數(shù)控直流恒流源的設計與制作

數(shù)控直流恒流源的設計與制作

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1、數(shù)控直流恒流源的設計與制作本數(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,因而可實際應用于需要高穩(wěn)定度小功率直流恒流源的領域。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)的核心部分,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)轉換芯片ADC0809、12位數(shù)模轉換芯片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)的性能指標主要由兩大關系所決定,設定值與A/D采樣顯示值(系統(tǒng)內(nèi)部測量值)的關系。內(nèi)部測量值與實際測量值的關系,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20mA~2000mA,而當器件處于2000mA的工作電流時,屬于工作在大電

3、流狀態(tài),晶體管長時間工作在這種狀態(tài),集電結發(fā)熱嚴重,導致晶管值下降,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),進行信號處理,如選用CPLD等可編程邏輯器件。本方案電路復雜,靈活性不高,效率低,不利于系統(tǒng)的擴展,對信號處理比較困難。?????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,可以將電流轉換成電壓,并經(jīng)過ADC0809進行模數(shù)轉換,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,采用軟件方法來解決數(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

5、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。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,這種器件靠改變外圍電阻元件參數(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

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,利用單片機送出數(shù)字量,經(jīng)過D/A轉換轉變成模擬信號,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)使得系統(tǒng)一直在設定值維持電流恒定。該方案通過軟件方法實現(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。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系,因此可以從檢測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)人機對話

8、,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)控制。顯示部分采用8位

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