畢業(yè)設計（論文）基于AT89C51的數(shù)控直流電流源設計

1、基于at89c51的數(shù)控直流電流源設計摘 要隨著單片機技術的快速發(fā)展，基于單片機的微處器的應用越來越廣泛。at89s52單片機為主控制器，通過鍵盤來設置直流電源的輸出電流，設置步進等級可達1ma，并可由數(shù)碼管顯示實際輸出電流值和電流設定值。本系統(tǒng)由單片機程控輸出數(shù)字信號，經(jīng)過d/a轉換器（ads7841）輸出模擬量，再經(jīng)過運算放大器隔離放大，控制輸出功率管的基極，隨著功率管基極電壓的變化而輸出不同的電流?？刂撇糠诌x用單片機與專用的pwm調制芯片相結合的方式來控制mosfet開關管的導通。其輸出電流的大小通過隔離型電流傳感器轉換成對應的模擬信號。實際測試結果表明，本系統(tǒng)實際應用于需要高穩(wěn)定度小功

2、率恒流源的領域。關鍵詞 壓控直流源，pwm調制芯片，閉環(huán)控制abstractwith the rapid development of single-chip technology, based on the single-chip micro-departments application of more and more widely. at89s52-based single-chip controller, through the keyboard to set the dc power supply output current, set the level of stepping

3、up to 1ma, and the digital display from the actual output current value and current settings. the system consists of single-chip programmable digital signal output through d / a converter (ads7841) analog output, and then zoom through the isolation amplifier to control the output power of the base t

4、ube, with the base of power changes in voltage output different currents. control of some selected single-chip pwm modulation and the exclusive use of a combination of chips to control the mosfet turn-on switch. the size of its output current through the isolation-type current sensor into a correspo

5、nding analog signal. the actual test results indicate that this system applies to the actual needs of low-power high stability constant current source of the field.key words dc voltage source, pwm modulation chips, closed-loop control-i-目 錄摘 要iabstractii目 錄iii1 引 言11.1數(shù)控直流電流源的簡介11.1.1國內外研究現(xiàn)狀11.1.2at

6、89c51單片機簡介11.1.3本文研究的主要內容、目標與方法21.2數(shù)控直流電流源設計方法21.3數(shù)控直流電流源設計流程31.4 本文的目的和意義4數(shù)控直流電流源設計構思52.1數(shù)控直流電流源主要單元器件的選擇52.1.1 開關管的選擇52.1.2 pwm芯片的選擇52.1.3 電流傳感器的選擇62.1.4a/d和d/a芯片的選擇82.1.5 控制器芯片的選擇82.1.6人機界面82.1.7輔助電源選擇93數(shù)控直流電流源的子模塊設計103.1電源輸入emi濾波和主電路前級整流濾波穩(wěn)壓電路設計103.2 pwm調制波與mosfet的驅動電路設計113.3 斬波電路與濾波穩(wěn)流電路設計113.4電

7、流檢測電路設計143.5 單片機最小系統(tǒng)設計153.6 a/d、d/a 的轉換電路設計153.7 鍵盤和顯示電路及輔助電源電路設計173.8 系統(tǒng)誤差分析173.9 系統(tǒng)的熱設計與電磁兼容設計183.10 提高系統(tǒng)精度的技術措施194 數(shù)控直流電流源源碼204.1 a/d采樣程序20結 論29致 謝30參考文獻31附 錄 a1.132-iii-1 引 言1.1數(shù)控直流電流源的簡介1.1.1 國內外研究現(xiàn)狀從上世紀九十年代末起，隨著對系統(tǒng)更高效率和更低功耗的需求，電信與數(shù)據(jù)通訊設備的技術更新推動電源行業(yè)中直流/直流電源轉換器向更高靈活性和智能化方向發(fā)展。在80年代的第一代分布式供電系統(tǒng)開始轉向到

8、20世紀末更為先進的第四代分布式供電結構以及中間母線結構，直流/直流電源行業(yè)正面臨著新的挑戰(zhàn)，即如何在現(xiàn)有系統(tǒng)加入嵌入式電源智能系統(tǒng)和數(shù)字控制。早在90年代中，半導體生產(chǎn)商們就開發(fā)了數(shù)控電源管理技術，而在當時，這種方案的性價比與當時廣泛使用的模擬控制方案相比處于劣勢，因而無法被廣泛采用。隨著電子技術的發(fā)展，數(shù)字電路應用領域的擴展，現(xiàn)今社會，產(chǎn)品智能化、數(shù)字化已成為人們追求的一種趨勢，設備的性能，價格，發(fā)展空間等備受人們的關注，尤其對電子設備的精密度和穩(wěn)定度最為關注。性能好的電子設備，首先離不開穩(wěn)定的電源，電源穩(wěn)定度越高，設備和外圍條件越優(yōu)越，那么設備的壽命更長?；诖?，人們對數(shù)控恒定電流器件的

9、需求越來越迫切，由于板載電源管理的更廣泛應用和行業(yè)能源節(jié)約和運行最優(yōu)化的關注，電源行業(yè)和半導體生產(chǎn)商們便開始共同開發(fā)這種名為“數(shù)控電源”的新產(chǎn)品。當今社會，數(shù)控恒壓技術已經(jīng)很成熟，但是恒流方面特別是數(shù)控恒流的技術才剛剛起步有待發(fā)展，高性能的數(shù)控恒流器件的開發(fā)和應用存在巨大的發(fā)展空間，本文正是應社會發(fā)展的要求，研制出一種高性能的數(shù)控直流電流源。現(xiàn)今隨著直流電源技術的飛躍發(fā)展，整流系統(tǒng)由于以前的分立元件和集成電路控制發(fā)展為微機控制，從而使直流電源智能化，具有遙測、遙信、遙控的三遙功能，基本實現(xiàn)了直流電源的無人值守。1.1.2 at89c51單片機簡介at89c51是一種低功耗、高性能的片內含有4k

10、b的閃存可編程擦除只讀存儲器（fperom-flash programmable and erasable read only memory）的 8位coms單片機，并且與mcs-51引腳和指令系統(tǒng)完全兼容。89c51的i/o口p0,p1,p2和p3除具有mcs-51相同的一些性能和通途外，在fperom編程時，p0口還可以接受代碼字節(jié)，并在程序校驗時輸出代碼字節(jié)，但在程序校驗時需要外接上拉負載電阻。在fperom編程和程序校驗期間，p1口接受地址字節(jié)，p2口接受高位地址位和一些控制信號，p3口也接受一些fperom編程和校驗用的控制信號。此時，ale引腳式編程脈沖輸入端。在fperom編程期

11、間，如果選擇12v編程電壓，則將12v編程電壓加在vpp引腳上。1.1.3本文研究的主要內容、目標與方法直流穩(wěn)壓電源是最常用的儀器設備，在科研及試驗中都是必不可少的。針對以上問題，我們設計了一套以低紋波數(shù)控直流電流源，所有數(shù)字電路選用cmos數(shù)字電路，實現(xiàn)了“+”。“”步進調整功能，降低給定電流與實際電流的偏差。運用合理的電路結構，降低了負載調頻整率；降低由于電源電壓變化對輸出電流所產(chǎn)生的影響。設計通過數(shù)碼顯示電路、直流電流源電路、雙時鐘可預置計數(shù)器步進控制電路、0ma和3000ma上、下限邏輯控制電路。運用雙時鐘可預置數(shù)步進可逆計數(shù)器cd40192的計數(shù)向上和計數(shù)向下功能完成，即加進位、減退

12、位步進調整電流值功能。本數(shù)控直流電流源系統(tǒng)的電源選用cmos數(shù)字電路，實現(xiàn)了“+”，“”步進調整功能，降低給定電流與實際電流的偏差，輸出的電流穩(wěn)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5ma，輸出電流可在20ma2000ma范圍內任意設定，因而可實際應用于需要高穩(wěn)定度小功率恒流源的領域。也適用于各種有較高精度要求的場合。1.2數(shù)控直流電流源設計方法根據(jù)設計要求，系統(tǒng)可分為電流源主電路、控制部分、人機界面（包括鍵盤輸入與顯示）和輔助電源四部分。 根據(jù)開關電源的原理，經(jīng)ac/dc/dc變換過程來實現(xiàn)可調穩(wěn)流的功能，主電路由整流濾波電路、穩(wěn)壓電路、斬波電路和恒流電路構成。閉環(huán)控

13、制系統(tǒng)框圖如圖1.1所示： 圖1.1 基于fpga的可調電流源原理方框圖其工作過程如下：市電經(jīng)隔離變壓器降壓后，通過整流橋整流，電容濾波，變成平穩(wěn)的直流電，完成ac/dc的變換過程；通過由fpga（可編程邏輯器件）產(chǎn)生pwm調制波控制開關管的通斷構成斬波電路，輸出高頻的直流脈沖，經(jīng)儲能電感平波、電容高頻濾波后，輸出可調的直流電；使用hcpl7870光電隔離a/d轉換芯片（轉換精度達15位）對輸出電流進行采集，構成閉環(huán)控制系統(tǒng)。斬波電路前級的穩(wěn)壓電路，使用集成穩(wěn)壓器來降低電網(wǎng)波動對斬波電路的影響。其控制部分選用單片機與專用的pwm調制芯片相結合的方式來控制mosfet開關管的導通。其輸出電流的大

14、小通過隔離型電流傳感器轉換成對應的模擬信號，并將這一模擬量分為兩路：一路直接反饋到pwm集成芯片的反饋輸入端，構成連續(xù)的閉環(huán)控制系統(tǒng)；另一路經(jīng)模/數(shù)轉換芯片變成數(shù)字信號傳送給單片機處理，作為輔助的調節(jié)反饋量，使用軟件算法來修正給定量，減小穩(wěn)態(tài)誤差。組成其原理框圖如圖1.2所示：圖1.2 基于pwm芯片與單片機的可調電流源方框圖1.3數(shù)控直流電流源設計流程由于系統(tǒng)選用的主控制器是單片機，單片機軟件主要包括主程序、a/d采樣子程序（電流采樣）d/a輸出電流給定值及顯示等程序。開始程序初始化是調節(jié)狀態(tài)？允許輸出？關pwm波設定電流調節(jié)顯示電流 n y n y圖 1.3 程序設計流程圖 1.4 本文的

15、目的和意義隨著電子技術、單片機技術的快速發(fā)展，基于單片機的微處器的應用越來越廣泛。數(shù)字電路應用領域的擴展，現(xiàn)今社會，產(chǎn)品智能化、數(shù)字化已成為人們追求的一種趨勢，設備的性能，價格，發(fā)展空間等備受人們的關注，尤其對電子設備的精密度和穩(wěn)定度最為關注。性能好的電子設備，首先離不開穩(wěn)定的電源，電源穩(wěn)定度越高，設備和外圍條件越優(yōu)越，那么設備的壽命更長。基于此，人們對數(shù)控恒定電流器件的需求越來越迫切當今社會，數(shù)控恒壓技術已經(jīng)很成熟，但是恒流方面特別是數(shù)控恒流的技術才剛剛起步有待發(fā)展，高性能的數(shù)控恒流器件的開發(fā)和應用存在巨大的發(fā)展空間。因此通過數(shù)控直流電流源的設計對于廠商乃至我國的數(shù)控直流電流源產(chǎn)業(yè)的發(fā)展有著

16、重要意義。本文正是應社會發(fā)展的要求，研制出一種高性能的數(shù)控直流電流源。本系統(tǒng)以直流電流源為核心，at89s52單片機為主控制器，通過鍵盤來設置直流電源的輸出電流，設置步進等級可達1ma，并可由數(shù)碼管顯示實際輸出電流值和電流設定值。本系統(tǒng)由單片機程控輸出數(shù)字信號，經(jīng)過d/a轉換器（ads7841）輸出模擬量，再經(jīng)過運算放大器隔離放大，控制輸出功率管的基極，隨著功率管基極電壓的變化而輸出不同的電流。單片機系統(tǒng)還兼顧對恒流源進行實時監(jiān)控，輸出電流經(jīng)過電流/電壓轉變后，通過a/d轉換芯片，實時把模擬量轉化為數(shù)據(jù)量，再經(jīng)單片機分析處理， 通過數(shù)據(jù)形式的反饋環(huán)節(jié)，使電流更加穩(wěn)定，這樣構成穩(wěn)定的壓控電流源。

17、實際測試結果表明，本系統(tǒng)實際應用于需要高穩(wěn)定度小功率恒流源的領域。本數(shù)控直流電流源系統(tǒng)輸出電流穩(wěn)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5ma，輸出電流可在20ma2000ma范圍內任意設定，因而可實際應用于需要高穩(wěn)定度小功率恒流源的領域。數(shù)控直流電流源設計構思 2.1數(shù)控直流電流源主要單元器件的選擇2.1.1 開關管的選擇根據(jù)相關技術資料，對比mosfet與igbt兩種開關管。mosfet與igbt性能參數(shù)對比表如表2.1所示：表2.1 mosfet與igbt性能參數(shù)對比性能指標mosfetigbt驅動類型電壓型電壓型驅動功率小較小開關速度快（能達到5mhz）較快（一般

18、在100khz以下）能通過電流較大（一般在100a以下）大（能達到1000a以上）通過壓降小于或等于2v一般大于2v由于設計要求輸出的功率不大（僅20w），主要指標體現(xiàn)在輸出電流的分辨率、測量值的誤差、紋波、穩(wěn)定度等方面。為了獲得很好的濾波效果，希望斬波的頻率越高越好（至少在100kz以上）。對照表1分析，由于mosfet管開關速度快，可作為選擇開關管的對象，經(jīng)查閱p溝道的mosfet irf5210的設計資料，已知其通斷電流為20 a，開關頻率可達1mhz，通態(tài)電阻rds=0.06，能夠滿足設計要求。2.1.2 pwm芯片的選擇pwm芯片根據(jù)其控制方式可分為電壓模式控制和電流模式控制兩種。其

19、功能和驅動能力也隨型號的不同而有所區(qū)別。根據(jù)相關技術資料，對比sg3525、tl494和uc3573三款芯片如下：sg3525具有很高的溫度穩(wěn)定性和較底的躁聲等級，具有欠壓保護和外部封鎖功能，能方便地實現(xiàn)過壓過流保護，能輸出兩路波形一致、相位差為180的pwm信號，結合雙mosfet管斬波電路的獨特設計，能有效地減少輸出電流的紋波。tl494內有兩個誤差信號比較器，能同時實現(xiàn)電壓模式控制和電流模式控制，但在本系統(tǒng)中不能發(fā)恢這一優(yōu)勢，且沒有外部強封鎖端，不便于實現(xiàn)過壓過流保護。uc3573屬于dip8封裝，其pwm占空比可從0100之間調節(jié)，能直接驅動p溝道的mosfet開關管，但在功能上不能直

20、接實現(xiàn)誤差放大和控制，難以滿足系統(tǒng)的設計要求?；谝陨戏治觯x擇sg3525作為斬波電路的pwm調制芯片較為理想。sg3525主要技術指標如表2.2所示：表2.2 sg3525主要技術指標參數(shù)名稱數(shù)值參數(shù)名稱數(shù)值最大電源電壓40v封鎖閥值電壓0.4v啟動電壓8v待機電流14 ma最高工作頻率500khz基準源溫度穩(wěn)定性0.3 mv/誤差放大器的開環(huán)增益75db誤差放大器增益帶寬2mhz放大器輸入失調電壓2ma驅動輸出峰值電流500 ma2.1.3 電流傳感器的選擇輸出電流的檢測主要是為了得到精確的反饋量與準確的顯示值，因此需要靈敏度高、線性度良好、可靠性強的元器件。為了保護系統(tǒng)具有較強的抗干擾

21、性能和較高的可靠性，再此首先考慮使用隔離型電流監(jiān)測方案。方案一：使用電量測量中常用的磁補償式電流傳感器，其內部結構圖如圖2.1所示。根據(jù)安培定律，原邊被測電流i1 n1將產(chǎn)生的磁場b1，它與i2 n2產(chǎn)生的磁場b2進行磁補償后保持磁平衡狀態(tài)，即i1 n1= i2 n2，所以能得到i2= i1 n1 n2。當n1 n2確定后，i2正比于 i1，i2通過rm轉換成電壓信號輸出。該隔離型傳感器與線性光電耦合器一樣具有精度較高、響應快等優(yōu)點，而且無須外接任何元件就能得到準確的檢測信號。但此種器件在ma級小電流檢測時，由于受漏磁等因素的影響，非線性失真明顯，難以保證對ma級小電量的準確測量，而且該類器件

22、的價格比較昂貴。圖2.1 磁補償式電流傳感器方案二：使用線性光電耦合器，采集其電流流經(jīng)取樣電阻兩端的電壓的隔離型電流檢測方案。以線性光電耦合器hcnr200為例來分析其工作原理，其封裝形式內部結構如圖2.2所示。圖2.2 線性光電耦合器封裝形式和內部結構 hcnr200由發(fā)光二極管led、反饋光電二極管pd1、輸出光電二極管pd2組成。當led通過驅動電流if時，發(fā)出紅外光（伺服光通量）。該光分別照射在pd1、 pd2上，反饋光電二極管pd1吸收光通量的一部分，從而產(chǎn)生控制電流ipd1（ipd1=0.005if），該電流用來調節(jié)if，以補償led的非線性。輸出光電二極管pd2產(chǎn)生的輸出電流ip

23、d2與led發(fā)出的伺服光通量成線形比例。令伺服電流增益ki= ipd1if，正向增益k2= ipd2if；則傳輸增益k3= k2ki= ipd2ipd1，k3的典型值為1。由于hcnr200輸出電流ipd2與led發(fā)出的伺服光通量成線性比例，且其非線性度為0.01%，傳輸增益為10015%；溫度增益系數(shù)-6510-6/,帶寬大于1mhz,耐壓為直流1000v。具有精度較高、轉換速度快、穩(wěn)定性好的特點，能達到系統(tǒng)的設計要求。方案比較與選擇：前者電路連接形式簡單，能滿足題中基本部分的要求，但要達到發(fā)揮部分的指標，対后級信號處理的難度非常大；后者在電路結構較為復雜，器件較多，基于對設計功能全面的考慮

24、，選擇了方案二2.1.4 a/d和d/a芯片的選擇根據(jù)設計要求,系統(tǒng)要求輸出的電壓為202000ma，步進為1ma，且要求顯示數(shù)值，因此給定量的執(zhí)行元件數(shù)/模轉換器(即d/a)與檢測量化元件模/數(shù)轉換器(即a/d),至少需要11位的轉換精度。結合系統(tǒng)的設計要求,并考慮到單片機的i/o接口資源緊張等因素。最終確定選用串行數(shù)據(jù)傳送方式的ads7841和dac7512兩款芯片轉換精度均為12位的集成芯片,其量化精度能達到1/40961/2000,完全能達到設計的精度要求。2.1.5 控制器芯片的選擇在本設計中,控制器芯片主要完成與a/d、d/a的數(shù)據(jù)通信及對其數(shù)據(jù)的處理,實現(xiàn)對系統(tǒng)給定量的設定和對輸

25、出量的采樣與顯示。同時,還要求對各種故障信息進行檢測,及時的發(fā)出相應的報警信號。此外,由于本系統(tǒng)屬于強的emi源,因此對主控制器芯片的抗干擾性能和故障處理能力有較高的要求?？刂破餍酒捎胊tmel公司的at89s8252 cmos 8為單片機，at89s8252比普通的51系列單片機具有更強大的功能，其片內含8kb可反復擦寫的flash只讀程序存儲器和256字節(jié)隨機存取數(shù)據(jù)存儲器（ram）;spi串行口用于編程向下裝載;兼容標準mcs-51指令系統(tǒng);片內置通用8位中央處理器和flash存儲單元;有32個外部雙向輸入/輸出(i/o)端口;9個中斷源,內涵倆個外中斷口;3個16位可編程定時器/計數(shù)

26、器;可編程uart串行通信口;spi串行口。at89c51可按照常規(guī)方法進行編程，也可在線編程。其將通用的微處理器和flash存儲器結合在一起，特別是可反復擦寫的flash存儲器可有效的降低開發(fā)成本。因此，選擇atmel公司的at89c51作為控制器芯片。at89c51有pdip、tqfp和plcc三種封裝形式，以適應不同應用系統(tǒng)的需求。2.1.6 人機界面人機界面包括對給定值的輸入、顯示和輸出電流值的實時顯示等。輸入設備采用輕觸接健來實現(xiàn)。對顯示部分有以下兩種方案可供選擇。方案一：采用lcd（液晶）顯示，該方案具有低壓微功耗、平板型結構、顯示的信息量大、無電磁輻射、使用壽命長等優(yōu)點，但本系統(tǒng)

27、要求顯示的數(shù)量小，不能發(fā)揮其顯示內容豐富的優(yōu)點，同時占有i/o口較多，且處在強干擾源中，可靠性較低。方案二：用led(數(shù)碼管)顯示。該方案具有實現(xiàn)容易、發(fā)光亮度大、驅動電路簡單等優(yōu)點，且其可靠性能也優(yōu)于led的顯示?；诳煽啃苑矫娴目紤]，選擇方案二。2.1.7 輔助電源選擇輔助電源主要是為控制部分供電的，由于電流源的主要電路有開關管在工作，嗓聲干擾大，所以為了確?？刂撇糠值姆€(wěn)定性和可靠性，采用與主電路分離的電源電路供應。系統(tǒng)的前級供電方式示意圖如圖2.3所示：單相電源濾波器主電路變壓器整流濾波穩(wěn)壓輸出輔助電源變壓器整流濾波穩(wěn)壓輸出穩(wěn)壓輸出圖2.3 系統(tǒng)前級供電的示意圖3數(shù)控直流電流源的子模塊設

28、計3.1電源輸入emi濾波和主電路前級整流濾波穩(wěn)壓電路設計電源輸入emi濾波電路：為濾除交流電源線上的外來干擾，同時能避免向外界發(fā)出噪聲。在電源的輸入端加了一個型號為sh160-6的單相電源濾波器，其原理為雙向射頻干擾濾波器，根據(jù)產(chǎn)品技術資料，其濾波性能在全頻段都有明顯的效果，特別是在低頻段（10500khz）具有極佳的濾波效果，同時也能抑制電路中的串模、共模干擾。主電路前級整流濾波穩(wěn)壓電路：主電路前級整流穩(wěn)壓電路原理圖如圖3.1所示。根據(jù)題目要求，輸入的電壓范圍在200240v內變化。在電路的設計中，斬波電路的供電電壓由lm7818提供，因此，只要在電壓的變化范圍內能提供給lm7818的正常

29、工作電壓，就不會對輸出有明顯的影響，根據(jù)lm7818的資料手冊，可得其正常工作的輸入電壓范圍為1835v。變壓器次級線圈兩端交流電的有效值u2，經(jīng)全波整流濾波后，能提供給lm7818的電壓為1.2u2，所以變壓器的變比k的范圍為2401.2/35k 2001.2/18即8.2 k13. 3,最后確定k=11,在220v輸入的情況下,lm7818的輸入電壓為24v。圖3.1 主電路前級整流穩(wěn)壓電路原理圖變壓器降壓后得到的交流電電壓經(jīng)全波整流,經(jīng)c3、 c4濾波整流后，經(jīng)三端穩(wěn)壓器lm7818穩(wěn)壓，為后級的斬波電路提供穩(wěn)定的電壓輸入。3.2 pwm調制波與mosfet的驅動電路設計pwm自動調節(jié)是

30、由sg3525芯片實現(xiàn)的，其電原理圖如圖3.2所示。根據(jù)sg3525的技術資料可知，其輸出的頻率由引腳端5外接的電容ct 值和引腳端6外接的電阻rt值所決定，pwm調制波頻率為f=1/(0.7ctrt) (公式3.1) 本設計為了得到更好的輸出電流的質量，將頻率設定在100khz附近，取c5（ct）=3.3nf，w3(rt)為10k的可調精密電位器。在電路中調節(jié)電位器使輸出的頻率在100khz左右。之所以選用100khz，是因為在調試中發(fā)現(xiàn)，頻率太高，會使irf2510的開關損耗增大，容易發(fā)燙，而頻率太低，不利于濾波和恒流。單片機控制dac7512輸出給定信號送至sg3525的第2引腳，檢測電

31、流反饋的信號送入第1引腳，在硬件上直接構成pi閉環(huán)調節(jié)，第10引腳的封鎖端作為輸出過流過壓保護控制端直接由單片機控制。由于sg3525輸出的pwm波是由內部的兩個d觸發(fā)器分頻得到的，從第11引腳和第14引腳輸出的信號在相位上相差180，其占空比小于50%。兩路pwm信號分別經(jīng)三個40106反相器放大后驅動兩個irf5210。圖3.2 pwm調制波與irf5210驅動電原理圖3.3 斬波電路與濾波穩(wěn)流電路設計斬波電路原理框圖如圖3.3所示。其中，irf5210為開關器件；d為續(xù)流二極管；l為儲能電感；rs為采樣電阻，取2。圖3.3 斬波電路原理框圖輸入電壓最大有效值的計算：根據(jù)設計要求，負載允許

32、通過的最大電流為2000ma，輸出電壓最大值為10v，在不考慮儲能電感的直流阻抗和濾波電容的容抗情況下，續(xù)流二極管兩端允許輸出的電壓最大有效值為ud=io.maxrs+uo.max=22+10=14v。穩(wěn)態(tài)電流計算：在圖10中，開關器件irf5210的源漏極電壓usd（t）、電流is（t），續(xù)流二極管d的電流id（t），儲能電感l(wèi)的電流il（t）的波形。對于任意開關周期，假設在t1tt2期間，irf5210導通（導通時間為ton），d截止；在t2tt3期間，d導通，irf5210截止。流過電感的電流為il（t）。il（t）的表達式如下： () (t- )/l+ t1tt2 = （公式3.2）/

33、l+ t2tt3 式中，il（t1）為il（t）在t1時刻的最小值；il（t2）為il（t）在t2時刻的最大值；在穩(wěn)態(tài)下il（t1）、il（t2）由下面的算是確定：=-()/(2lf) （公式3.3）=+()/(2lf) （公式3.4）式中，uo為輸出電壓，io為輸出電流，即il（t）得平均電流，f為開關頻率，則開關周期t=1/f= ton +toff。由此可畫出主電路中各元件中電量的波形。同時，也可明顯地看出，其開關頻率越高，儲能電感的電感越大，其輸出電流越穩(wěn)定，紋波越小。輸出紋波的大小可表示為= ()/(lf) （公式3.5）在uo=uin/2時,輸出紋波有最大值, iw.max= uin

34、 /(4l f) 。根據(jù)題目要求,輸出的紋波要小于0.2 ma,在開關頻率為100khz，輸出電壓為18v，紋波要小于0.2mv,則l必須大于18/(41000.2)=0.225h。由于這個電感值較大,不容易繞制,很難直接通過電感來消除紋波,因此,在設計中采用兩個mosfet開關管irf5210構成斬波電路，以減小電流紋波。3. 對于儲能電感鐵芯的選擇與最小電感量的計算由于開關工作頻率為100 khz，通過查閱手冊，根據(jù)相關鐵磁材料的特性曲線，確定選擇alsi fe磁環(huán)作為電感鐵心，其突出的優(yōu)點是品質因素隨頻率的增大而增大，且溫度系數(shù)小。為使輸出電路中的電流連續(xù)，則儲能電感的電感值必須滿足以下

35、條件：()/(2lf) （公式3.6）式中，uin=18v，f=100khz，io.max=2a，uo在014v范圍內變化。根據(jù)以上數(shù)據(jù)，容易計算出儲能電感的最小值為7.7h。 為了使輸出的電流紋波系數(shù)小，在設計中采用兩個mosfet開關管irf5210構成斬波電路 ，分別由兩路占空比一致、相位差相差180的pwm驅動信號控制，對后級的儲能電感進行充電。由相關資料可知il（t）的波形，當兩路相位差為180、大小相同的電流疊加時，輸出后的紋波系數(shù)將大大減小。 所設計的斬波與濾波穩(wěn)流電路電原理圖如圖3.4所示。續(xù)流二極管選用快速恢復的高頻二極管mbr745，通過反復調試后確定l1、l2的值，在輸出

36、端并聯(lián)一個470f的電解電容儲能，同時并聯(lián)一個高頻電容濾除高頻成分。圖3.4 斬波與濾波穩(wěn)流電路電原理圖3.4電流檢測電路設計電流檢測電路主要有電流/電壓轉換電路(i/v)、隔離型電流檢測電路以及后級的a/d轉換電路組成。電流/電壓轉換電路：根據(jù)歐姆定律,在電路中串聯(lián)一個已知的電阻,測量其兩端的電壓信號,就可以計算其電流值。由于需要采集的電流相對范圍較寬，電阻的熱穩(wěn)定性能要好，所以設計中使用低溫度系數(shù)康銅合金無感電阻串入電路，考慮到散熱等問題，采用多個電阻進行串并的方式接入電路。隔離型電流檢測電路： 隔離型電流檢測電路主要由hcnr200線性光電耦合器、兩片高精度儀器運放op27與其他一些輔助

37、元件組成，其電原理圖如圖3.5 所示。電流信號被采集轉換為電壓信號后，經(jīng)過一個op27和三極管2n3906練級放大后送到hcnr200第2引腳，使其內部的led發(fā)光，該光分別照射在pd1、pd2上，反饋光電二極管pd1吸收光通量的一部分，從而產(chǎn)生控制電流ipd1由hcnr200引腳端3輸出，經(jīng)u5放大后，用來調節(jié)led的電流if以補償led的非線性。輸出光電二極管pd2產(chǎn)生的輸出電流ipd2與led發(fā)出的伺服光通量成形性比例，ipd2由hcnr200引腳端6輸出，經(jīng)u6放大后由op27引腳6輸出電壓信號，送ads7841進行a/d轉換變成數(shù)字信號。通過調節(jié)電位器r23來改變增益，在系統(tǒng)調試中，

38、仔細調節(jié)r23，是電流檢測動態(tài)響應快、穩(wěn)態(tài)誤差最小后，保持電源器的位置不變。 圖3.5 采用線性光電耦合器組成隔離型電流檢測電路原理框圖3.5 單片機最小系統(tǒng)設計單片機最小系統(tǒng)采用at89s82最小系統(tǒng)。at89s82單片機主要完成設定值的按鍵處理、對sg3525給定量的輸出以及對輸出電流值得采集和數(shù)值顯示。為了調試的方便，將單片機的所有引腳接出，其中p0口作為數(shù)碼管的斷碼信號及鍵盤輸入功能復用，p2口作為數(shù)碼管的位碼使用。3.6 a/d、d/a 的轉換電路設計ads7841芯片用于將電流檢測電路輸出的模擬電壓信號轉化成數(shù)字信號，其應用如圖 3.6所示，在電源輸入端并聯(lián)一個0.1f的電容去耦，

39、同時并聯(lián)一個10f的電解電容來提高供電的穩(wěn)定性。ads7841的基準源由ad584可編程輸出提供。ad584芯片能提供2.5v、5.0v、7.5v、10v四種基準源輸出模式。根據(jù)其技術資料，將引腳端1和2短接就能實現(xiàn)5.0v的基準源輸出，并在引腳端6和7之間接一個0.1f的電容，能有效的提高抗干擾性能。圖3.6 ads7841的應用電路dac7512主要完成對sg3525給定量的設定。為了增強其驅動能力，輸出端接一個電壓跟隨器輸出到sg3525的引腳端1。dac7512的基準電壓同樣使用ad584提供。dac7512 d/a轉換的應用電路如圖3.7所示。ads7841和dac7512的基準電壓

40、源電路如圖3.8所示：圖3.7 dac7512的應用電路圖3.8 a/d、d/a的基準電壓源電路3.7 鍵盤和顯示電路及輔助電源電路設計鍵盤和顯示電路主要是為了實現(xiàn)對輸出電流值的任意設定，對給定值和輸出值進行顯示。由于顯示的電流值位數(shù)最多為4位，所以在設計中使用了8個共陽數(shù)碼管，采用動態(tài)掃描的方式實現(xiàn)。為了增強位選先好驅動能力，將位選端口接在9012二極管的基極，使9012工作在開關狀態(tài)，大大提高了數(shù)碼管顯示的亮度。輔助電源部分分控制部分和線性光電傳感器部分。由于這些部分的功耗不大，因此輔助電源均采用三端集成穩(wěn)壓器直接得到各部分所需要的電壓等級。 3.8 系統(tǒng)誤差分析由于系統(tǒng)對測量的精度要求相

41、當高，輸出電流的相對范圍大，因此對各個環(huán)節(jié)性能要求苛刻，特別是對信號傳遞中的非線形失真、噪聲的抑制以及溫漂等指標要嚴格控制，所以在器件選型和總體布局時要仔細考慮。輸出的穩(wěn)態(tài)誤差指標：根據(jù)題意可以算出，設計中基本要求部分允許的輸出最大誤差為max1=（20001+10）/2000=1.5，發(fā)揮部分所允許的輸出最大穩(wěn)態(tài)誤差為max2=（20000.1+1）/2000=0.15?？梢娖鋵Ψ€(wěn)態(tài)誤差的要求較高。根據(jù)控制系統(tǒng)理論對電流源模塊進行建模，其原理可看作一個簡單的閉環(huán)控制系統(tǒng)。其結構圖如圖3.9所示 g(s)h(s) r(s) e(s) i(s) 圖3.9 電流源組成的結構框當輸入一個給定量r(s

42、)通過dac7512加在sg3525的第2引腳時，電流源系統(tǒng)相當于在階躍輸入作用下的響應，則r(s)=r/s，r為給定量的幅值，根據(jù)一階閉環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差計算公式： （公式3.7） 式中，k為開環(huán)增益，v為開環(huán)系統(tǒng)在s平面坐標上極點的重數(shù)。顯然有：當v=0時，穩(wěn)態(tài)誤差為r/(1+k)；當v1時，穩(wěn)態(tài)誤差為0。因此，從理論上看，合適的選取系統(tǒng)各參數(shù)，能消除穩(wěn)態(tài)誤差的存在。給定量的誤差分析：由于主電源是一個閉環(huán)控制系統(tǒng)，因此其穩(wěn)態(tài)誤差理論上可以減少到零。而給定量的誤差將直接影響輸出電流的穩(wěn)態(tài)誤差，這個誤差主要來源于d/a芯片的問的誤差和基準源的誤差。這些器件的誤差的主要來源是溫漂。為了減少其誤差，

43、應盡量將這些器件遠離發(fā)熱量大的開關管和大電容等元器件。輸出顯示的誤差分析：輸出顯示部分的誤差，主要取決于對輸出電流采樣通道的取樣電阻、線性光電傳感器和a/d溫度誤差及其基準源誤差的確定。為了減少這一通道的誤差，使用熱穩(wěn)定性能良好的康銅絲制作取樣電阻，并選取較大的阻值（2），使得在電流較低時也能獲得較大的電壓值。線性光電傳感器的前后級遠算放大器均使用高精度的儀器專用運放（op27）,將a/d芯片遠離發(fā)熱量較大的電流源主電路。3.9 系統(tǒng)的熱設計與電磁兼容設計由于穩(wěn)定電壓管和開關管的發(fā)熱量比較大，而電子元件的性能對溫度比較敏感，因此熱設計的好壞直接關系到系統(tǒng)的可靠性和恒流的準確性。在設計和制作中，

44、對熱設計采取如下幾點措施：（1） 所有穩(wěn)壓管和開關管均加大的散熱片，并盡量放置在pcb板的外圍；（2） 控制部分與發(fā)熱量比較大的電源主電路分開制版；（3） 取樣電阻采用并串的方法，加大散熱的等效表面積，減少取樣誤差。 由于系統(tǒng)的技術指標很高，對電磁兼容的設計，包括系統(tǒng)內部的相互干擾、外界對系統(tǒng)的干擾以及系統(tǒng)對外界的電磁干擾，采取了如下一些有效地措施：（4） 電源輸入端加入專用的單相濾波器，能很好地解決系統(tǒng)與外界電網(wǎng)的相互干擾；（5） 主電路電源與控制部分用不同的變壓器分別供電，且在硬件布局時使用單獨的模塊；（6） 模擬地與數(shù)字地采用單點供地和串電感接地的方式，降低干擾；（7） 所有ic的電源輸

45、入端并聯(lián)一個0.1f的電容去耦；（8） 模塊間連接的信號線使用雙絞線；（9） 單片機采用看門狗監(jiān)視。3.10 提高系統(tǒng)精度的技術措施 根據(jù)設計要求，在分析設計前，計算好每個模塊允許的誤差范圍，采取相應的措施將誤差減小到允許的誤差范圍以內。主體電路設計方面：主電路采用ac/dc/dc/dc的托撲結構，采用層層控制的方來確保精度?？刂撇呗苑矫妫翰捎每煽康挠布]環(huán)反饋控制與軟件修正的算法實現(xiàn)雙回調控。器件選型方面：選用轉換精度達12位的dac7512，確保給定量的精度達到0.5ma；選用非線性度為0.01的線性光耦和12位的ads7841采集輸出的電流，保證系統(tǒng)的自動測量的誤差低于要求的0.15；選

46、用頻帶可達500khz的pwm調制芯片，并將開關頻率設置為100khz，減小輸出級濾波的難度；選用開關頻率可達1mhz的開關管irf5210,導通壓降小。濾波措施方面：獨特的雙開關管斬波電路的設計，使輸出的電流由兩個波形一致、相位相反的疊加而成，有效地降低了輸出電流的紋波系數(shù)。使用較大的電感與高頻電容濾波穩(wěn)流。其他方面：對電磁兼容的全面考慮和技術處理，合理的熱設計。4 數(shù)控直流電流源源碼 單片機的主程序主要包括a/d采樣子程序、d/a輸出（給定電流）子程序、鍵盤顯示程序及過流保護子程序等。a/d采樣子程序主要是采集電路中的電流信號，再通過單片機運算并顯示出當前的電流大小。d/a輸出程序將用戶設

47、定的恒流值轉換為模擬信號，作為pwm控制器的給定信號，pwm控制器再通過硬件實現(xiàn)自動恒流控制。鍵盤與程序用led動態(tài)顯示數(shù)據(jù)信息，在一個主程序周期中掃描檢測一次鍵盤，查看是否有有效的按鍵按下，再根據(jù)按鍵的狀態(tài)作出相應的處理。4.1 a/d采樣程序a/d在檢測電流信號時，使用ads7841的通道0。單片機給ads7841發(fā)出通道選擇信號，然后等待a/d芯片轉換數(shù)據(jù)，最后讀取其轉換數(shù)據(jù)。在軟件中，還采用了濾波子程序，增強了a/d采樣的抗干擾能力。a/d采樣程序流程圖如圖4.1所示：開始初始化ads7841送轉換的通道地址轉換完否？讀a/d轉換數(shù)據(jù)n y返回圖4.1 a/d采樣程序int main(

48、)spinitioa(oxffoo, oxffoo, oxffoo); /設置a口高八位為高電平輸出口 spinitiob(oxfoof, oxffooo, oxfoof); keydowntimes=0;keyflag=nokey;/spint128hz();sacms480initial(auto); /自動方式播放初始化/spint128hz();sacms480play(14,dac1,rampupdnon); /語音: 請輸入指定電流值while(1)/siodata=oxofff;/if(siodata!=siodataa)/ siodac(siodata); /調用sio_dac

49、();system.asm里面/ siodataa=siodata;/fclearwatchdog();fkeyscan();while(keyflag=havekey) keyval=fgetkey(); keyflag=0; switch(keyval) case 0; /錯誤鍵處理 break; case 1: if(keydowntimes4) sacms480play(0,dac1,rampupdnon); /定義語言索引號、播放通,允許音量增/減調節(jié) keycodeledkeydowntime=keyval; / 將鍵值保存到數(shù)據(jù)組中去 keydowntimes+; break; case 2: if(keydowntimes4) sacms480play(1,dac1,rampupdnon);keycodeledkeydowntimes=keyval;keydowntimes+; break;case 3: if(keydowntimes4) sacms480play(2,dac1,rampupdnon); keycodeledkeydowntimes=keyval; keydowntimes+;break;case