電子競賽數(shù)控電流源

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1、北華大學(xué)電氣信息工程學(xué)院測控技術(shù)研究室M&C—MX數(shù)控直流電流源1方案論證在自動控制和測量系統(tǒng)中,經(jīng)常需要使用性能良好的可調(diào)電源。電源設(shè)備更是電子儀器的一個重要組成部分，通常有直流電壓源、電流源、交流電壓源、電流源等。隨著信息時代的飛速發(fā)展，電源設(shè)備也逐漸向數(shù)字化方向發(fā)展,本次設(shè)計題目為數(shù)控直流電流源。1.1任務(wù)分析1.1.1任務(wù)設(shè)計并制作數(shù)控直流電流源。輸入交流200~240V，50Hz；輸出直流電壓≤10V。其原理示意圖如下所示。顯示器控制器負(fù)載電流源鍵盤電源1.1.2要求1、基本要求（1）輸出電流范圍：200mA~2000mA

2、；（2）可設(shè)置并顯示輸出電流給定值，要求輸出電流與給定值偏差的絕對值≤給定值的1%+10mA；（3）具有“+”、“-”步進(jìn)調(diào)整功能，步進(jìn)≤10mA；（4）改變負(fù)載電阻，輸出電壓在10V以內(nèi)變化時，要求輸出電流變化的絕對值≤輸出電流值的1%+10mA；（5）紋波電流≤2mA；（6）自制電源。2、發(fā)揮部分（1）輸出電流范圍為20mA~2000mA，步進(jìn)1mA；（2）設(shè)計、制作測量并顯示輸出電流的裝置（可同時或交替顯示電流的給定值和實測值），測量誤差的絕對值≤測量值的0.1%+3個字；（3）改變負(fù)載電阻，輸出電壓在10V以內(nèi)變化時，要求輸

3、出電流變化的絕對值≤輸出電流的0.1%+1mA；（4）紋波電流≤0.2mA；（5）其他。25北華大學(xué)電氣信息工程學(xué)院測控技術(shù)研究室M&C—MX數(shù)控直流電流源1.2方案比較一般電子設(shè)備在工作時，都需要穩(wěn)定的直流電壓或電流，電網(wǎng)通常是220V、50Hz，電壓波動可達(dá)±10%，甚至更高，而且可能含有尖端、浪涌或高頻干擾。因此直流穩(wěn)壓電源需要完成以下任務(wù)：AC-DC高效轉(zhuǎn)換、輸出電壓或電流穩(wěn)定、抑制電網(wǎng)上的干擾、較小的傳導(dǎo)發(fā)射及電磁輻射。從基本原理上講，可選擇線性電源及開關(guān)電源兩種形式。（1）線性穩(wěn)壓電源并聯(lián)型線性穩(wěn)壓電源：利用并聯(lián)穩(wěn)壓二極

4、管的方法吸收額外的電流，要求輸入電源具有較高內(nèi)阻，只適用于負(fù)載電流較小的場合，電路簡單，但效率較低。串聯(lián)型線性穩(wěn)壓電源：在輸入電源及負(fù)載之間串聯(lián)電壓調(diào)整管，正由于在輸入電源及負(fù)載之間串聯(lián)電壓調(diào)整管，將（Vin-Vout）轉(zhuǎn)換為調(diào)整管上的發(fā)熱，而調(diào)整管必須工作在線性放大狀態(tài)，為了保證輸出電壓穩(wěn)定，其集電極與發(fā)射極之間必須承受較大的電壓差，導(dǎo)致調(diào)整管功耗較大，電源效率很低（一般只有45%左右）；另外，由于調(diào)整上消耗較大的功率，所以需要采用大功率的調(diào)整管及體積很大的散熱器。（2）開關(guān)電源開關(guān)電源的原理是以脈沖形式將輸入直流電源的能量儲存到

5、電感或電容中，再用整流濾波方法將電感或電容兩端的電壓轉(zhuǎn)換為直流電壓，由于調(diào)壓器件工作于開關(guān)方式，因此效率極高（一般90%），所以電源功耗很小，機(jī)內(nèi)溫升低，從而提高了整機(jī)的穩(wěn)定性和可靠性，且體積很小。但開關(guān)電源的缺點是由于調(diào)壓器件工作于開關(guān)方式，因此dV、dI都很大，容易產(chǎn)生較強(qiáng)的傳導(dǎo)發(fā)射及輻射發(fā)射，另外由于高低電位段具有不同的對地阻抗，而且地線網(wǎng)絡(luò)對高頻有較大阻抗，使兩條線對大地形成不同的阻抗，即對高頻差模電壓產(chǎn)生不同的相移，則這種差模電壓會轉(zhuǎn)化為共模電壓，從而產(chǎn)生干擾，共模干擾一旦產(chǎn)生，就很難濾除。綜上所述，線性電源的優(yōu)點是電路簡

6、單、輸出紋波小、不產(chǎn)生輻射干擾，缺點是效率低、體積較大、輸入電壓范圍較窄；開關(guān)電源的優(yōu)點是效率高、小巧、輸入電壓范圍很寬，缺點是輸出紋波大，容易產(chǎn)生電磁干擾和共模干擾。1.3總體設(shè)計方案的確定根據(jù)題目要求，設(shè)計的關(guān)鍵在于負(fù)載變化時恒流輸出以及輸出紋波小。比較上述兩種電源，設(shè)計原理決定采用串聯(lián)型線性穩(wěn)壓電源。針對線性電源的不足，電路器件使用MOS管，以其在極小的壓差（100mV）下工作，來減小損耗，提高效率。同時設(shè)計為數(shù)控電源，在控制方案上采用電壓、電流雙閉環(huán)控制，硬件電路實現(xiàn)PI運算，來穩(wěn)定輸出電流，使系統(tǒng)的靜態(tài)誤差滿足要求。并協(xié)調(diào)

7、選擇CPU、D/A、A/D等主要部件，使設(shè)計達(dá)到要求。電源系統(tǒng)的總體框圖如圖1-1所示。25北華大學(xué)電氣信息工程學(xué)院測控技術(shù)研究室M&C—MX數(shù)控直流電流源圖1-1電源系統(tǒng)的總體框圖應(yīng)當(dāng)指出，目前雖然開關(guān)電源發(fā)展很快，但很多對高頻干擾比較敏感的電器設(shè)備，如音響、逆變器、UPS等，從性能價格比上考慮，仍然使用的是線性電源。2系統(tǒng)硬件設(shè)計隨著集成D/A轉(zhuǎn)換器價格的降低，目前已廣泛采用D/A轉(zhuǎn)換器構(gòu)成的程控電壓源和電流源來驅(qū)動感性負(fù)載(如控制偏轉(zhuǎn)線圈等所需的電流)。性價比可以滿足要求。D/A轉(zhuǎn)換器是單片機(jī)的重要接口之一，只有通過D/A轉(zhuǎn)換

8、器把經(jīng)過單片機(jī)處理的數(shù)字信號轉(zhuǎn)換成模擬信號才能實現(xiàn)對各類模擬量的控制、調(diào)節(jié)和顯示。依據(jù)前述的方案論證，電源的硬件設(shè)計采用16位分辨率的數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片AD5662結(jié)合單片機(jī)系統(tǒng)實現(xiàn)數(shù)控直流電流源的方案。該方法同時可設(shè)定、顯示電流值。2.1