數(shù)控直流電流源設(shè)計報告

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1、數(shù)控直流電流源作品功能簡介：在電子作品的設(shè)計、應(yīng)用或測試中，一個穩(wěn)定、精度高的電源尤為重要，為直流電源的應(yīng)用更是廣泛。本作品就是為其它設(shè)計的應(yīng)用或測試提供一個穩(wěn)定性高、精度高的直流電流源。本組的作品的設(shè)計方向就是穩(wěn)定性高、精度高、紋波小、驅(qū)動能力強。本作品有兩個個主要功能：功能一：輸出20到2000mA的穩(wěn)定電流，并且步進值可調(diào)（1mA、5mA、10mA、100mA）。功能二：可實時測試并顯示負載上的電流值。功能三：有相應(yīng)的提示功能。9（一）方案論證與比較從控制論的角度來看，某一系統(tǒng)要達到較高的控制精度，必須采用閉環(huán)控制。閉環(huán)的電流控制系統(tǒng)可以由如下

2、的原理框圖來表示：執(zhí)行器（功率放大器）控制器電流檢測R+－被控對象（負載）Y圖1閉環(huán)電流控制系統(tǒng)原理框圖由上述原理框圖可以知道，數(shù)控直流電流源的設(shè)計主要考慮三個方面的問題：電流控制器設(shè)計、功率放大電路設(shè)計和電流檢測方法。此外，從電子系統(tǒng)設(shè)計的角度，還需考慮系統(tǒng)電源的設(shè)計。1．電流控制器設(shè)計電流控制可以有多種方案，如基于PWM技術(shù)的開關(guān)電源方案、基于模擬器件的模擬反饋壓控方案、以及基于微控制器的數(shù)字反饋數(shù)控方案。方案一：基于PWM技術(shù)的開關(guān)電源方案。通過PWM技術(shù)來調(diào)節(jié)開關(guān)電源的電壓輸出，控制PWM信號的調(diào)制脈寬就可以控制輸出電壓，從而達到控制輸出電流

3、的目的。該方案適合要求高功率輸出的交流系統(tǒng)，同時電源效率上具有很大的優(yōu)勢，但是開關(guān)電源必然引入紋波噪聲，在高精度要求的直流系統(tǒng)中，對濾波電路的要求非常高,難以實現(xiàn)。題目對電流精度及紋波要求很高，該方案難以勝任。方案二：基于模擬器件的模擬反饋壓控方案。該方案采用三極管或集成運放，組成電流串聯(lián)負反饋電路，三級管或運放工作在深度負反饋狀態(tài)下，具有良好的壓控恒流特性。典型的電路結(jié)構(gòu)如圖2所示。圖2中，Re相當于取樣電阻，輸出RL上的電流通過Re在運放的輸入端形成負反饋，由運放的虛短虛斷，忽略三極管的基極電流，則可得到輸出電流IL的表達式：圖2模擬反饋壓控方案

4、典型電路IL=Vi/Re⑴此方案實質(zhì)上是由模擬器件作為了控制器，調(diào)節(jié)速度快，系統(tǒng)的跟隨性好，即動態(tài)性能優(yōu)越；但是，由于模擬器件固有的非線性特性，式⑴的精確度受到影響，電流控制穩(wěn)態(tài)9性能不夠良好。同時，反饋系統(tǒng)對外是封閉的，要得到電流值還需進行取樣。方案三：基于微控制器的數(shù)字反饋數(shù)控方案。該方案將圖1的系統(tǒng)數(shù)字化，在微控制器上設(shè)計調(diào)節(jié)器，通過A/D轉(zhuǎn)化直接得到電流的數(shù)字值。圖3是它的結(jié)構(gòu)示意圖。數(shù)字反饋控制的原理為：取樣電阻串入負載回路，放大取樣電阻兩端的電壓，通過A/D轉(zhuǎn)換可以得到負載回路的電流值，采用一定的控制算法圖3數(shù)字反饋數(shù)控方案結(jié)構(gòu)圖如P控制

5、、PI控制等，通過調(diào)節(jié)D/A輸出的電壓值達到對電流的控制。該方案的優(yōu)點是，由于是數(shù)字系統(tǒng)，不存在調(diào)節(jié)器的線性度問題，因此穩(wěn)態(tài)精度可以達到很高，同時也得到了電流值；缺點在于采用的是數(shù)字反饋和軟件實現(xiàn)的調(diào)節(jié)器，系統(tǒng)的調(diào)節(jié)速度不夠快，抗高頻干擾和大幅度負載波動的能力較差。由于本題對電流控制的穩(wěn)態(tài)精度要求很高，而沒有對其動態(tài)性能提出要求，同時對抵抗負載的波動要求也不高，并且明確要求能夠測量電流，綜合考慮，選擇方案三。2．功率放大電路本題要求的最大功率輸出為10V×2A=20W，因此必須要有功率放大電路。同時由于題目要求紋波電流不大于2mA，因此對該功放電路的

6、漂移、紋波等要求很高。功率放大電路的實現(xiàn)方案非常靈活，可以采用分立器件如功率三極管、達林頓管等實現(xiàn)，電路結(jié)構(gòu)靈活，成本低；也可以采用集成的功放芯片如LM1875等實現(xiàn)，電路簡單。本題要求功率輸出達到20W，而紋波小于2mA，因此，功放電路的容量應(yīng)該遠大于20W，這樣才能在保證功率輸出的同時，還能夠保證低紋波輸出。方案一：采用集成的功放芯片。LM12的最大輸出功率為80W可以達到設(shè)計要求，但是其成本相當昂貴、性價比不高。LM1875的功率消耗大且輸出功率只能勉強符合設(shè)計要求。方案二：采用分立器件。功率三極管、達林頓管電路結(jié)構(gòu)靈活，成本低，但是電路所需元

7、件較多，電路的穩(wěn)定性不高。大功率的場效應(yīng)管IRF640最大輸出電流16A、Vds能有200V足以保證本題的指標，且其電路結(jié)構(gòu)簡單、成本低。綜合考慮，本設(shè)計選用了大功率的場效應(yīng)管IRF640，足以保證本題的指標。3．電流檢測方法常用的電流檢測手段或方法有串電阻取樣和霍爾元件檢測，其中，霍爾元件檢測是無接觸式檢測，很適合高壓、大電流的檢測，但是其精度不夠高。本系統(tǒng)采用的是串電阻檢測法，保證其檢測精度。94．系統(tǒng)電源設(shè)計要保證高精度電流控制，首先要從系統(tǒng)本身盡可能減小電源擾動。而本題對于電源電路的要求比較高。一方面，要在功率放大這一級盡量減小紋波，則必須要

8、求其供電電源的容量大，紋波?。涣硪环矫?，由于整個閉環(huán)對于反饋環(huán)節(jié)的擾動是無法克服的，則反饋環(huán)節(jié)的穩(wěn)定性、精確