数控直流电流源设计报告

1数控直流电流源(F题)设计与总结报告摘要本设计以89C51单片机为控制器，以温度系数小、精度高的锰铜丝作为电流取样电阻，并采用AD公司的12位D/A转换器（AD667芯片）来产生电流源所需的输入电压。电路主要由控制、显示电路、电流源电路以及电源电路几部分构成。由于在电流源电路中采用锰铜丝作为电流取样电阻，同时使用大功率复合管作为调整管，不仅使电流源的精度达到给定的要求，同时输出电流的量程还可以进一步提高。另外，在电路设计时，将负载接地，并采用从取样电阻两端取控制信号，不仅保证了电流的转换精度，同时可以实现电流0~2000mA调整范围。关键词：高精度大电流数控直流电流源精密锰铜丝电阻AbstractThisdesigntakeof89C51asthecore,usingthetemperaturecoefficientmanganesecopperwireelectricresistanceofhighstabilitytocarryonthesampleandexaminationstotheelectriccurrent,thenumberthatmakesuseofthebasiselectricvoltageof12D/Aconversionmachine(chipofAD667)creationnicetythattheAmericanADcompanyproducetocarryoutcontrolsthedirectcurrenteternalytoflowthesource.Electriccircuitfromcontrolmanifestationflowthesourcetwogreatestpartscomposingwiththedirectcurrenteternally.hecontrolshowsthemoldpiecefromamachine,theseveralpartssuchastheD/Aconversionelectriccircuit,keyboardandthemanifestationelectriccircuitetc.constitute.Thedirectcurrenteternallyflowsthesourceunderthefunctionthatcontrolthepart,produceastableelectriccurrent,makeuseofthenicetysampleelectricresistancetocarryonthesampletothatelectriccurrent,theelectricvoltagethatgetisthefeedbackinaccordancewiththecontrollertheoutputandhighaccuracythereferencetheelectricvoltagecarryonthecomparison,andtheerrormarginelectricvoltageenlargetheempressthecontroltheadjustmentthetube,maketheelectriccurrentofthesamplethevalueandthepre-establishedelectriccurrentthevalueinclineto,attainthenicetynumbertocontrolthedirectcurrenteternallytoflowthesourcepurposefinally.Becausetheeternallyflowthesourceistouseapairofcontrolssystemses,maketheeternallyflowtheelectriccurrentofthesourcetooutputthescopeandcanattain0-2000milli-Anne,notonlygoodsatisfiedthetopic20-2000milli-Anneoutputstherequestofthescope,carryingontoexpandtowardsoutputtingthescopeatthesametime.Keyword:Thebigelectriccurrentnumberofhighaccuracycontrolshedirectcurrenteternallytoflowtheprecisemanganesecopperwireelectricresistanceofsource21系统设计1．1设计要求1.1.1基本要求一、任务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。二、要求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。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31.2总体设计方案1.2.1设计思路根据题目要求设计一个数控恒流源。设计的思路是：采用改进型的单输出端单向电流源电路来产生恒定电流。该方法是用精密电阻取样得到反馈电压，将反馈电压与高精度的参考电压比较得到误差电压，此误差电压经放大后输出控制调整管的导通程度，使预设电流值和实测电流值的逐步逼近，直至相等，从而达到数控的目的。从题目的要求来分析，该题目最大的难点在于大电流输出和高精度控制，所以在具体的方案确定中，大电流、功耗，以及精度、误差等都是我们所必须要考虑和克服的。1.2.2方案论证与比较方案一：图一数控直流电流源一图一所示，此方案中，利用高精度D/A转换器在单片机程序控制下提供可变的高精度的基准电压，该基准电压经过V/I转换电路得到电流，从而达到数控的目的。该方案的难点在于稳定恒流源的设计和高精度电流检测电路的设计。特点是可精确的控制电流的步进量，负载变化对电流输出的影响较小。键盘预设显示89C52电压--电流转换模块(包括了电流采样电路)D/A转换实测显示4方案二：图二数控直流电流源二此方案采用的原理是保持电压恒定而改变电阻阻值的方法来达到改变电流的目的，由于采用的是可编程的数字电位器，因此也可以通过单片机的控制来实现数控。由于改变的是电阻，所以就需要一个精准的外加电压源，但由于数字电阻的电阻变化呈非线性，因此在编程方面的要求就比较高了，再加上功率的损耗和电阻精度的问题，所以利用可编程的数字电位器并不是一个理想的选择，在思路渐渐清晰以后，我们排除了这种方案。综上所述，我们最终采用了方案一来设计题目要求的数控直流恒流源。2.单元模块方案的设计和论证根据选择方案，本设计由电源模块，键盘显示模块，D/A模块，电流源模块组成。2.1电源模块电路的设计方案可控电流源可编程数字电位器89C52预测/实测显示电流检测采样模块比较器模块键盘5本系统需要多个电源，单片机使用5V稳压电源，AD667转换器、运放等需要15V稳压电源。电源虽简单，但在高精度的系统中，尤其有纹波要求（本题目纹波电流0.2mA）时，有着非常重要的作用。方案一：采用升压型稳压电路。该电源减小了系统体积重量，但该电路供电电流小，供电时间短，无法使相对庞大的系统稳定运作，其原理图如图三所示：1234ABCD4321DCBATitleNumberRevisionSizeA4Date:14-Aug-2005SheetofFile:E:\Protel99SE\Examples\PCB设计\dianyuan.ddbDrawnBy:R30.25KR28.2KR12.7KR4C3100uFC1D1IN5819C2100uFL1170uHISWC1COMP5IPK7IDC8VCC6ISWE2TCAP3U1MC34063OUTPUT+3图三电源一方案二：采用线性稳压电路。交流市电经桥式全波整流，电容滤波，三端稳压器件稳压产生各种直流电压。运放、D/A转换芯片的15V分别用法LM7815、LM7915稳压输出，单片机系统用5V由LM7805稳压得到。电流源部分由于需求功率较大，故采用输出电流为3A的可调三端稳压器。其原理图如图四所示：图四电源二6鉴于方案二的优点，我们采用方案二。2.2显示模块方案一：用液晶显示屏（LCD）显示。液晶显示屏（LCD）具有轻薄短小、低耗电量、无辐射危害，平面直角显示以及影像稳定不闪烁等优势，且有可视面积大，画面效果好，分辨率高，抗干扰能力强等特点。但由于液晶是以点阵的模式显示各种符号，需要利用控制芯片创建字符库，编程工作量大，控制器的资源占用较多，其成本也偏高。在使用时，不能有静电干扰，否则易烧坏液晶的显示芯片，不易维护。方案二：用LED显示。静态LED显示连线复杂，且较占空间。本设计采用专用数码管显示芯片MAX7219驱动动态数码管显示。MAX7219是八位串行共阴LED数码管动态扫描驱动电路，其峰值段电流可达40mA，最高串行扫描速率为10MHz，典型扫描速率为1300Hz，仅使用单片机3位I/O，即可完成对八位LED数码管的显示控制和驱动，节省了单片机端口资源，线路非常简单，控制方便，外围电路仅需一个电阻设定峰值段电流，同时可以通过软件设定其显示亮度；还可以通过级联，完成对多于八位的数码管的控制显示。值得一提的是，当工作于关闭（SHUTDOWN)方式时，不仅单片机仍可对其传送数据和修改控制方式，而且芯片耗电仅为150uA。原理图可以用下图来表示：：7在该模块的方案选择上，我们首先考虑的是采用液晶显示，虽然可以使用TS1602作为液晶显示模块，但因为它是并行接口的，使得单片机的I/O接口有很大一部分就分配给了它，考虑到电路的整体设计及单片机接口的使用，我们放弃了用TS1620作为显示，从而想到了用串行接口的液晶显示，但又因为其复杂的编程，觉得没有必要。最后还是选择了数码管作为显示：本设计要求输出电流为20~2000mA可调，若以毫安为单位输出，仅需一个四合一共阴极七段显示器就可以完成题目的设计要求，程序简单，成本较低。输出电流的测量显示直接采用4位半的电压表头，并将电流取样电阻上产生的压降直接送往电压表头，即测量的电流值是经过换算而成的。2.3D/A模块本设计中采用了12位的DAC模块，提供高精度的基准电压，即通过CPU发出的二进制转换为0~10V的模拟电压，送给误差放大器，实现步进要求。根据题目扩展功能要求输出20~2000mA，以1mA为步进，需要的级数为：(200020)19801mAmA因210=10241980211=2048，由此可见采用11位的D/A转换芯片即可满足要求，但市场上并没有11位转换器，所以系统中采用了AD667转换器，它是一种适合与微处理器接口的12位D/A转换芯片，内部含有精密电压基准、微处理器接口、双缓冲锁存和一个电压输出放大器。由于采用高速电流开关和激光微调薄膜电阻网络，保证了该芯片的D/A转换的高速度和高精度。它的性能特8点是:(1)工作温度范围内线性误差为±1/2LSB;(2)工作温度范围内保证单调性;(3)具有与微处理器的逻辑电路，可以方便的与四位，八位，十二位或十六位数据总线连接;(4)输出形式为电压输出，在电源电压在±10V~±15V时，输出电压±10V，±5V,+10V;(5)逻辑输入电平与TTL兼容。本设计采用了AD667的