數(shù)控直流電流源設(shè)計與總結(jié)報告

1、數(shù)控直流電流源設(shè)計與總結(jié)報告 摘要： 本系統(tǒng)以直流電流源為核心，msp430f149單片機(jī)為控制系統(tǒng)，輸出數(shù)字信號，經(jīng)過d/a轉(zhuǎn)換器（tlv5638）輸出模擬量，將實際值輸出到單片機(jī)，由單片機(jī)進(jìn)行比較調(diào)整，控制電流輸出。通過鍵盤來設(shè)置直流電源的輸出電流，設(shè)置步進(jìn)等級可為1ma，并可由1602液晶顯示實際輸出電流值和電流設(shè)定值。由于使用了電流采樣反饋調(diào)整控制技術(shù)，輸出電流誤差范圍5ma，輸出電流可在20ma2000ma范圍內(nèi)任意設(shè)定。實際測試結(jié)果表明，本系統(tǒng)輸出電流穩(wěn)定，不隨負(fù)載和環(huán)境溫度變化，并具有很高的精度，因而可實際應(yīng)用于需要高穩(wěn)定度小功率恒流源的領(lǐng)域。關(guān)鍵詞：恒流源 msp430f149

2、 op07 irf540nabstract: this system to direct current source as the core, msp430f149 microcontroller as control system, digital signal output, through d/a converter (tlv5638) output analog, through the keyboard to set the dc power output current step level, set up to 1 ma, and can be made of 1602 lcd

3、 tube show the actual output current value and current value. the actual test results show that the system output current stability, not with the load and environmental temperature change, and has a high precision, and can be used in need high stability small power constant current source fields. by

4、 sampling will the actual value to the output of microcomputer chip, comparison, adjust the control current output. using the current feedback control technology, adjust the sampling error of plus or minus 5 output current range, the output current ma in 20 ma 2000 ma range set arbitrary, the system

5、 has good reliability, the advantages of high precision.keyword: cconstant current source；msp430f149；op07 ；irf540n目 錄 1方案設(shè)計與論證31.1 整體設(shè)計要求31.2 控制部分方案比較和選擇31.3 恒流源模塊方案比較和選擇32 系統(tǒng)設(shè)計62.1 總體設(shè)計62.2 各單元模塊功能介紹及電路設(shè)計62.2.1 數(shù)據(jù)采集處理模塊62.2.2 恒流源模塊72.2.3 數(shù)模dac模塊82.3 特殊器件的介紹；93 軟件設(shè)計93.1 設(shè)計思路93.2 軟件流程圖104 系統(tǒng)測試114.1 測

6、試方法114.2 測試結(jié)果114.3 結(jié)果分析145 結(jié)論14參考文獻(xiàn)15附錄：15附1：元器件明細(xì)表：15附2：儀器設(shè)備清單15附3：電路圖圖紙16附4：程序清單171方案設(shè)計與論證1.1 整體設(shè)計要求 根據(jù)要求恒流源系統(tǒng)由如下幾部分組成（如圖1所示）：顯示器控制器恒流源負(fù)載電 源鍵盤圖1 要求系統(tǒng)設(shè)計框圖1.2 控制部分方案比較和選擇 對于控制電路部分有以下三種方案來實現(xiàn)： 方案1：采用中小規(guī)模集成電路構(gòu)成的控制電路。 方案2：采用可編程邏輯器件（如fpga,cpld）構(gòu)成控制器。 方案3：采用以單片機(jī)為核心的單片機(jī)構(gòu)成的最小系統(tǒng)。 方案論證方案1的外圍器件多，容易出故障。方案2價格較貴，

7、而方案3有外圍元器件不算多，且價格便宜，容易掌握，可靠性高等優(yōu)點。 方案選擇：基于以上論證，故選方案3，采用msp430f149為核心的控制器。（內(nèi)部有12位的adc，這次可以利用）。1.3 恒流源模塊方案比較和選擇基于msp430單片機(jī)學(xué)習(xí)板上有d/a和a/d等其他電路，電源部分以前就已經(jīng)制作好了，所以本次課題的關(guān)鍵就是恒流源模塊。 以下是恒流源模塊的三種方案： 方案1由三端可調(diào)式集成穩(wěn)壓器構(gòu)成的恒流源（如圖2所示） 以w350為例，其最大輸出電流為3a，輸出電壓u0為1.233v。圖2 系統(tǒng)設(shè)計框圖 當(dāng)可調(diào)穩(wěn)壓器w350調(diào)節(jié)在輸出電壓u0=1.2v時，若r固定不變，則ih不變。因此可獲得恒

8、流源輸出。若r由60w變到6w，則ih為20-2000ma,則滿足發(fā)揮部分的要求。假設(shè)r改為數(shù)控電位器，則輸出電流可以以某一步長進(jìn)行改變。此方案優(yōu)點：結(jié)構(gòu)簡單，外圍器件少，調(diào)試方便，價格便宜。缺點：精密的大功率的數(shù)控電位器難買到。方案2：利用pwm波來控制的恒流源模塊(如圖3所示) 本方案由rf540n功率mosfet，mosfet柵極峰值電流抑制電阻r7,mosfet 柵極偏置電阻r8,電流取樣電阻rs組成。 本方案由于是pwm波來控制的，通過tc4428后，流出的電流也是間斷的pwm波得形式，所以后面必須還要經(jīng)過濾波電路來平滑電流波，這些都增加了電路的復(fù)雜度和難調(diào)試度。圖3 方案2恒流源電

9、路 方案3 ：采用電流串聯(lián)負(fù)反饋機(jī)理構(gòu)成恒流源 (如圖4所示) 本方案由dac、低噪聲誤差放大器、調(diào)整管、負(fù)載電阻rl、取樣電阻rf及精密多圈電位器rp等組成。來自cpu電流控制字?jǐn)?shù)據(jù)加至d/a轉(zhuǎn)換器，轉(zhuǎn)換成電壓信號通過多圈電位器rp加在運放的同向端，由取樣電阻引入的與輸出電流i。成正比的反饋電壓uf加在誤差信號放大器的方向端。由a、vt、rl、rf構(gòu)成典型的電流串聯(lián)負(fù)反饋。 對于電路的基本計算見圖4所示。圖4 方案3恒流源電路因為： (式1.1) 而 (式1.2)根據(jù)理想運放“虛斷”原理，則 (式1.3)于是 （式1.4）由（式1.4）可知，當(dāng)k、rf、uref確定后，輸出電流i0與來自cp

10、u的電流控制字?jǐn)?shù)值成正比。方案論證：由于方案2采用pwm波控制，有控制上的難度?；诜桨?的基本原理，本小組稍作改動制作了兩個版本的電路。兩個電路都經(jīng)過multisim仿真軟件仿真，精度可以達(dá)到擴(kuò)展的要求。但考慮實際板子的效果受很多因素的影響，故決定兩個板子都制作出來，最終經(jīng)過調(diào)試后，擇優(yōu)電路。 方案選定：本系統(tǒng)恒流源部分采用方案3 。 2 系統(tǒng)設(shè)計2.1 總體設(shè)計 總體設(shè)計的方案如下圖5所示：圖5 該系統(tǒng)總體設(shè)計框圖2.2 各單元模塊功能介紹及電路設(shè)計2.2.1 數(shù)據(jù)采集處理模塊在msp430f149中自帶了12-bit adc，在數(shù)據(jù)采集處理的時候采用了。同時又用外部參考電壓。此adc的結(jié)

11、果nadc轉(zhuǎn)換形式如下所示： （1.5）注釋：nadc 為數(shù)字輸出端，最大值為0fffhvr+ 為參考電壓值，采用外部參考電壓，電壓值為2.5vvr 為0； vin 為輸入電壓值；以下是msp430f149電路圖（圖6所示），內(nèi)部有12位的adc： 圖6 msp430f149應(yīng)用電路圖2.2.2 恒流源模塊 圖7中q1和q2的作用為跟隨作用，10uf和0.1uf的電容并聯(lián)，主要是起電源濾波作用；rl為負(fù)載電阻，rs=1w為采樣電阻，；da的輸出端電壓從u1(op07)的正相端輸入，根據(jù)虛短所以v+=v_=da輸出電壓值。 圖8中大概原理和圖1類似，主要區(qū)別是引入了閉環(huán)回路可以更穩(wěn)定的調(diào)節(jié)電流的

12、變化。其中u2起電壓跟隨作用?；诤懔髟捶桨?的兩種原理圖如下圖7和圖8所示： 圖7 恒流源方法1 圖8 恒流源方法22.2.3 數(shù)模dac模塊從采樣電阻那里將電壓值取出，再經(jīng)過d/a轉(zhuǎn)換（如圖9所示），在液晶上顯示。數(shù)模tlv5638是12-bit的集成器件是電阻串結(jié)構(gòu)。輸出電壓為： (式1.6)注釋：code是數(shù)字輸入值，在參考電壓vref時，其變化范圍是0x000h0xfffh ；vref是這個參考電壓值；vout是這個輸出電壓值（滿刻度的值取決于參考電壓）； 圖9 數(shù)模轉(zhuǎn)換tlv56382.3 特殊器件的介紹；場效應(yīng)管irf540n是功率mosfet（如圖所示），其連續(xù)漏電流id的最大

13、值為33 a，導(dǎo)通電阻rds( on) 的最大值為44mw。irf540n 即使在負(fù)載短路時導(dǎo)通，其漏電流大小為18.6 a( 12 v/0.644)，遠(yuǎn)小于id，從而確保其不在過流的情況下工作。sfet 柵極偏置電阻，它可以保證mosfet 輸入端開路時的可靠截止。特別注意：由于irf540n的功率很大，良好的散熱是必須考慮的。所以在使用時，我們加了超大型的散熱片。 圖10 irf540n功率mosfet3 軟件設(shè)計3.1 設(shè)計思路通過msp430f149單片機(jī)自帶的12bit的a/d轉(zhuǎn)換器，將輸入的恒電流值轉(zhuǎn)換為電平量。3.2 軟件流程圖 此系統(tǒng)設(shè)計流程圖如下圖11所示：該程序基于小系統(tǒng)板

14、,小系統(tǒng)板上有顯示、adc轉(zhuǎn)換、鍵盤等電路。學(xué)習(xí)系統(tǒng)板上主控單片機(jī)為msp430f149，軟件流程圖11如下：開始初始化液晶，時鐘，端口，a/d，p1中斷預(yù)設(shè)電流值標(biāo)志flag數(shù)據(jù)送da，并讀回ad數(shù)據(jù) 調(diào)節(jié)各位值液晶顯示為3為1或2時開始圖11主程序流程圖4 系統(tǒng)測試4.1 測試方法步驟1：先上電檢測電路板是否電路正確。電路沒問題后安裝好運放op07cp，檢測運放是否是正常供電。一切正常后，用dc power supply 模擬提供a/d轉(zhuǎn)換的輸入電壓值，檢測u2的輸出電壓。通過該操作，觀測電壓是否起到了跟隨作用。步驟2：改變設(shè)定電流值，觀測實際測量值是否跟隨著變化。能夠跟上變化說明完成了動

15、態(tài)的電流跟隨功能。步驟3：改變設(shè)定值，觀測實測和設(shè)定值之間的誤差，然后分別對a/d和d/a進(jìn)行校正。步驟4：完善程序的穩(wěn)定性，對測試數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。根據(jù)題目各項技術(shù)指標(biāo)要求作了系統(tǒng)全面的測試。通過鍵盤輸入各項參數(shù)，控制輸入的電壓步進(jìn)增減電壓從010v內(nèi)變化。4.2 測試結(jié)果在輸入交流200v240v，50hz；輸出直流電壓10v的條件下，對制作的數(shù)控直流電流源進(jìn)行測試，進(jìn)行了多次測量。實驗數(shù)據(jù)如表1、2、3所示。由表1可得出規(guī)律如圖所示。表格 1 第一次實際測量值2011-6-27 第一次測量值單位:mv rl=10序號da輸出采樣電阻輸出液晶(設(shè)置值）偏差(da與采樣值）121.1720.22

16、00.97225.6724.67251330.1129.13300.98434.6533.54351.11539.1437.85401.29643.742.53451.17748.2547.06501.19852.9151.59551.32957.4956.07601.421062.0960.51651.581166.3564.68701.671270.9469.28751.66表格 2 第一次實際測量值1375.5373.78801.751478.8977.8851.091584.3382.24902.09圖12 基于表一的圖形表格 2 第二次實際測量值2011-6-27 第二次測量值單位:

17、mv rl=10序號da輸出采樣電阻輸出液晶(設(shè)置值）da與-樣值=偏差119.5618.61200.95223.9823.1210.88328.1427.13221.01458.3856.84601.54569.9267.86702.06678.2376.07802.16789.2687.18902.088108.8106.31112.59200.6196.52004.110300.9295.13005.811402.1394.44007.712502.8493.45009.413602590.660011.414803.7785.980017.8151001.6980.6100021表格

18、3 第三次實際測量值2011-6-27 第三次測量值序號da輸出采樣電阻輸出da與-樣值=偏差da119.6719.080.591.63221.320.70.62.6323.923.30.60.2424.123.470.632.62526.7226.020.71.62628.3427.590.752.6673130.290.711.7832.732.060.642.7935.434.680.720.6103635.40.60.961136.9636.20.762.641239.638.720.881.561341.1640.20.962.651443.8142.860.951.61545.41

19、44.440.972.611648.0247.050.97表4 改變負(fù)載輸出采樣值測試采樣值前提：設(shè)定值為400序號采樣值13972396339643965396由表可以知道：顯示最大值與最小值之差的絕對值小于1ma，滿足題目的發(fā)揮部分要求。輸出紋波是影響系統(tǒng)穩(wěn)定度的一個重要方面，因此對電流紋波的測量十分必要，本系統(tǒng)得紋波測量值均小于0.2ma，滿足題目要求。4.3 結(jié)果分析造成誤差的原因有：（1） 自制的康銅絲電阻的阻值不夠精確。（2） 運放零點漂移。由于運算放大器的零點漂移，溫度漂移等帶來的誤差，可以通過溫度補償措施來解決此誤差。（3） 采樣電阻自熱效應(yīng)引起的誤差由于電阻在溫度上升時阻值會

20、發(fā)生變化，因此會引起溫度飄移，給系統(tǒng)帶來測量的誤差。（4） a/d，d/a轉(zhuǎn)換誤差受ad轉(zhuǎn)換器精度及基準(zhǔn)源穩(wěn)定程度的限制，不可避免地帶來一定的誤差，為了更精確的輸出恒流電源，必須選用更多位數(shù)的ad、da芯片。（5） 因外界突發(fā)干擾或儀表顯示值等引起的隨機(jī)誤差或粗大誤差。（6） 紋波對電流輸出的影響。采用屏蔽的方法、遠(yuǎn)離容易產(chǎn)生勢騷動或脈沖工作方式的器件、減少ic供電電源的紋波等可減少由ic外部干擾產(chǎn)生的紋波。對選擇低噪聲的運放是解決問題的一種方法，但不幸的是大多數(shù)產(chǎn)品目錄中均未列出噪聲指標(biāo)。根據(jù)少數(shù)運放的該項指標(biāo)知道，其低頻噪聲(0.110hz)電壓的峰-峰值為(0.120v),因此，選擇滿足

21、1x10-6穩(wěn)定度要求的運放也不是很容易的。另外，在輸出接近低頻直流時，運放的失調(diào)電壓和失調(diào)電流也是產(chǎn)生低頻噪聲的源泉，特別是失調(diào)電流，在選擇運放時亦應(yīng)注意。消除高頻噪聲可采用交流負(fù)反饋來提高運放的交流放大倍數(shù)和拓寬頻帶，但將造成增益降低。解決的辦法是在運放前加一級晶體管或場效應(yīng)管的差分級，由于分離元件便于精選，故可改變整個比較放大器的噪聲指標(biāo)。5 結(jié)論 本系統(tǒng)經(jīng)實踐驗證，性能良好，完成了課題所要求的基本功能。電流輸出范圍為20ma2000ma，輸出電流可以在此范圍內(nèi)任意預(yù)先設(shè)置.設(shè)定電流和測量電流可同時在液晶屏上進(jìn)行實時顯示。輸出負(fù)載變化，當(dāng)輸出電壓在o10v內(nèi)變化時，紋波電流經(jīng)過實際測試，

22、小于輸出電流的01+lma；長時間工作情況下，電流源輸出穩(wěn)定可靠。此外，對于該課題，本小組采用的是msp430f149的學(xué)習(xí)板，通過該課題的訓(xùn)練基本熟悉了編程技術(shù)，對學(xué)習(xí)板上布局的認(rèn)識，對tlv5638的使用。有利于以后課題的開展。 在液晶顯示測量電流值時，電流值還抖動的比較嚴(yán)重。雖然換了很多不懂容值的電容，抖動情況有所改善但沒有根治。課題還可以在這方面嘗試其他方式進(jìn)行完善。 參考文獻(xiàn) 1 陳武凡.小波分析及其在圖像處理中的應(yīng)用.科學(xué)出版社，2002.01.2 高吉祥主編 . 高頻電子線路 . 北京：電子工業(yè)出版社，20033 易波 . 通信原理 . 長沙：國防科技大學(xué)出版社出版，19984

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24、ichard c.dorf.modern conctrol systermm.beijing:science publishing house，2002.13 donald a. neamen. electronic circuit analysis and designm.tsinghua university press and springer verlag.2002.附錄： 附1：元器件明細(xì)表：1、三極管8050和30552、op07cp3、irf540n4、康銅絲自制電阻5、液晶1602附2：儀器設(shè)備清單1、dc power supply 2、數(shù)字萬用表 附3：電路圖圖紙附圖 方法1

25、pcb 附圖 方法2的pcb 附圖 實物圖附4：程序清單/*主函數(shù)*/void main() wdtctl=wdtpw+wdthold; lcd_rw ; init_clock(); /初始化時鐘 init_port(); /初始化端口 init_lcd(); /初始化lcd init_ad(); /初始化ad init_p1_interupt(); _eint(); while(1) if(flag1=0) /顯示提示語 if(flag2=0) init_lcd(); /初始化lcd write_lcd(lcd_data1,16,0x80); flag2=1; else if(flag1=1

26、|flag1=2) /flag1=1為一的時候調(diào)節(jié)十位和各位,flag1=2調(diào)節(jié)百位和千位; if(flag2=1) init_lcd(); write_lcd(lcd_data3,8,0x80); write_command(0x80+12); write_data(m); write_command(0x80+13); write_data(a); flag2=2; write_lcd_in(); else if(flag1=3) /數(shù)據(jù)送da，并讀回ad數(shù)據(jù) if(flag2=2) p5dir=0xff; init_da(); write_da_data(0xd002); /設(shè)置da為高

27、速模式，用內(nèi)部參考電壓2.048 adc12_buffer0=qian*1000+bai*100+shi*10+ge-7+0xc000+(int)(qian*1000+bai*100+shi*10+ge)*0.03); write_da_data(adc12_buffer0); write_lcd(lcd_data2,8,0xc0); write_command(0xc0+14); write_data(m); write_command(0xc0+15); write_data(a); flag2=3; ad_chuli(); /ad數(shù)據(jù)采集后處理 write_lcd_out(); dela

28、y(255); delay(255); delay(255); void init_clock() /激活高速時鐘 uchar i; bcsctl1&=xt2off; /打開高速時鐘 do ifg1&=ofifg; /激活失敗標(biāo)志位置零 for(i=0;i0;x-) for(y=x;y0;y-) if(adc12_bufferyadc12_buffery-1)/大小排序（從大到?。?buff=adc12_buffery-1; adc12_buffery-1=adc12_buffery; adc12_buffery=(int)(buff); buff=adc12_buffer0; adc12_buffer0=adc12_bufferx; adc12_bufferx=(int)(buff); buff=0; for(x=31;x1;x-) buff=buff+adc12_bufferx-1; average=(int)(buff/30); /* da變換模塊*/void init_da() cs0; din0; sclk0;void w