數(shù)控直流恒流源的設(shè)計(jì)與制作

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1、數(shù)控直流恒流源的設(shè)計(jì)與制作本數(shù)控直流恒流源系統(tǒng)輸出電流穩(wěn)定，輸出電流可在20mA~2000mA范圍內(nèi)任意設(shè)定，不隨負(fù)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，因而可實(shí)際應(yīng)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(jī)最小系統(tǒng)組成??????單片機(jī)系統(tǒng)是整個(gè)數(shù)控系統(tǒng)的核心部分，它主要用于鍵盤按鍵管理、數(shù)據(jù)處理、實(shí)時(shí)采樣分析系統(tǒng)參數(shù)及對(duì)各部分反饋環(huán)節(jié)進(jìn)行整體調(diào)整。主要包括AT89S52單片機(jī)、模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片ADC0809、12位數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片AD7543、數(shù)碼管顯示譯碼芯片74LS47與74LS138等器件。1

2、.2系統(tǒng)性能??????本系統(tǒng)的性能指標(biāo)主要由兩大關(guān)系所決定，設(shè)定值與Ａ/Ｄ采樣顯示值（系統(tǒng)內(nèi)部測(cè)量值）的關(guān)系。內(nèi)部測(cè)量值與實(shí)際測(cè)量值的關(guān)系，而后者是所有儀表所存在的誤差。1.3恒流原理????數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片AD7543是12位電流輸出型，其中OUT1和OUT2是電流的輸出端。為了實(shí)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(jí)，可以達(dá)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20mA~2000mA，而當(dāng)器件處于2000mA的工作電流時(shí)，屬于工作在大電

3、流狀態(tài)，晶體管長(zhǎng)時(shí)間工作在這種狀態(tài)，集電結(jié)發(fā)熱嚴(yán)重，導(dǎo)致晶管值下降，從而導(dǎo)致電流不能維持恒定。為了克服大電流工作時(shí)電流的波動(dòng)，在輸出部分增加了一個(gè)反饋環(huán)節(jié)來控制電流穩(wěn)定，減小電流的波動(dòng)，此反饋回路采用數(shù)字形式反饋，通過微處理器的實(shí)時(shí)采樣分析后，根據(jù)實(shí)際輸出對(duì)電流源進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)。經(jīng)測(cè)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(dòng)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。電路反饋原理如下圖所示。??????????????????????????????????????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

4、控制系統(tǒng)，進(jìn)行信號(hào)處理，如選用CPLD等可編程邏輯器件。本方案電路復(fù)雜，靈活性不高，效率低，不利于系統(tǒng)的擴(kuò)展，對(duì)信號(hào)處理比較困難。?????方案二：采用AT89S52單片機(jī)作為整機(jī)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(cè)實(shí)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(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，間接用單片機(jī)實(shí)時(shí)對(duì)電壓進(jìn)行采樣，然后進(jìn)行數(shù)據(jù)處理及顯示。此系統(tǒng)比較靈活，采用軟件方法來解決數(shù)據(jù)的預(yù)置以及電流的步進(jìn)控制，使系統(tǒng)硬件更加簡(jiǎn)潔，各類功能易

5、于實(shí)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。3模塊電路設(shè)計(jì)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(shí)現(xiàn)的恒流范圍很小，只能達(dá)到十幾毫安，不能達(dá)到題目的要求。????方案二：采用四端可調(diào)恒流源，這種器件靠改變外圍電阻元件參數(shù)，從而使電流達(dá)到可調(diào)的目的，這種器件能夠達(dá)到1~2000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(dòng)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(dá)到數(shù)控的目的，但數(shù)字電位器的每一級(jí)步進(jìn)電

6、阻比較大，所以很難調(diào)節(jié)輸出電流。????方案三：壓控恒流源，通過改變恒流源的外圍電壓，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(jī)送出數(shù)字量，經(jīng)過D/A轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)變成模擬信號(hào)，再送到大功率三極管進(jìn)行放大。單片機(jī)系統(tǒng)實(shí)時(shí)對(duì)輸出電流進(jìn)行監(jiān)控，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(dāng)改變負(fù)載大小時(shí)，基本上不影響電流的輸出，采用這樣一個(gè)閉路環(huán)節(jié)使得系統(tǒng)一直在設(shè)定值維持電流恒定。該方案通過軟件方法實(shí)現(xiàn)輸出電流穩(wěn)定，易于功能的實(shí)現(xiàn)，便于操作，故選擇此方案。電路原理圖如圖3所示。3.2反饋閉環(huán)方案選擇方案一：

7、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(cè)電阻上電壓的大小來直接增減反饋深度。?方案二：從采樣電阻上得到一個(gè)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(yīng)也小，為了提高系統(tǒng)控制的靈敏度，采用一級(jí)運(yùn)算放大器對(duì)采樣電壓進(jìn)行放大，再送到ADC0809進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換。數(shù)據(jù)由單片機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行相應(yīng)處理，為了達(dá)到1mA步進(jìn)，選用12位串行D/A轉(zhuǎn)換器件AD7543可以滿足題目要求，而且該芯片是采用串行數(shù)據(jù)傳送方式，硬件電路簡(jiǎn)單。同時(shí)反饋系統(tǒng)控制靈活，易于達(dá)到1mA的步進(jìn)要求。3.3控制單元方案選擇??????由于要實(shí)現(xiàn)人機(jī)對(duì)話

8、，至少要有10個(gè)數(shù)字按鍵和兩個(gè)步進(jìn)按鍵，考慮到還要實(shí)現(xiàn)其它的功能鍵，選用16按鍵的鍵盤來完成整個(gè)系統(tǒng)控制。顯示部分采用8位