数控正弦电流源-大学生电子设计竞赛

1、 数控正弦电流源摘要：本系统以压控正弦电流源为核心，输入交流200240V，50Hz，输出正弦电流，负载电压<15V。原理框图如下：键盘控制器电流源负载显示器电 源 以AT89S52为主控制器，通过键盘来设置电源的输出电流值和峰谷值，及频率，具有“+”、“-”步进调整功能，电流步进等级为2mA，输出电流范围02000mA；频率范围为10到100HZ，可任意设定，默认值为40HZ；电流峰谷值可任意设定，但设定范围不超过电流平均值，峰谷默认值为63mA。本系统输出电流在1000mA以内时相对误差不超过0.2%，输出电流在2000mA以内时误差不超过0.5%。另外，本系统可以通过液晶显示电流值

2、，峰谷值，频率。通过单片机程控输出数字信号，经过D/A转换器（TLC5615）输出模拟量，然后经过电平转换，运放放大器，压控正弦电流源，输出所需电流。压控电流部分由精密运放OP07，大功率场效应管（MOSFET）IRFP460及大功率精密电阻组成，它具有结构简单，精度较高的特点。本题使用两套供电系统。为满足本题中最大电流为2000mA的要求，我们制作了开关电源，它具有功率大，体积小，效率高的特点。考虑到系统的稳定性及精度要求我们又制作了线性电源，为最小系统及压控部分单独供电。本设计全面达到并超过了基本要求，发挥部分能满足大部分要求，扩展部分增加了掉电后记忆上次设定值的功能。关键词 MCU、D/

3、A转换器、EEPROM、MOSFET、压控电流源一、引言随着电子技术的发展，电子系统的应用领域越来越广泛，电子设备的种类也越来越多，对电源的要求更加灵活多样。电子设备的小型化和低成本化使电源以轻、薄、小和高效率为发展方向。传统的晶体管串联调整稳压电源，是连续控制的线性稳压电源，这种传统稳压电源技术比较成熟。并且已有大量集成化的线性稳压电源模块，具有稳定性能好、输出纹波电压小、使用可靠等特点。但其通常都需要体积大且笨重的工频变压器和隔离之用，滤波器的体积和重量也很大。而调整管工作在线性放大状态，为了保证输出电压稳定，其集电极与发射极之间必须承受较大的电压差，导致调整管功耗较大，电源效率很低，一般

4、只有45%左右，另外，由于调整管上消耗较大的功率，所以需要采用大功率调整管并装有体积很大的散热器，于是它很难满足电子设备发展的要求，从而促成了高效率、体积小、重量轻的开关电源的迅速发展。本设计就是利用单片机对正弦电流源的输出电流进行控制，进而实现对系统输出电流值进行智能控制，满足输出电流范围为02000mA，步进为10mA的要求，加入了负载电压测量电路能同时显示电流的给定值，测量误差满足要求，且具有较高的性能，在输出电压变化时输出电流的稳定度能较好的满足要求。 二、总体方案论证与选择 2.1根据题目要求制定的设计目标根据设计要求和使用的需要，设计的数控正弦电流源具有以下功能：（1）电源输出电流

5、范围02000mA，可预置，步进2mA，可以设置电流的峰谷值及频率，具有测量负载电压的装置，可显示电流的给定值，峰谷值，频率，测量误差满足要求。（2）用户对数控电源的控制，通过4×4键盘进行控制，通过键盘可实现一下功能：·选择“步进”时，可通过“+”、“-”以2mA为步长逐步控制输出电流的增减。·选择“预置”后，LCD显示的输入电流值消失，通过按键09从高位到低位逐个输入待输出电流的值，再按下“确定”后确定输入的输出电流值并通过D/A改变输出电流；如按下“步进”返换回之前的电流值进入步进状态。（3）整机由自制稳压电源供电，输入交流220V，输出直流±15

6、V，+5V的线性电源和专门给负载供电的+15V开关电源。（4）具有负载电压测量装置并通过LCD1602显示。（5）由于是简易电源，在设计时充分注意成本因素，使电源具有较高的性能价格比。 （6）因为本设计任务为制作电源，为其他设备供电，所以安全性很重要。考虑到若在设定时不对输出值进行任何操作则电源输出值不确定，有可能会损坏负载，故本设计采取了在每次设定时先由控制器对输出值清零的方法。2.2各种实现方案比较论述2.2.1 调整管方案基本框图如图2.2.1所示，此方案主要特点在于使用一套双计数器完成系统的控制功能，其中二进制计数器的输出经过D/A变换后去控制误差放大的基准电压，以控制输出步进。十进制

7、计数器通过译码后驱动数码管显示输出电压值，为了使系统正常工作，必须保证双计数器同步工作。采用中小规模器件实现系统的数控部分，使用的芯片很多，造成控制电路内部借口信号烦琐，中间相互关联多，抗干扰能力差，双计数器一旦出现计数不同步，会导致显示电压与输出电压不一致；输出部分采用线性调压电路，以改变其基准电压的方法使输出步进增加/减小。图2.2.1 调整管方案基本框图2.2.2 MCU作为主控制器的方案 本方案以MCU作为主控制器，通过压控电流源电路把电压信号转化为电流信号，用键盘来控制，通过显示部分把MCU处理的结果反馈给用户。2.2.2.1MCU的选择在众多MCU芯片系列中，我们主要有以下选择：（

8、1）MSP430系列 MSP430系列单片机是由TI公司开发的16位单片机。其突出特点是超低功耗，非常适合于各种功率要求低的场合。它的另一个特点是a/d，包含了具有8个外部通道的12位高性能A/D转换器。利用芯片内置的自动扫描功能，A/D转换器可以不需要中央处理器的协助而独立工作。另外它还包括看门狗、脉宽调制定时器(PWM)、比较器、USART口以及输入/输出引脚等部件。由上可知MSP430系列单片机具有很多外加功能，但是它的这些外加功能在本题中几乎不需要，而且作为电源，它主要的省电方法应该在如何提高转换效率上而不是芯片的功耗上，因为芯片的耗电量远小于系统因发热带来的损耗。它还有一个弱点：价格

9、较高。（2）Avr系列Avr系列单片机是ATMEL公司生产的8位单片机。它废除了机器周期，抛弃复杂指令计算机(CISC)追求指令完备的做法；采用精简指令集，以字作为指令长度单位，将内容丰富的操作数与操作码安排在一字之中(指令集中占大多数的单周期指令都是如此)，取指周期短，又可预取指令，实现流水作业，故可高速执行指令。当然这种速度上的升跃，是以高可靠性为其后盾的。 它的flash+内置eeprom是很好的卖点。而且它还内置10位A/D、看门狗、脉宽调制定时器(PWM)、比较器、USART口等部件，功能强大。但是这些功能在本设计中几乎无用武之地，另外，Avr单片机价格较高。（3）MCS-51系列M

10、CS-51系列单片机是在一块芯片中集成了CPU、RAM、ROM、定时器/计数器和多功能I/O等基本功能部件，它是单片机的基本型号，其他系列单片机多是在51系列的基础上添加一些其他功能或是某些功能更加完善。它应用广泛，价格低廉，具有单片机的基本功能，对于完成本题指标已经完全够用。AT89S51有128字节的RAM，4K的ROM；AT89S52有256字节的RAM，8K的ROM。本设计因需要单片机完成众多任务，程序较大，需要更多的ROM，而且为了提高速度，需要更大的RAM。综合上述，考虑本题对单片机性能的要求及价格因素，我们最终选择了MCS-51系列的AT89S52单片机。2.2.2.2压控电流源

11、部分的选择压控电流源是系统的重要组成部分,它的功能是用电压来控制电流的变化,由于系统对输出电流大小和精度的要求比较高,所以选好压控电流源电路显得特别重要。对于压控电源模块我们有两个设计电路，这部分方案设计如下（都是以AT89S52为主控制器的）：（一）、以三个精密运放OP07通过一个巧妙的设计来实现压控电流，该部分的具体电路如图2.2.2.1所示。 设计的正弦电流源主要是由反相加法器、电压跟随器、反相器构成，通过一个极其巧妙的设计来达到压控电流的目的。(A点与B点之间的压降与DA点的电压的绝对值相等，电压跟随器输入正端电流为0，因而负载RL上的电流与AB点之间采样电阻Rm的电流相等。只要改变D

12、A的电压，就能控制负载电流的改变和步进)反相加法器处：(3-2-1)电压跟随器： (3-2-2)反相器： (3-2-3)将式(3-2-1)、(3-2-2)和(3-2-3)的左右进行相加就可以得到(3-2-4)化简后得到 (3-2-5)所以 (3-2-6) (由于VDA为负的，所以得到的IRL肯定为正的。)但是该电路对电阻的匹配性要求较高，运放两端的电阻不完全相等时，就不能很好的实现电压的反向、放大，最终使的恒流源误差很大，精度下降。且该电路还要求有很好的保护电路，这样该电路有会变的烦琐，给电路调试带来很大的困难，最终都会影响正弦电流源的精度。（二） 由运算放大器、大功率场效应管IRF460、采

13、样电阻、负载电阻RL等组成。该电路连接简单，压控电流部分主要只要一块OP07、IRF460的大功率的场效应管和精密采样电阻即可实现，且稳定性比较好，精度高，没有对电阻匹配的依赖性，也不许要保护电路，能够满足题目要求。调试比较容易，受环境影响小。鉴于上面考虑和我们的条件,我们采用AT89S52作为主控制器，恒流源部分采用第二个恒流源的电路来实现。三、详细软硬件设计压控电流源模块电平转换模块根据题目要求和论证结果,本系统的系统框图如图3.1数控正弦信号发生模块主控制器 （MCU） AT89S52键盘模块显示模块掉电记忆模块 电 源 模 块 系统工作原理为：当有键盘按键对电流值进行预置时,AT89S

14、52单片机把所预置的数值送到液晶显示器显示,同时作为电流源的给定值,并输出相应的数字信号,通过D/A转换,使数字信号变成正弦电压信号,此正弦电压信号经过压控电流元件场效应管IRF460来产生相应的电流值,场效应管的漏极电流即为恒流源的实际输出电流。场效应管的漏极电流等于源极电流。1、硬件设计本系统硬件电路主要包括：AT89S52单片机最小系统，电源电路、数控电压电路、压控电流源电路、键盘与显示电路、负载电压，阻值和功率测量电路、掉电记忆电路等。下面分别说明各个电路模块。 （一）电源的设计 根据系统要求，需要+5V，±15V三种规格的电源，其中： +5V给单片机最小系统，A/D，D/A

15、及EEPROM供电，要求电压稳定，纹波小，对功率要求不高，故宜采用线性电源。我们使用集成三端稳压芯片LM7805，它具有电压稳定，纹波小，电路简单，价格低廉等特点； 精密运放OP07需要±15V双电源供电，它对电源的要求同上，故我们采用LM7815及LM7915； 电流源负载需要最大电流2A，最大电压+10V，故需要+15V，2A电源供电。考虑到线性电源最大电流达不到2A，扩流又较繁，此题对电源纹波没有要求，故宜选用开关电源。我们选用LM2576，它具有功率大，体积小，效率高，外围电路简单，价格合理等特点。 本设计考虑到当负载电流较大时对电源电压的影响不容忽视，故负载与运放不能共用+

16、15V电源。 电源部分电路图如下所示 ： （二）正弦信号发生电路设计：正弦信号发生部分主要有以下方案：（1）用波形发生芯片8038产生8038可以产生多种信号，使用方法简单，通过调节电阻可以产生所需幅度和频率的正弦信号，但是对于本题使用，它的致命弱点是较精确的不能数控，予以排除。（2）用DDS技术产生DDS（直接数字合成技术）是一种先进的信号发生技术，以Nyquist时域采样定理为基础，在时域内进行频率合成，其相位、幅度都可以实现程控。它发生的信号可以达到很高的频率，而且控制精度高，波形稳定，失真度小，幅度可调。因为DDS具有以上特点，所以在要求高精度数控波形发生电路，特别是频率要求较高的电路

17、中应用广泛。而本题中对频率的要求不高，仅10100HZ，而且DDS芯片价格过高，没有必要使用。（3）用单片机控制D/A产生对与10100HZ的正弦波，用单片机控制D/A即可以满足精度及频率要求，充分利用硬件资源，又有便于控制，易于调试，成本低等特点，综合考虑以上方案的利弊，我们选择方案3。根据系统要求计算，D/A最少必须达到11位。但由于12位芯片价格过高，我们采用10位D/A（TLC5615），10位D/A的精度是1/1024,这样输出电流2A的时候步进值约为2mA。如果使用12位D/A芯片，本系统的步进完全可以达到1mA。 因本系统采样电阻取0.39欧（阻值过大则散热大，导致电阻温漂大，影

18、响精度），所以当输入控制信号电压值约为0.78V时电流就已经达到2A，为了有效利用D/A的有效量程（05V），我们在D/A输出端采用电阻分压，分压比约为5/0.78=6.4。但是，由于D/A输出口带负载能力较差，若分压电阻过小，则D/A输出电压会被明显拉低。经实验检测，当D/A输出口外加100K电阻时电压被拉低的值小于1mV，由此带来的误差完全可以忽略不计。但若分压电阻过大，分压电阻电流过小，则运放OP07同向端电流（典型值为3nA）就不能忽略不计。 所以综合以上考虑，我们选用100K与20K电阻分压，即能充分利用D/A的有效量程，又基本不会带来新的误差。 TLC5615基准源电压为2.500

19、V。在这里基准电压对本系统压控电流部分的系统误差有决定性的影响，故在使用时一定要调节准确。 数控电压部分电路图下。通过单片机控制1 2 3 号脚，7号脚输出电压值。（三）压控电流源电路设计压控电流源是系统的重要组成部分,它的功能是用电压来控制电流的变化,由于系统对输出电流大小和精度的要求比较高,所以选好压控恒流源电路显得特别重要。采用如下电路：电路原理图如下。该电流源电路由运算放大器、大功率场效应管Q1、采样电阻R2、负载电阻RL等组成。电路中调整管采用大功率场效应管IRFP460，其参数为：最大D极电流20A，最大功耗300W，最大耐压值500V等，各项指标均超过本题要求。采用场效应管,更易

20、于实现电压线性控制电流,既能满足输出电流最大达到2A的要求,也能很好地实现电压线性地控制电流。因为当场效应管工作于饱和区时，栅电流Ig等于100nA，完全可以忽略不计。所以漏电流Id等于电压Ugs控制的电流。即当Ud为常数时,满足：Id=f（Ugs）,只要Ugs不变,Id就不变。 在此电路中,R2为取样电阻,最好采用康铜丝绕制（阻值随温度的变化较小）,但康铜丝绕制体积过大，且康铜丝外表裸露，不易绝缘。经多次测试发现用大功率精密电阻代替康铜电阻，控制精度完全可以达到要求；若电阻阻值过大，则发热大，温升高，阻值变化大，不利于稳流控制；若电阻阻值过小，满量程时电压过小，外界干扰对电流影响变大，不利与

21、抗干扰。综合上述，我们采用大功率精密电阻，其阻值为0.39欧。 由于电流频率要求较低，为10100HZ；精度要求较高，故采用精密型运放OP-07作为电压跟随器,UI=Up=Un。场效应管Id=Is(栅极电流很小,可忽略不计) 所以Io=Is= Un/R2= UI/R2。正因为Io=UI/R2,电路输入电压UI控制电流o,即Io不随RL的变化而变化,从而实现电压控制电流，且电流频率等于控制信号的频率。 同时,由设计要求可知：由于输出电压变化的范围U=10V,Iomax=2A,可以得出负载电阻在I为2A时RLmax=5欧。（四）键盘显示电路设计 键盘采用4×4矩阵式键盘,需8根口线，共有

22、16个按键，有“09”十个数及“步进”，“+”“-”，“峰谷值/频率”，“负载电压”及“确定”等按键。 键盘部分电路图如下。 因为此题要求可显示电流的给定值，峰谷值，频率,负载电压实测值,负载阻值和负载功率等项内容，若用数码管显示则需要太多的位数，且数码管消耗电能过大，加重了电源的负担，因此我们采用液晶1602，它可以显示两行，每行可显示16个字符，电路简单，并且与数码管相比节约电能。 因1602支持8位和4位两种模式，为了节约I/O口我们采用4位模式，加上3根控制线共需7根口线。 显示部分电路图如下： （五）掉电记忆部分电路设计： 为了使电源在下一次开机时能记忆并保持上次设定值以省许多不必要

23、的设置操作，我们在原有的系统基础上增加了掉电记忆功能。此部分采用EEPROM，型号24C16。它具有容量大，体积小，可擦写1000000次以上，数据可保持100年以上不丢失，外围电路简单等优良特性。其电路图如下： 综上，我们系统的整体电路图如下：2、软件设计本系统软件流程框图如下 四、测试结果（一）当正弦电流的频率，峰谷值不变时改变电流预设值与负载值时的测试结果（电流单位：mA；频率=40.00HZ；Ip-p=63mA）（1）RL=2欧预设电流值 实际输出电流值 绝对误差 相对误差 %100100.20.20.2200199.70.30.15321321.30.30.09500500.80.8

24、0.16666664.91.10.17863862.70.30.031000999.20.80.0812341231.52.50.2014681463.44.60.3115791571.57.50.4717211715.95.10.3018961888.17.90.4220001990.89.20.46（2） RL=4欧预设电流值 实际输出电流值 绝对误差 相对误差 %100100.20.20.2200199.70.30.15321321.40.40.12500500.80.80.16666664.91.10.17863862.70.30.031000999.30.70.0712341231.

25、62.40.1914681464.04.00.2715791573.35.70.3617211717.73.30.1918961889.56.50.3420001992.08.00.40（3） RL=10欧预设电流值 实际输出电流值 绝对误差 相对误差 %100100.20.20.2200199.60.40.2321321.30.30.09500500.80.80.16666664.81.20.18863862.60.40.051000999.30.70.071234（RL=6）1231.62.40.191468（RL=6）1464.13.90.271579（RL=6）1573.35.70.36（二） 当正弦电流源的频率，预设值不变时改变电流峰谷值时电流值的测试结果（电流单位：mA；频率=40.00HZ；Id=888mA） 注：由于电流峰谷值没有合适且精确度高的测量仪器，我们采取用示波器观察负载电压波形的方法对负载进行观测，在示波器的测量精度内电流峰谷实测值与设定值符合情况良好。为了在一定程度上用数据表明我们产品的精确性及可靠性，我们测量了在正弦电流源的频率，预设平均值不变时改变电流峰谷值时电流平均值的变化情况，证明了本产品在峰谷值变化时电流值几乎不改变，从而说明本产品在峰谷值改变时波形并没有