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1、数控直流电流源（数控直流电流源（F F 题）题）摘摘要：要：本系统采用电流采样反馈调整控制技术，控制过程是利用 LM741 组成恒流源，结合放大电路，A/D 转换电路，单片机最小控制系统，D/A 转换电路等构成闭环系统。通过采样将实际值输出到单片机，由单片机进行比较调整，控制电流输出。由于使用了电流采样反馈调整控制技术，该系统具有可靠性好，精度高等优点。关键词：关键词：数控电流源，AT89S52 单片机，反馈控制，LM741Numerical ControlDC Current SourceAbstract:Abstract:Employing the feedback adjusting t
2、echnique with current sampling.The closed loopsystem consists of the constant current source LM741,amplifier circuit,AD574 converting circuit,the processing by One-chip puter,and DAC7513 converting circuit.The One-chip puter is used topare,adjust,control the current output by the real outputs sampli
3、ng feedback.The system featuresgood responsibility and high accuracy with the feedback adjusting control technique by currentsampling.Key words:Key words:Numerical Current Source,AT89S52,feedback control,LM7411/11一、方案论证与比较一、方案论证与比较数模转换器 D/A 与度不高。其右边部分的电路构成恒流源，D/A 输出电压作为恒流源的参考电压，运算放大器 IC 与三个晶体管组成达林顿电
4、路构成电压跟随器，利用晶体管平坦的输出特性即可得到恒流源输出，如图1 所示。该方案硬件电路简单，容易实现，但其输出精方案一：采用单片机作为核心控制器，用键盘设置所需的输出电流值，图 1 方案一系统设计框图方案二：系统主要由放大电路，A/D 转换电路，单片机，D/A 转换电路，稳压电源，恒流源等组成，如图2 所示。系统中为了得到稳定的恒流输出，采用闭环控制的方式进行处理。即通过精密电阻将电流信号变成电压信号，电压值的大稳压电源恒流源负载放大器采样D/A 转换放大器电流预置控制器A/D 转换显示图 2 方案二系统设计框图小反映了电流的强弱；经过电压放大器将信号进行放大，再进行A/D 转换，单片2/
5、11机根据电压值转换为对应的电流值，与预置值比较，调整 D/A 转换的输入数字量，通过 D/A 转换的电压控制输出电流，从而达到恒流的目的。同时，系统通过按键可以对电流进行设置，并经由 LED 交替显示预置的电流值和实测值。综上所述，在方案二中，由于采用闭环控制方式，其输出电流纹波小，精度高、稳定性能好，能够消除器件老化、温度漂移等原因造成的输出误差对测量系统的影响，能够满足系统设计的要求，所以选择方案二。二、系统设计与理论分析二、系统设计与理论分析1、稳压电源模块稳压电源电路采用三端固定式稳压器，只要把正输入电压Ui 加到 3025（7812，7912）的输入端，3025（7812，7912
6、）的公共端接地，其输出端便能输出芯片标称正电压 Uo。在电路中，芯片输入端和输出端与地之间除分别接大容量滤波电容外，另外我们采用 3025 还需在芯片引出脚根部接小容量电容到地，分别用于抑制芯片的自激振荡和压窄芯片的高频带宽，减小高频噪声。123452、恒流源模块恒流源电路如图 5 所示，是由运算放大器和电阻R9R12等组成。输入运算放大器反相端的电压是输出电流流过R10、R12后产生的电压降，所以运算放大器反相输入端电压高低反映了输出电流的大小。同相端的输入电压为基准电压。当同相端电压高于反相端电压时，运算放大器输出高电平，稳流电路不起作用，电源处于稳压状态。当同相端电压低于反相端电压时，运
7、算放大器输出低电平，稳流电路起作用，电路进入稳流状态。OUT+/GND+12VVCC/VSSQ42N3055J1R810022N930Q12N930R61KD4D2DIODED1IEDC2R72kR4100R5R3100100Q32N3055R10.8 2R20.8 2OUT+/GND54321+12VOUT+/GNDVCC/VSSOUT+/GNDCONTROLR910KC1564ZENER11U132CONTROL7LM741_NSC图 4恒流源电路3、电压放大模块3/11TitleSizeBDate:File:1234529-Nov-2005C:Documents an d Setting
8、sAd minisNumber12345D电压放大电路如图 5 所示，该电路以 AD620 为核心。V+R15KCJ2321V+V-GNDIN-1RgRg8U12-INAD620+Vs70.1 U6C1OUTJ1321IN+IN-OUTIN+V-3+INOUTPUT4-VsREF5*C20.1 UB图 5电压放大电路我们可以通过改变电阻Rp8的阻值来改变电路的放大倍数。由于恒流源输出电流 X 围需要达到20mA2000mA,导致采样得到的电信号相差很大，而放大电路增益为定值，所以需要两路不同增益的放大电路对规定 X 围内的电压信号进行放大，使其输出电压控制在 10V 以内，可以让 A/D 转换
9、电路采到。ATitle4、数据采集与处理模块1SizeBNumber为了提高系统的精度，A/D 转换电路如图 6 所示，采用 12 位逐次逼近型的234Date:File:24-Nov-2005C:Documents an d Settingsu ser桌 面dz电51AD574，该芯片内有三态输出缓冲器，输出可直接连到单片机总线，输入控制信2345号有 CE、/CS、R/C，A0 及 12/8。当 CE 为 1，/CS 为 0，R/C 为 0 时，表示作A/D 转换，R/C 为1时，表示读 A/D 转换后的数据。起动 AD574 时，将 A0(通常将它和单片机的最低位地址线 A0 相连)置0
10、，表示设定 AD574 为 12 位A/D。在 A/D 结束后读取数据时，将 A0 置0，表示允许输出转换结果 12 位中的高 8 位，再将 A0 为1，表示允许输出低 4 位。引脚 12/8 如接+5V，表示以一个 12 位字的方式输出数据。+5V+12VJ1121110987654321J2654321SIGNALSGND+5V+12V-12VGNDP2.0P2.1P2.2P2.3P0.7P0.6P0.5P0.4P0.3P0.2P0.1P0.0R11K12P2.0 3P2.1 4P2.2 5P2.3 67891011121314U1+V12/8CSA0R/CCEV+REFOUTAGNDRE
11、F INV-BIPOFF10V IN20V INSTSDB1 1DB1 0DB9DB8DB7DB6DB5DB4DB3DB2DB1DB0DGNDAD5742827262524232221201918171615P0.7P0.6P0.5P0.4P0.3P0.2P0.1P0.0R4100KR3100R2100KSIGNAL-12VAD574图 6 A/D 转换电路4/11TitleSizeNumber12345D/A 转换电路采用 12 位缓冲电压串行输出的 DAC7513 芯片，该芯片功耗低，D内含精密输出放大器，使轨对轨输出成为可能，它采用三线串行接口，操作时时钟频率高达 30Hz,基准电压来自
12、外部，最大值为电源电压，输出具有非常宽的动态 X 围。该转换电路的电路图如图 7 所示，1、2 脚相连输出信号；3 脚接基准电源5V，4 脚接电源，5 脚接地，3 脚，4 脚分别与地之间接电感，电容虑除纹波；6脚、7 脚、8 脚与单片机相连，由单片机输给信号。其功能是把单片机输出的控制电流输出数值的信号通过放大电路放大传输到电流源。VCCJ14321J2321P3.2P3.1P3.0VCC4OUTGNDVCCVrefOUT12Vref3U1VoutVfbVrefVdDAC75 13SYNCSCLKDinGND87652U2A1P3.2P3.1P3.0C74LS0 4C110uFBC210uF图
13、 7 D/A 转换电路5、键盘与显示模块A键盘和显示电路采用芯片 8279，可以实现对键盘和显示器的自动扫描，识Title别闭合键的键号，完成显示器动态显示，可以节省处理键盘和显示器的时间，提高工作效率。本系统设置了一个 8279 的接口电路，供用户扩展键盘和显示器所1SizeBDate:File:5Num29-NoC:Do用。8279 与单片机的许多信号是兼容的，可直接连接，十分方便。234三、主要软件流程图三、主要软件流程图1、主程序流程图如图 8 所示，主要包括 AD 转换子程序，AD 转换处理子程序，调整 DA 输出，键盘处理子程序等。2、外部中断 0 中断程序（键盘按键中断）流程图如
14、图 9 所示。3、定时器/计数器 1 中断程序（显示中断）流程图如图10 所示。当定时器/计数器 1 计数满时溢出进入中断，在中断程序中对一个存放中断次数的寄存器加一，并判断寄存器的数值，是否到 100 次，不到 100 次不置标志位。5/11有按键？AD 转换结果处理Y开启所有中断键盘处理开始单片机初始化8279 初始化50ms 到?N1s 到否？Y加秒计数器AD 转换N5 秒否？调整 DA 输出调整延时单元DA 输出送数据8279 显示N图 8主程序流程图定时/计数置有键输现场恢复置有键输入标志现场保护外部中断 0 入口现场保护赋值时间常数100 次否？YN置显示标志位现场恢复中断返回中断
15、返回图 9外部中断 0 中断程序流程图图 10定时器/计数器 1 中断程序（显示中断）流程图6/11四、系统测试四、系统测试1、测试仪器与设备基本仪器清单如表 1 所示。表 1基本仪器清单仪器名称岩崎台式模拟示波器双通道数字示波器双通道双指针毫伏表（低频毫伏表）稳压电源直流稳压源型号SS-7802ATDS1002DF2170BWD-5DF17305B3AEDM-3155AVc9806+指标20Hz60MHZ100KHz100KHz3%10Hz800kHz10%+5V，+12V，-5V,-12V50Hz15位241位2生产厂家日本岩崎Tektronix 公司XX 中策电子 XX数量111启东市斯
16、迈计算机厂1XX 中策电子 XX111台式万用表数万用表XX 富贵仪器 ESCORTXX 市胜高电子科技公司2、指标测试在输入交流 200V240V，50HZ；输出直流电压 10V 的条件下，对制作的数控直流电流源进行测试，实验数据如表 2 所示：表 2电流测量值(每个测试点测量 10 次的平均值作为这个点的测量值)序号设定值（A）测量值（A）标准值（A）测量误差（A）12345670.0200.1200.2200.3200.4200.5200.6200.0210.1210.2210.3210.4210.5190.6200.01810.11900.22120.32240.42230.52230
17、.62210.00290.0020-0.0002-0.0014-0.0013-0.0033-0.00217/11891011121314151617181920210.7200.8200.9201.0201.1201.2201.3201.4201.5201.6201.7201.8201.9202.0200.7210.8210.9201.0211.1211.2211.3191.4191.5211.6201.7221.7821.8662.0150.72100.82030.92011.01931.11841.21731.31621.41561.51221.61931.72191.78381.8558
18、2.01360.00000.0007-0.00010.00170.00260.00370.00280.00340.00120.00070.0001-0.00080.01020.0014由上表可以知道，测量值与标准值之间最大的误差在第 15 个点，其值为：3.4mA，小于给定值的 0.1%+3 个字（4.4mA）。故可以满足题目（发挥部分）的第二项要求。在不同电流值，输出直流电压在10V 以内变化时，输出电流变化的绝对值表表 3不同恒流点的输出电流变化（改变负载）格如表 3 所示。序号设定值（A）显示最大值（A）显示最小值（A）123456789100.0200.0800.1000.2000.3
19、000.4000.5000.6000.7000.8000.0200.0810.1010.2000.3000.4010.5000.6000.7000.8010.0200.0800.1000.2000.3000.4010.5000.6000.7000.8008/1111121314151617181920210.9001.0001.1001.2001.3001.4001.5001.6001.7001.8001.9000.9011.0001.1001.2011.3001.4011.5011.6001.7001.9012.0000.9001.0001.1001.2001.3001.4011.5001.
20、5991.6991.9001.999由表 3 可以知道：显示最大值与最小值之差的绝对值为1mA，满足题目的发挥部分（3）的要求。输出纹波是影响系统稳定度的一个重要方面，因此对电流纹波的测量十分必要，本系统得纹波测量值均小于 0.2mA，满足题目要求。3、误差分析造成误差的原因有：（1）运放零点漂移由于运算放大器的零点漂移，温度漂移等带来的误差，可以通过温度补偿措施来解决此误差。（2）采样电阻自热效应引起的误差由于电阻在温度上升时阻值会发生变化，因此会引起温度飘移，给系统带来测量的误差。（3）A/D，D/A 转换误差受 AD 转换器精度及基准源稳定程度的限制，不可避免地带来一定的误差，为了更精确
21、的输出恒流电源，必须选用更多位数的 AD、DA 芯片。（4）因外界突发干扰或仪表显示值等引起的随机误差或粗大误差。（5）纹波对电流输出的影响。采用屏蔽的方法、远离容易产生势骚动或脉冲工作方式的器件、减少 IC 供电电源的纹波等可减少由 IC 外部干扰产生的纹波。对选择低噪声的运放是解决问题的一种方法，但不幸的是大多数产品目录中均未列出噪声指标。根据少数运放的该项指标知道，其低频噪声(0.110Hz)电压的峰-峰值为(0.120V),因9/11此，选择满足 1x10-6 稳定度要求的运放也不是很容易的。另外，在输出接近低频直流时，运放的失调电压和失调电流也是产生低频噪声的源泉，特别是失调电流，在
22、选择运放时亦应注意。消除高频噪声可采用交流负反馈来提高运放的交流放大倍数和拓宽频带，但将造成增益降低。解决的办法是在运放前加一级晶体管或场效应管的差分级，由于分离元件便于精选，故可改变整个比较放大器的噪声指标。五、结论五、结论数控直流电流源可以实现以下功能：1、输出电流 X 围：20mA2000mA；2、具有“+”、“-”步进调整功能，步进 1mA 或 10mA。3、显示输出电流的装置(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；4、改变负载电阻，输出电压在10V 以内变化时，输出电流变化的绝对值输出电流值的 0.1+1 mA；5、纹波电流0.2mA；本设计制作
23、完成了题目要求的基本部分的全部要求和发挥部分的大部分要求，而且部分功能大大高于发挥部分的要求。目前，在电子仪器，设备中经常要用到直流电源，有时要求输出可预置，并当负载在一定 X 围内变化时应具有良好的稳定性，而且精度较高。该设计完全符合了这些要求，如果再经过结构优化，将具有良好的市场前景。10/11参考文献：1全国大学生电子设计设计竞赛组委员会.全国大学生电子设计竞赛训练教程M.电子工业，2005 年2全国大学生电子设计设计竞赛组委员会.全国大学生电子设计竞赛获奖作品汇编（第一届第五届）M.理工大学，2004 年3李银祥.数控电流源R.XX：XX 理工大学测试中心，2001 年4秦迎春.利用
24、AD7542 实现程控电流源J.国外电子元器件，2003，6:32335 X 智杰.AD574 在数据采集中的应用J.国外电子元器件，2003，6:55566房小翠.单片机实用系统设计技术M.：国防工业，1999 年7周庆.高稳定电流比较环节引入的纹波分析J.XX 大学学报，1992，21:79818 X 公志.新型数字直流电源设计J.XX 电子工业学院学报，2004，3(24):19229赵建玉.智能电流源设计J.XX 建材学院学报,1993，3(13):293110俞俊民.自制恒流源J.XX 电力高等专科学校学报，1997，2（6）:131511朱传奇.简易使用的直流电流源J.XX 电力技术，1999，1:757612马云峰.单片机控制的直流电流源设计J.潍坊高等专科学校学报，1999，3：606111/11