分为共阳极数 码管和共阴极数码管。共阳数码管是指将所有发光二极管的阳极接到一起 形成公共阳极（COM）的数码管。共阳数码管在应用时应将公共极COM接到+5V，当某一字段发光二极管的阴极为低电平时，相应字段就点亮。当某一 字段的阴极为高电平时，相应字段就不亮。共阴数码管是指将所有发

22、光二极管的阴极接到一起形成公共阴极（CO M）的数码管。共阴数码管在应用时应将公共极COM接到地线GND，当某一字段发光二极管的阳极为高电平时， 相应字段就点亮。当某一字段的阳极为低电平时，相应字段就不亮。数码 管要正常显示，就要用驱动电路来驱动数码管的各个段码，从而显示出我 们要的数字，因此根据数码管的驱动方式的不同，可以分为静态式和动态 式两类。 静态显示驱动：静态驱动也称直流驱动。静态驱动是指每个数码管的每一个段码都由一个单片机的I/O端口进行驱动，或者使用如BCD码二-十进制译码器译码进行驱动。静态驱动的优点是编程简单，显示亮度高， 缺点是占用I/O端口多，如驱动5个数码管静态显示则需

23、要5X 8= 40根I/O端口来驱动，要知道一个 89S51单片机可用的I/O端口才32个），实际应 用时必须增加译码驱动器进行驱动，增加了硬件电路的复杂性。 动态显示驱动：数码管动态显示接口是单片机中应用最为广泛的一种显示方式之一，动态驱动是将所有数码管的8个显示笔划a,b,c,d,e,f,g,dp的同名端连在一起，另外为每个数码管的公共极COM增加位选通控制电路，位选通由各自独立的I/O线控制，当单片机输出字形码时，所有数码管都接收到相同的字形码，但究竟是那个数码管会显示 出字形，取决于单片机对位选通COM端电路的控制，所以我们只要将需要显示的数码管的选通控制打开，该位就显示出字形，没有选

24、通的数码管就 不会亮。通过分时轮流控制各个数码管的的COM端，就使各个数码管轮流受控显示，这就是动态驱动。在轮流显示过程中，每位数码管的点亮时间课程设计为12ms,由于人的视觉暂留现象及发光二极管的余辉效应，尽管实际上 各位数码管并非同时点亮，但只要扫描的速度足够快，给人的印象就是一 组稳定的显示数据，不会有闪烁感，动态显示的效果和静态显示是一样的， 能够节省大量的I/O端口，而且功耗更低。23课程设计27Pl,0 1 ?U231!6 ?19TIP1.0XTAL1XTAL2vccGNDRST(KXD)P3.C(TXD ?3.1P3.(RD；ALE PROGP3 & (WR?SEN3935r36

25、I?3433322j ?2.0 rr nTi i ?2.2?2.3?24TT?25r-P2.6 ?27羽2CTcIT302.1主要思路：如图2.1图2.1 主流程图应用光敏三极管组成的传感器进行实时采样， 并将采样的信号送入差分电路， 经过信号放大送入减法运算放大电路， 经过信号调整，送入ADC专换器中，将模 拟信号转换为数字信号，送入单片机，对数据进行处理，从而使实时采样的值在 数码管显示电路中即时显示出来。图2.1.2由光敏三极管组成的传感器电路当具有光敏特性的PN结受到光辐射时，形成光电流，由此产生的光生电流由基极进入发射极，从而在集电极回路中得到一个放大了相当于B倍的信号电流。不同材料制成的光敏三极管具有不同的光谱特性，与光敏二极管相比，具有很大的光电流放大作用，即很高的灵敏度。光敏三极管与普通半导体三极管一样，是采用半导体制作工艺制成的具有NPN或PNP结构