数控直流电流源

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3-10所示。

1.基本要求

    1)输出电流范围：200～2000mA。

    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％+10 mA。

    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％+10 mA。 

    5)纹波电流 ≤ 2mA。

    6)自制电源。

2.发挥部分

    1)输出电流范围为20～2000mA，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％+1 mA。

4)纹波电流≤0.2mA。

5)其他。 

注意：

1)需留出输出电流和电压测量端子。

2)输出电流可用高精度电流表测量。如果没有高精度电流表，可在采样电阻上测量电压换算成电流；

3)纹波电流的测量可用低频毫伏表测量输出纹波电压，换算成纹波电流

3.2.2 方案论证与比较

1.恒流源构成器件的选择与比较

方案一：简单实用的恒流源可以由一个稳压源和一个电阻构成，如图3-11所示。但当要求的恒流值稍大、负载变化范围较宽且恒流精度较高时，这种方法就失去其实用价值。为了获得高精度、宽范围、大电流的恒流源，必须另找途径。

方案二：用恒流器件构成恒流源。恒流器件的伏安特性如图3-12所示，即在它的ab段内，通过其中的电流和它两端的电压变化几乎无关时，就可利用它来构成恒流源；在工作点Q处，Uo在较大范围内变化时，只引起Io极小的变化，即等效电阻(或动态电阻) 很大。但是该处的直流电阻RD=Uo/Io较小，无需很高的电源电压，这正是要求的理想恒流器件。镇流管、半导体恒流管、电子管、晶体管等都具有图3-12所示的伏安特性。例如用一个稳定的或非稳定的直流电压源和一个硅恒流二极管就可构成一个结构简单、性能良好的恒流源。 

和方案一不同，方案二的供电电源可以是未经稳定的直流电压源，允许输入电压在较大范围内变化。该方案电路简单，使用方便；但镇流管的恒流工作范围很窄，稳流性能也不太好，半导体恒流二极管的最大电流只有6mA，半导体恒流晶体管的恒流性能与恒流二极管差别不大，所以该方案无法达到精度或输出电流范围的要求。 

方案三：用负反馈放大器构成恒流源。利用电流串联负反馈提高放大器的输出阻抗，如图3-13所示，RL，Rf分别为负载电阻和负反馈电阻，Us为稳定电压。设Io为输出电流，则反馈电压Uf=IoRf，放大器输出电压Eo=Io(RL+Rf)，而放大器输入电压为：

                                                                    (3-2)    

    式(3-2)中为放大器的电压增益。考虑到放大器输入电压和反馈电压的关系，则有：

                                                                   (3-3)

可以利用式(3-3)求得输出电流为

                                                            (3-4)

式(3-4)的相当于电压为KAUs的一个电源内阻。一般情况下，增益KA》1，即有 (1+KA) RfKARf》RL。 

于是，也就是说，输出电流与和负载电阻变化无关，因而图3-13是一个恒流源电路。这种方法条理清晰，控制方便，易于数字化用单片机处理，所以我们选择该方案作为设计的总体方案。

2.调整元件工作方式的选择与比较

        我们已经选择用负反馈放大器构成恒流源，而其后端的调整元件的工作方式可以有以下3种方案：

方案一：开关调整型恒流源，如图3-14所示，电源Ui(交流或直流)通过开关S和滤波回路向负载提供电流。这个电流也流过标准电阻RS，而放大器A将RS上的电压降IogRS和基准电压US比较，并对电子开关S进行控制以保持输出电流Io的稳定。

方案二：连续调整型恒流源，其结构示意图如图3-15所示，其中A是放大器，它的一个输入端接基准电压US，另一个输入端加入反馈电压IogRS，由于放大器的作用，最终使输出电流在标准电阻RS上的压降和基准电压近似相等，因此得到，由此可见，连续调整型恒流源的输出电流仅由基准电压和标准电阻决定，而与电源电压和负载变化无关。 

方案三：组合调整型恒流源，如图3-16所示。它将前两种方案结合起来，综合了两者的优点，即在开关调整稳压电路后紧接连续调整型恒流源电路。这样一来，开关电路输出的脉冲纹波经后接的连续调整电路调整后，最终输出的电流十分稳定，但系统也更加复杂。

：

3种方案的比较

连续调整型恒流源电路的稳定性能(即恒流性能)较好，电路比较简单但其输出容量不大；开关调整型恒流源因输出容量大，其调整管工作在开关状态，效率明显提高，但输出纹波较大，所以恒流性能不好；组合调整型恒流源可以结合上述两者的优点，而克服两者的缺点。

通过对本题的分析可知，所要求的输出容量并不大，在20W以下，所以可以不用考虑，而本题要求纹波电流小于0.2mA，所以不宜采用方案一；方案三虽然各项指标都比较好，但其电路结构非常复杂，电路调试和控制程序调试将显得非常繁琐；所以我们选择方案二，其电路结构相对简单，便于调试，恒流性能和纹波电流指标也都能满足本题要求。

3.微处理器的选择与比较

        本题要求制作的直流电流源是数控式的，可以显示输出电流的给定值以及实际测量值，因此必然要结合微处理器，并且通过微处理器的控制作用对输出电流进行精确校正。

        常用的微处理器有80×86、单片机、数字信号处理器(DSP)或复杂可编程逻辑器件(CPLD)等。DSP实现起来相当复杂，超过了自己的知识范围。复杂可编程逻辑器件(CPLD)具有速度快的特点，但其实现较复杂，且做到友好的人机界面也不太容易。单片机实现较容易，并且具有一定的可编程能力，对于本题足以胜任。

单片机含有多种系列，如51系列单片机及AVR、PIC系列单片机。PIC单片机是美国MicroChip(微芯)公司推出的一种8位单片机，其硬件系统设计简捷，指令系统设计精炼，采用精简指令集(RISC)和哈佛双总线结构，还具有速度高、功耗低、驱动电流大、控制能力强等优点。因此，我们选择了PIC系列单片机的PIC16F877A型号的芯片。

3.2.3 理论分析与参数计算

1.A/D、D/A芯片的选择计算

        本题要求输出电流范围为20～2000mA(综合基本要求和发挥要求)，步进1mA，也即分辨率为1mA，根据式(3-5)得

                                                          (3-5)

最小位数为11位，而为了给精度指标留有余地，A/D芯片我们选择16位的AD7715，D/A芯片选择12位的DAC1230。经实验验证，效果比较理想。

2.采样电阻

        稳流电源的电流取样，实质上是稳流电源输出的负载电流在其上产生的电压降，它的数值大小直接影响电流效率，越高，稳流电源的效率就越低，采样电阻上耗散的功率就越大，因此温升高，取样电阻的稳定性会变差，会使电源稳定性降低。有以下求取采样电阻的经验公式：

                                                                  (3-6)

为负载电流。取样电阻上的电压降不宜选值太高，我们取为0.2V，根据题目要求取2A，代入式(3－6)，可得采样电阻取0.1。

3.精密基准电压的计算

精密基准电压的稳定性直接关系着电流源输出电流的稳定性，可由公式(3-6)计算出基准电压，即

                                                                 (3-6)

取样电阻由上面计算可知取0.1，取2A， 所以，基准电压取0.2V，即200mV。

4.直流电流源的主要性能参数

        直流电流源有稳流系数和内阻两项主要性能参数。稳流系数是指稳流电源在输入电压变化时对电源的输出电流的稳定性的影响，也叫做电流调整绿。内阻是指稳流电流在负载变化时对稳流电源稳定性的影响。此外，对稳流电源性能有影响的还有其他一些因素，如环境温度变化等。

(1)稳流系数  定义稳流系数这个性能参数时，应假设负载电阻、温度变化等因素都固定不变，可变量只有稳流电源的输入电压的前提条件下进行的。无论输入电压是升高还是降低，其结果必然使稳流电源输出电流升高或降低。这就是稳流系数的确切含义。从进一步定量地说，假设输入电压变化，输出电流变化，越小稳流电源的稳定性越好。如果输入电压和输出电流的变化量都用相对值、表示，则稳流系数可用数学式表示为

                                                           (3-7)







很明显，越小，受变化影响就越小，稳流电源的稳流性能就越好。

(2)输出电阻Ro

输出电阻，即动态内阻，简称内阻。它是指输入电压、环境温度等因素都不变的情况下，负载电流的变化对稳流电源稳定特性的影响。它可以用式(3-8)表示。

                                                             (3-8)

5.数字地、模拟地单独接地

        这是没有设计经验的人比较容易忽略的部分，模拟地和数字地要尽量隔开，仅仅在一个地方汇合，这样数字地上杂乱无章的信号对模拟部分的影响就会变得小很多，这对保证电路的性能是非常关键的 

3.2.4 系统原理框图

系统框图如图3-17所示。

        PIC单片机、A/D、D/A芯片、键盘、LCD构成单片机系统；比较放大器、负载、调整管及采样单元构成恒流源电路。 

单片机是数控直流电流源控制的核心部分，它既协调整机工作，又是数据处理器。选用PIC单片机，实现对A/D、D/A等器件对模拟信号进行信号的采集、处理和输出，从而对输出电流值进行控制校正，达到较高的精度。系统的人机接口键盘和LCD显示也由PIC单片机控制。

        恒流源电路实现系统功能，比较放大器一个输入端与DAC的输出端相连，另一个输入端加入反馈电压IogRS，反馈电压同时与ADC的输入端相连，由于比较放大器的作用，最终使输出电流在标准电阻RS上的压降和DAC的输出(即方案比较中所论述的基准电压)近似相等，因此恒流源的输出电流仅由基准电压(需用单片机系统进行校正)和标准电阻决定，而与电源电压和负载变化无关。

3.2.5 系统各模块电路的设计

1.单片机系统电路

        单片机是数控直流电流源控制的核心部分，它既协调整机工作，又是数据处理器。本系统以PIC16F877A单片机为核心，以键盘、点阵液晶构成友好的人机接口。单片机通过A/D、D/A等器件对模拟信号进行信号的采集、处理和输出，从而对输出电流值进行控制校正，达到较高的精度。系统框图如图3-18所示。

所用的键盘是键盘，其消抖性能良好；点阵液晶显示器内含16×16点阵国际一级简体汉字和ASCII8×8(半高)及8×16(全高)点阵英文字库。

2.A/D转换电路

        A/D转换电路是对恒流源电路中的采样电阻进行采样，所得到的数字信号送给单片机处理。

        模数转换电路采用AD7715与PIC单片机的RC3～RC5相连。AD7715运用转换技术实现16位无损编码，用于低频测量的全模拟前端器件，能接收直接来自传感器的弱电平信号并输出连续的数字信号，输入信号被连接到一个基于模拟调节器的专用可编程放大器前端，调节器输出信号被一个片内的数字滤波器处理。数字滤波器第一陷波点的频率可以通过片内控制寄存器进行编程，以调节滤波器的截止频率和输出速率(输出速率=第一陷波点的频率)。

AD7715的可编程功能是通过一系列的片内寄存器控制的。数据通过芯片的串行接口写入寄存器，对寄存器中数据的读取也是通过该接口。所有与芯片的通信操作开始于对通信寄存器的写操作，通信数据从高位先输出。AD7715串行接口包含5个信号：、，及。用于传输数据到片内寄存器，而用于从片内寄存器中取得数据，是芯片的时钟信号输入，所有的数据传输在控制下发生。用作状态信号，指出何时可读AD7715的数据寄存器。当数据寄存器中有一个字的新数据可读取时，变为低电平，对数据寄存器的读操作完成后，变为高电平，它也在数据寄存器下一次刷新之前变为高电平，指明此时不能从芯片中读数据，以确保在寄存器刷新时数据不被读出，避免错误。用于选中该芯片。在多器件连接至串行总线的系统中它可用于地址译码。

电路图如图3-19所示，其中基准源由稳压管TL431通过可变电阻分压提供，引脚、与PIC单片机RC3相连，与RC4相连，与RC5相连。模拟信号采用差分输入的方式，所以将AIN(-)接地，AIN(+)接输入的模拟信号，即采样反馈电压。AD7715的读取数据流程图见单片机软件设计部分。当输出电流稳定时，ADC的采样值即为输出电流的测量值，可送入单片机进行显示。

3.D/A转换电路

        D/A转换电路是将单片机送来的数字信号转换为模拟信号。数模转换电路采用DAC1230，它与单片机的接受端连接。DAC1230是12位的D/A转换芯片，外部供给基准电源；双寄存器结构，转换时间为1μs。电路图如图3-20所示。数据口DI11～DI4(DI3～DI0与DI11～DI8复用)与单片机的RD口相连，控制线、与RC0相连，、与RC1相连，与RC2相连。而D/A转换电路的输出端Vout of DAC与放大比较器的输入端相连，从而对输出电流进行控制校正。

4.恒流源电路

        恒流源电路由比较放大器、调整管、负载和采样电阻4部分组成，如图3-21所示。 

RL为负载，RS为采样电阻，场效应晶体管IRFP为调整管，LM358为比较放大器，采用一个稳压二极管稳定场效应晶体管的Ugs，起到保护调整管的作用。LM358用正负12V供电，调整管IRFP用电源正18V供电，以满足其大功率的要求。根据题目要求，输出电压不大于10V，输出电流范围最大为2000mA，所以负载RL应该在0～5之间，采样电阻RS如前所述取0.1。从采样电阻RS的上端引入深度负反馈到比较放大器的负级，采样电压也通过ADC输入到单片机处理；比较放大器的正极与AD7715的模拟输出相连，通过LM358的比较放大作用以及调整管IRFP的调节作用使输出电流达到稳定。

5.稳压电源

线性电源简单，但在整个系统中有非常重要的作用。电源的稳定性决定着基准源的稳定性，也即恒流源输出电流的稳定性，所以要求电源输出稳定，纹波小。

本电源采用桥式全波整流、大电容滤波、三端稳压器件稳压的方法，产生各种直流电压。其中±5V、±12V等都可以买到相应的固定输出三端稳压芯片，如L7805CV、L7905CV。

但考虑到所选用的场效应晶体管IRFP460需要高功率的电源为其供电，因此为场效应晶体管IRFP460提供了电源；采用了功率高达150W的环形变压器，完全满足要求，并且它的输出电压纹波较小。选择LM338可变输出稳压芯片。为场效应晶体管IRFP460供电的稳压电源的电路图如图3-22所示。通过调节可变电阻R1可以改变LM338的输出Vout。 

3.2.6 单片机软件设计

1.软件功能

        为了方便编写和调试，我们采用了模块化的编程方法，整个程序分为若干子程序：

1)液晶显示子程序：显示欢迎界面，输出电流的给定值及实际测量值。

2)键盘处理子程序：输出电流给定值的预置及步进。

3)将调整值送入DAC。

4)进行A/D采样。

5)数据处理子程序：将A/D采样的数据与上一次设置的调整值比较，确定要送入DAC的调整值。它是输出电流精度指标的关键。 

整个程序的主要编程思想为：

1)事先我们进行了测试统计，得到了一条非线性的未补偿曲线，为了便于编程，将其近似分为若干线性段。

2)将键盘的预置电流值，送入DAC，近似地按照线性关系进行粗调。

3)根据预置电流值在对应的近似线性区内进行补偿。

4)通过ADC采样电压，连续取12个值，除去最大的两个值和最小的两个值，对剩下的8个值取平均；将求得的A/D采样平均值，送出显示；等待键盘预置电流值，若未预置则重复4)。

2.程序的流程图

        图3-23为主程序流程图，图3-24为D/A转换子程序流程图，图3-25为A/D采样子程序流程图。