數(shù)控直流恒流源的設計與制作報告

1、數(shù)控直流恒流源的設計與制作摘 要：本系統(tǒng)以直流電流源為，AT89S52 單片機為主控制器，通過鍵盤來設置直流電源的輸出電流，設置步進等級可達 1mA，并可由數(shù)碼管顯示電流設定值和實際輸出電流值。本系統(tǒng)由單片機（AD7543）輸出模擬量，再經(jīng)過運算放大器設定數(shù)字信號，經(jīng)過 D/A 轉(zhuǎn)換器放大，控制輸出功率管的基極，隨著功率管基極電壓的變化而輸出不同的電流。單片機系統(tǒng)還兼顧對恒流源進行實時，輸出電流經(jīng)過電流/電壓轉(zhuǎn)換后，通過 A/D 轉(zhuǎn)換，實時把模擬量轉(zhuǎn) 化為數(shù)據(jù)量，再經(jīng)單片機分析處理，通過數(shù)字量形式的反饋環(huán)節(jié)，使電流更加穩(wěn)定，這樣穩(wěn)定的壓控電流源。實際表明，本系統(tǒng)能有效應用于需要高穩(wěn) 定度的小功

2、率恒流源的領(lǐng)域。：壓控恒流源智能化電源 閉環(huán)控制The Digital Controlled Direct Current SourceAbstract: chiphis system theource is center and 89S52 versingleputer (SCM) is main controller, outpurrent ofDCercan be set by a keyboard which step level reaches 1mA, while the set valueand the real outpurrent can be displayed by LE

3、D.hesystem, the og value by lified bydigitally programmable signal from SCM is converted toDAC (AD7543), then theog value which is isolated andoperationallifiers, is sent to the base electrode ofer transistor,so an adjustable outpurrent can be available with the base electrodevoltage ofer transistor

4、. On the other hand, The constant currentsource can be monitored by the SCM system real-timely, its work prosist outpurrent is converted voltage, then itsog value isconverted to digital value by ADC, finally the digital value as a feedbackloop is prosed by SCM sot outpurrent is more stable, so a sta

5、ble er is designed. The test resultsvoltage-controlled constant currenthave showedt it can be appd in need areas of constant current source er.with high stability and lowKeywords: voltage-controlled er,closed loop controlconstant current source,elligent前言隨著電子技術(shù)的發(fā)展、數(shù)字電路應用領(lǐng)域的擴展，現(xiàn)今社會，產(chǎn)品智能化、數(shù)字化已成為人們追求的一

6、種趨勢，設備的性能、價格、發(fā)展空間等備受人們的關(guān)注，尤 其對電子設備的精密度和穩(wěn)定度最為關(guān)注。性能好的電子設備，首先離不開穩(wěn)定的電源，電源穩(wěn)定度越高，設備和條件越優(yōu)越，那么設備的更長?；诖耍?人們對數(shù)控恒定電流器件的需求越來越迫切社會，數(shù)控恒壓技術(shù)已經(jīng)很成熟，但是恒流方面特別是數(shù)控恒流的技術(shù)才剛剛起步且有待發(fā)展，高性能的數(shù)控恒流 器件的開發(fā)和應用存在巨大的發(fā)展空間。本文正是應社會發(fā)展的需求，研制出一種基于單片機的高性能的數(shù)控直流恒流源。本數(shù)控直流恒流源系統(tǒng)輸出電流穩(wěn)定，輸 出電流可在 20mA2000mA 范圍內(nèi)任意設定，不隨負載和環(huán)境溫度變化，并具有很高的精度，輸出電流誤差范圍4mA，因而

7、可實際應用于需要高穩(wěn)定度 小功率直流恒流源的領(lǐng)域。1 系統(tǒng)原理及理論分析1.1 單片機最小系統(tǒng)組成單片機系統(tǒng)是整個數(shù)控 系統(tǒng)的部分，它主要用于鍵盤按鍵管理、數(shù)據(jù)處理、實時采樣分析系統(tǒng)參數(shù)及對各部分反饋環(huán)節(jié)進行整體調(diào)整。主要包括 AT89S52 單片機、模數(shù)轉(zhuǎn)換ADC0809、12 位數(shù)模轉(zhuǎn)換AD7543、數(shù)碼管顯示譯碼74LS47 與 74LS138 等器件。1.2 系統(tǒng)性能本系統(tǒng)的性能指標主要由兩大關(guān)系所決定，設定值與/采樣顯示值（系統(tǒng)測量值）的關(guān)系。測量值與實際測量值的關(guān)系，而后者是所有儀表所存在的誤差。在沒有采用數(shù)字閉環(huán)之前，設定值與測量值的關(guān)系只能通過反復測量來得出它們的關(guān)系（要送多大

8、的數(shù)才能使/輸出與設定電流值相對應的電壓值），再通 過單片機乘除法再實現(xiàn)這個關(guān)系，基本實現(xiàn)設定值與測量值相一致。但由于周圍環(huán)境等的影響，使設定值與測量值的關(guān)系改變，使得設定值與測量 值不一致，有時會相差上百毫安，只能重新測量設定值與/采樣顯示值的關(guān)系改變/數(shù)值的大小才能重新達到設定值與測量值相一致，也就是說還 不穩(wěn)定。在采用數(shù)字閉環(huán)后。通過比較設定值與/采樣顯示值，得出它們的差值，再調(diào)整/的數(shù)值，從而使/采樣顯示值逐步近設定值最終達到一致。而無須關(guān)心/數(shù)值的大小，從而省去了原程序中雙字節(jié)乘除的部分，使程序簡單而不受周圍環(huán)境等的影響。測量值與實際測量值的誤差是由于取樣電阻與負載電阻和晶體管的放大

9、倍數(shù)受溫度的影響和測量儀表的誤差所造成的，為了減少這種誤差，一定要選用溫度系數(shù)低的電阻來作采樣電阻，因此本系統(tǒng)選用錳銅電阻絲來做采樣電阻。1.3 恒流原理數(shù)模轉(zhuǎn)換AD7543 是 12 位電流輸出型，其中 OUT1 和 OUT2 是電流的輸出端。電流的輸出級別可這樣計算DX=式中：DX 是控制級數(shù)電壓由集成運算放大器 U8A 的 1 腳輸出，根據(jù) T 型電阻網(wǎng)絡型的 D/A轉(zhuǎn)換關(guān)系可知，存在如下通式：（1）式中：輸出電壓(V)；參考電壓(V)；R T 網(wǎng)絡電阻()；外接反饋電阻()。電流放大電路存在如下關(guān)系：（2）（3）式中：Ib基極電流（mA）；負載電流（mA）。Ui輸入電壓（V）； IL由

10、式（1）、（2）到：（4）由于電路中的放大系數(shù)值遠大于1，而與保持恒定，所以可推出負載電流與輸入電壓存在如下關(guān)系：（5）由式(5) 、（1）到:（6）其中，k為比例系數(shù)。式（6）可知，負載電流 不隨外部負載的變化而改變。當 保持不變時(即AD7543 的輸入數(shù)字量保持不變)，輸出電流 維 持不變，能夠達到恒流的目的。為了實現(xiàn)數(shù)控的目的，可以通過微處理器控制 AD7543 的模擬量輸出，從而間接改變電流源的輸出電流。從理論上來說，通過控 制 AD7543 的輸出等級，可以達到 1mA 的輸出精度。但是本系統(tǒng)恒流源要求輸出電流范圍是 20mA2000mA，而當器件處于 2000mA 的工作電流 時

11、，屬于工作在大電流狀態(tài)，晶體管長時間工作在這種狀態(tài)，集電結(jié)發(fā)熱嚴重，導致晶體管 值 下降，從而導致電流不能維持恒定。為了克服大電流工作時電流的波動，在輸出部分增加了一個反饋環(huán)節(jié)來控制電流穩(wěn)定，減小電流的波動，此反饋回路采用數(shù)字形 式反饋，通過微處理器的實時采樣分析后，根據(jù)實際輸出對電流源進行實時調(diào)節(jié)。經(jīng)測試表明，采用常用的大功率電阻作為采樣電阻 R0，輸出電流波動比較大，而 選用錳銅電阻絲制作采樣電阻，電流穩(wěn)定性得到了改善。電路反饋原理如圖 1 所示。圖 1電流輸出反饋電路原理2 總體方案論證與比較方案一：采用各類數(shù)字電路來組成鍵盤控制系統(tǒng)，進行信號處理，如選用 CPLD 等可編程邏輯器件。本

12、方案電路復雜，靈活性不高，效率低，不利于系統(tǒng)的擴展，對信號處理比較。方案二：采用 AT89S52 單片機作為整機的控制單元，通過改變 AD7543的輸入數(shù)字量來改變輸出電壓值，從而使輸出功率管的基極電壓發(fā)生變化，間接地 改變輸出電流的大小。為了能夠使系統(tǒng)具備檢測實際輸出電流值的大小，可以將電流轉(zhuǎn)換成電壓，并經(jīng)過 ADC0809 進行模數(shù)轉(zhuǎn)換，間接用單片機實時對電壓進 行采樣，然后進行數(shù)據(jù)處理及顯示。此系統(tǒng)比較靈活，采用方法來解決數(shù)據(jù)的預置以及電流的步進控制，使系統(tǒng)硬件更加簡潔，各類功能易于實現(xiàn)，能很好地滿足題目的要求。本方案的基本原理如圖 2 所示。圖 2系統(tǒng)原理框圖比較以上兩種方案的優(yōu)缺點，

13、方案二簡潔、靈活、可擴展性好，能達到題目的設計要求，因此采用方案二來實現(xiàn)。3 模塊電路設計與比較3.1 恒流源方案選擇方案一：采用恒流二極管或者恒流三極管，精度比較高，但這種電路能實現(xiàn)的恒流范圍很小，只能達到十幾毫安，不能達到題目的要求。方案二：采用四端可調(diào)恒流源，這種器件靠改變電阻元件參數(shù)，從而使電流達到可調(diào)的目的，這種器件能夠達到 12000 毫安的輸出電流。改變輸出電流， 通常有兩種方法：一是通過手動調(diào)節(jié)來改變輸出電流，這種方法不能滿足題目的數(shù)控調(diào)節(jié)要求；二是通過數(shù)字電位器來改變需要的電阻參數(shù)，雖然可以達到數(shù)控的目 的，但數(shù)字電位器的每一級步進電阻比較大，所以很難調(diào)節(jié)輸出電流。方案三：壓

14、控恒流源，通過改變恒流源的電壓，利用電壓的大小來控制輸出電流的大小。電壓控制電路采用數(shù)控的方式，利用單片機送出數(shù)字量，經(jīng)過 D/A 轉(zhuǎn) 換轉(zhuǎn)變成模擬信號，再送到大功率三極管進行放大。單片機系統(tǒng)實時對輸出電流進行，采用數(shù)字方式作為反饋調(diào)整環(huán)節(jié)，由程序控制調(diào)節(jié)功率管的輸出電流恒 定。當改變負載大小時，基本上不影響電流的輸出，采用這樣一個閉路環(huán)節(jié)使得系直在設定值維持電流恒定。該方案通過方法實現(xiàn)輸出電流穩(wěn)定，易于功能 的實現(xiàn)，便于操作，故選擇此方案。電路原理圖如圖 3所示。圖 3壓控恒流源電路原理3.2 反饋閉環(huán)方案選擇方案一：采樣電阻上的電壓，可知輸出電流與采樣電阻存在近似線性關(guān)系，因此可以從檢測電

15、阻度。上電壓的大小來直接增減反饋深方案二：從采樣電阻上 得到一個反饋電壓，由于采樣電阻阻值比較小，在該電阻上的壓降相應也小，為了提高系統(tǒng)控制的靈敏度，采用一級運算放大器對采樣電壓進行放大，再送到 ADC0809 進行 A/D 轉(zhuǎn)換。數(shù)據(jù)由單片機系統(tǒng)進行相應處理，為了達到 1mA 步進，選用 12 位串行 D/A 轉(zhuǎn)換器件 AD7543可以滿足題目要求，而且該是采用串行數(shù)據(jù)傳送方式，硬件電路簡單。同時反饋系統(tǒng)控制靈活，易于達到 1mA 的步進要求。3.3 控制單元方案選擇由于 要實現(xiàn)人機，至少要有 10 個數(shù)字按鍵和兩個步進按鍵，考慮到還要實現(xiàn)其它的功能鍵，選用 16 按鍵的鍵盤來完成整個系統(tǒng)控

16、制。顯示部分采用 8 位 LED 數(shù) 碼管，而且價格便宜，易于實現(xiàn)?？紤]到單片機的 I/O 端口有限，為了充分優(yōu)化系統(tǒng)，采用外部擴展一片 8155 來實現(xiàn)鍵盤接口與顯示功能。電路原理如圖 4 所示。圖 4 鍵盤及顯示電路3.4 電源方案選擇方案一：用開關(guān)穩(wěn)壓電源給整機供電，此方案能夠完成本作品電流源的供電，但開關(guān)電源比較復雜，而且體積也比較大，制作不便，因而此方案難以實現(xiàn)。方案二：單片機控制系統(tǒng)以及供電采用 78 系列三端穩(wěn)壓器件，通過全波整流，然后進行濾波穩(wěn)壓。電流源部分由于要給測試電路提供比較大的功率， 因此必須采用大功率器件?？紤]到該電流源輸出電壓在 10V以內(nèi)，最大輸出電流不大于 20

17、00mA，由公式 P=U*I 可以粗略估算電流源的功耗為 20W。同 時考慮到恒流源功率管部分的功耗，需要預留功率余量，因此供電電源要求能輸出 30W 以上。為了盡量減少輸出電流的紋波，要求供電源要穩(wěn)定，因此采用電 源，選用由 LM338的高精度大電流穩(wěn)壓電源。此方案輸出電流精度高，能滿足題目要求，而且簡單實用，易于，故選用方案二。穩(wěn)壓電源原理如圖 5 所示。圖 5穩(wěn)壓電源原理3.5 過壓功能設計為了使本數(shù)控直流電流源進一步智能化，考慮到要求輸出電壓不大于 10V，因此系統(tǒng)測試部分設計了一個過壓一旦有過壓現(xiàn)象，控制器響應后會發(fā)出電路，用于對電壓的實時監(jiān)測，控制信號。電路原理參見圖 3。4設計根

18、據(jù)實際的硬件電路，為了有效地減小紋波電流，用方法實現(xiàn)去峰值數(shù)值濾波，以減小環(huán)境參數(shù)對輸出控制量的影響。設計主程序流程圖和閉環(huán)比較子程序流程圖；電流設置子程序流程圖；鍵盤中斷子程序流程圖；顯示中斷子程序流程圖。分別如下圖所示。根據(jù)本系統(tǒng)的實際要求設計可分為以下幾個功能模塊：4.1 主程序模塊 MAIN：流程圖如圖 6 所示。主程序負責與各子程序模塊的接口和檢查鍵盤功能號。4.2 閉環(huán)比較子程序模塊 BIHUAN：流程圖如圖 7 所示。通過調(diào)用閉環(huán)比較子程序得出實際值與設定值的差值，如果是實際值大于設定值則將原來的/的數(shù)值減去這個差值再送去 D/A 轉(zhuǎn)換，如果是實際值小于設 定值則把原來的/的數(shù)值

19、加上這個差值再送去轉(zhuǎn)換。如果輸出值與設定值仍然不一致，再將差值和設定值相加送 D/A 轉(zhuǎn)換，以逐步 近的形式使實際值和 設定值相一致后通過 LED 把穩(wěn)定的實際值顯示出來。而逐步近過程中的實際值不送顯示因此減少了實際顯示值的不穩(wěn)定。這也是結(jié)構(gòu)化程序的要點（合理設置程 序的順序結(jié)構(gòu)）。4.3 電流設置子程序模塊 SETUP：流程圖如圖 8 所示。通過鍵盤設置電流的大小，因為本系統(tǒng)最大輸出電流是 2000m，所以該子程序兼有電流設置，也就是說設置電流不能大于 2000m。鍵盤中斷子程序模塊 KEYSCAN：流程圖如圖 9 所示。本系統(tǒng)采用外部中斷 1 來實現(xiàn)實時掃描，使程序及時響應按鍵請求而無需顧

20、慮其它程序模塊運行情況。顯示中斷子程序模塊 LED：流程圖如圖 10 所示。本系統(tǒng)采用定時中斷 0 來實現(xiàn)逐位動態(tài)顯示，每位顯示間隔固定為 2ms，使 LED 輸示非常穩(wěn)定，無法考慮定時刷新顯示，使得該顯示子程序簡單靈活，適用性廣。圖7閉 環(huán) 比 較 子 程 序 流 程 圖圖8電 流 設 置 子 程 序 模 塊5 數(shù)據(jù)測試及分析數(shù)據(jù)測試是反映系統(tǒng)性 能的重要指標。因此對本系統(tǒng)進行了全面的測試，分別為輸出電流測試、步進電流測試、工作時間測試、負載阻值變化測試、紋波電流測試。本系統(tǒng)測試采用的儀表 如下：當測試系統(tǒng)電流分別 0200和 2002000時，分別采用數(shù)字表9801 的 200檔和 10檔

21、。測試電壓采用數(shù)字表 9208的 2檔和 20檔。測試紋波電流采用低頻毫伏表 DA16D 來測試紋波電壓，但當測量值與對應量程相差較大時，會有一定的誤差。5.輸出電流測試給電流源上電，通過按鍵設定輸出電流值，對應 D/A 轉(zhuǎn)換輸出電壓、晶體管基極電壓，電流源自身檢測到實際輸出電流值以及通過外部電流表測量的電流值，相 關(guān)數(shù)據(jù)如表 1 所示。由表可知設定值的線性增大，相關(guān)數(shù)據(jù)也相應增大，但由于取樣電阻負載電阻和晶體管的放大倍數(shù)受溫度的影響和測量儀表的誤差而造成大電流 時實際值比設定值略小，小電流時實際值比設定值略大。所以實際調(diào)試時只能拿中間值 1000 毫安來作基準。表 1輸出電流測試表鍵盤設定值

22、/m值/A20AD/A轉(zhuǎn)換輸出電壓/V基極電壓/V顯示輸出值/mA外部測量0.5950.555160.03500.6440.614480.061000.7050.691960.102000.8240.8052000.213000.9250.9212960.304001.0321.0264000.405001.1311.1375040.506001.2341.2336000.607001.3220.701.4310.801.5290.901.6401.001.8001.101.9021.202.001.302.101.402.201.502.371.602.461.701.3316968001.

23、4278009001.53290410001.638100011001.798110412001.900120013002.00129614002.10140015002.21149616002.37160017002.47169618002.572.5818001.8019002.722.7219041.9020002.822.8320002.005.2 步進電流測試由上面系統(tǒng)方案分析可知本系統(tǒng)由于現(xiàn)有器件限制只能采用 8 位的 /作閉環(huán)反饋。則要/轉(zhuǎn)換回來的數(shù)乘以 8 才能達到 2000m，即顯示輸出值是每隔 8 m跳變的，而外部測量值也是m跳變的，所以理論上設定值與實際值的最大誤差為 4

24、m。表 2步進電流測試表鍵盤設定值/mA/mA 45顯示輸出值/mA外部測量值4861.4464861.4474861.4484861.4494861.4504861.4514861.4524861.4535670.9545670.9145144156.1146144156.1147144156.1148144156.1149152163.3150152163.3151152163.3152152163.3153152163.3154152163.35.3 工作時間測試工作時間測試表見表 3。由表3 可知，當系統(tǒng)工作在大電流時，電流外部測量值隨著系統(tǒng)工作時間延長略有減小，而顯示輸出值不變。造成

25、這種誤差主要是因為隨著 系統(tǒng)工作時間延長，系統(tǒng)器件溫度不斷升高，采樣電阻與負載電阻有所增大，且晶體管的放大倍數(shù)有所減小，因而造成輸出電流減少而采樣電阻兩端電壓不變。表 3 工作時間測試表設定值/mA/mA 150152150152150152150152150152150152500504500496500496500504500時間/Min外部測量值顯示輸出值0163.0mA162.7mA2162.5mA3162.6mA4163.2mA5162.5mA00.49A10.49A20.49A30.49A44960.48A50.49A0500504100010001.00A11.00A21.00A

26、31.00A40.99A50.99A02.00A11.99A21.99A31.98A41.98A51.97A10001000100010001000100010001000100010002000200020002000200020002000200020002000200020005.4 負載阻值變化測試表明，無論是大電流還是小電流，負載阻值的改變對系統(tǒng)的影響都是比較小，說明系統(tǒng)達到恒流這一基本要求。表 4負載阻值變化測試表鍵盤設定值/mA 200200200200200200200200200200/mA負載阻值/顯示輸出值外部測量值1199.0mA5199.3mA10199.5mA20200.0mA50200.0mA50010.495504A5005040.49A500100.50 A150.50