数控直流恒流源2.docVIP

8.4 二等奖作品（大连海事大学 陈建超 李纬华 刘媛媛） 本文论述了以凌阳16 位单片机为控制核心，实现数控直流电流源功能的方案。设计采用MOSFET 和 精密运算放大器构成恒流源的主体，配以高精度采样电阻及12 位D/A、A/D 转换器，完成了单片机对输 出电流的实时检测和实时控制，实现了10mA～2000mA 范围内步进小于2mA 恒定电流输出的功能，保证 了纹波电流小于0.2mA，具有较高的精度与稳定性。人机接口采用4×4 键盘及LCD 液晶显示器，控制界 面直观、简洁，具有良好的人机交互性能。 8.4.1 方案论证 根据题目要求，下面对整个系统的方案进行论证。 方案一：采用开关电源的恒流源 采用开关电源的恒流源电路如图 8.22 所示。当电源电压降低或负载电阻Rl 降低时，采样电阻RS 上 的电压也将减少，则SG3524 的12、13 管脚输出方波的占空比增大，从而BG1 导通时间变长，使电压U0 回升到原来的稳定值。BG1 关断后，储能元件L1、E2、E3、E4 保证负载上的电压不变。当输入电源电压 增大或负载电阻值增大引起U0 增大时，原理与前类似，电路通过反馈系统使U0 下降到原来的稳定值， 从而达到稳定负载电流Il 的目的。 优点：开关电源的功率器件工作在开关状态，功率损耗小，效率高。与之相配套的散热器体积大大减 小，同时脉冲变压器体积比工频变压器小了很多。因此采用开关电源的恒流源具有效率高、体积小、重量 轻等优点。 缺点：开关电源的控制电路结构复杂，输出纹波较大，在有限的时间内实现比较困难。 方案二： 采用集成稳压器构成的开关恒流源 系统电路构成如图 8.23 所示。MC7805 为三端固定式集成稳压器，调节w R ，可以改变电流的大小，其 输出电流为： L OUT W q I = (U / R ) + I ，式中q I 为MC7805 的静态电流，小于10mA。当w R 较小即输出电流 较大时，可以忽略q I ，当负载电阻L R 变化时，MC7805 改变自身压差来维持通过负载的电流不变。 优点：该方案结构简单，可靠性高 缺点：无法实现数控。 方案三： 单片机控制电流源 该方案恒流源电路由N沟道的MOSFET、高精度运算放大器、采样电阻等组成，其电路原理图如图 8.24 所示。利用功率MOSFET 的恒流特性，再加上电流反馈电路，使得该电路的精度很高。 该电流源电路可以结合单片机构成数控电流源。通过键盘预置电流值，单片机输出相应的数字信号给 D/A 转换器，D/A 转换器输出的模拟信号送到运算放大器，控制主电路电流大小。实际输出的电流再通过 采样电阻采样变成电压信号，A/D 转换后将信号反馈到单片机中。单片机将反馈信号与预置值比较，根据 两者间的差值调整输出信号大小。这样就形成了反馈调节，提高输出电流的精度。本方案可实现题目要求， 当负载在一定范围内变化时具有良好的稳定性，而且精度较高。 基于上述方案比较和题目的要求，采用了方案三。 8.4.2 详细软硬件设计 根据题目要求和上述论证，确定的系统框图如图 8.25。 SPCE061A 单片机 4 × 4键盘 SPLC501液晶 模组 ADS7816 恒流源电路采样电阻 DAC7625P 电流采样 硬件连接图如图 8.26，本系统中SPCE061A 的IOA8~15，IOB12~15 为复用端口。 1、硬件设计 （1）单片机控制电路 本系统采用SPCE061A 单片机作为控制核心。SPCE061A 是16 位单片机，指令周期短，工作速率快， 功耗低，具有丰富的片上资源，集成了可编程音频处理电路，可以在线下载，易于调试。尤其是其语音播 放功能对增加语音报警功能提供了很大的方便。 （2）A/D，D/A 接口设计 根据题目要求，数控直流恒流源的精度为1mA，所以至少需要11 位的A/D 转换器和D/A 转换器。 A/D 转换采用BB 公司的ADS7816 构成的转换电路，如图 8.27。ADS7816 是12 位串行模/数转换器， 采样频率高达200kHz，转换所需时间短，转换精度高。ADS7816 转换器将采样电阻上的电压转换成数字 信号反馈给单片机，单片机将此反馈信号与预置值比较，根据两者间的差值调整输出信号大小。这样就形 成了反馈调节，提高输出电流的精度。同时，A/D 采样回来的电流经过单片机处理传送到LCD，可以显示 当前的实际电流值。 D/A 转换采用12 位DAC7625P 构成的转换电路，如图 8.28。DAC7625P 具有较高的精度。D/A 转换 电路主要负责把单片机输出的控制信号送给高精度运算放大器，控制电流源输出电流大小。 设D/A 转换器的参考电压为REF V ，键盘输入数字量为D，D/A 转换输出的模拟电压 选择参考电压REF V =2.