數(shù)控直流電流源完整版電路程序

1、題目名稱：數(shù)控直流電流源摘 要： 該數(shù)控直流電流源以精密壓控電流源為核心、用單片機、DAC組成控制電路，引入“S類”反饋控制功率放大電路，實現(xiàn)超精密電流控制、具備精準的擴流能力、低失調、有步進、同時帶有 豐富擴展功能的精密電流源。經(jīng)過ADC采樣，完成輸出電流顯示功能，并使輸出范圍覆蓋02A，是理想的電流源解決方案。關鍵詞： 精密電流源 低失調 S類功率放大器 Abstract: The direct current source of numerical control bases on accurate VCCS, using MCU and DAC as controller kernel

2、, importing circuit of power amplification of type S with feedback control; achieves ultra accurate current control; has low offset and excellent capacity for current enlarging; has step by step motion. At the same time, it provides abundance extended functions. According to the ADC sampling, it car

3、ries out the function of displaying the current output, meanwhile it achieves a range of 0 to 2A. Above all, it is an ideal solution of current source. Keyword: accurate current source , low offset , power amplification of type S目 錄1方案論證與比較31.1 精密壓控電流源方案論證31.2 擴流模塊方案論證31.3 電流檢測方案論證41.4 功率輸出級電源方案論證41

4、.5 其它模塊電源方案論證42 系統(tǒng)設計52.2 單元電路設計62.2.1 壓控電流源單元電路設計6S類功率放大器電路設計（理論推導和證明）72.2.3 數(shù)控電路設計102.2.4 大功率電源模塊113 軟件設計114系統(tǒng)測試1341測試儀器134.2測試方法134.3測試數(shù)據(jù)145 結論15參考文獻：15附錄：16附1：元器件明細表16附2：儀器設備清單16附3：電路圖圖紙16附4：程序清單19附5：使用說明241 方案論證與比較本系統(tǒng)主要由精密的電流源模塊、S類擴流模塊、電流檢測模塊、數(shù)控模塊、以及大功率的電源模塊組成,如圖1所示。圖1 系統(tǒng)模塊圖針對各模塊的功能要求，分別有以下一些不同的

5、設計方案:1.1 精密壓控電流源方案論證 精密壓控電流源是本數(shù)控電流源的關鍵之所在，針對設計要求和使用需求、結合設計思路，精密電流源模塊必須具備以下指標：紋波小于2mA，誤差小于0.1，具有低的輸出失調?；诜€(wěn)定性要求和以上考慮，電流源電路選擇了經(jīng)典的壓控電流源電路，它負責與后級擴流模塊連接，用電壓控制后者，而使用電流反饋，這樣可以保證有足夠高的精度。該部分采用了高性能、低溫漂、低失調的運算放大器OP77和精密元件組成，保證性能指標的良好發(fā)揮。1.2 擴流模塊方案論證 方案一：傳統(tǒng)的擴流方法，采用具有大功率輸出能力的功率放大器，通過引入深度負反饋環(huán)路，使電路接成電壓跟隨的電流放大器，而起到擴流

6、作用。這種方案在電流源領域使用以久，是比較經(jīng)典的接法。但是該接法存在某些缺陷，首先它是作為電流放大電路，不可避免的從前級取出電流，這種誤差在小電流時影響甚微，但是電流一大，擴流電路對前級的影響就不可忽略，這是造成前級壓控電流源誤差的重要原因；另外，擴流電路僅僅是一個0dB電壓增益的放大電路，深度負反饋是減少誤差的方法之一，但不是最好的方案，這種電流放大器在高精度要求的場合還是具有較大誤差的。 方案二：嶄新的S類電流放大器。為克服傳統(tǒng)擴流電路在高精度、高穩(wěn)定性要求下的缺陷，追求一種精度高、穩(wěn)定性好、對前級影響小的擴流電路，受到S類功率放大器的啟發(fā)，本設計率先把S類放大器優(yōu)秀的電壓跟隨原理引入電流

7、源電路之中。該電路具有以下優(yōu)點：一、理想的輸入性能，即整個工作范圍內都有極高的等效輸入阻抗，優(yōu)秀的性能使得前級電路工作于極度輕載的狀態(tài)。實踐和測試都證明，該電路能有效地使前級電流源工作在近乎空載的工作狀態(tài)，保證電路的性能不發(fā)生劣化。二、超高的放大精度，即電流跟隨模塊的輸出值和目標值之間的誤差實測只有<-90dB，這樣，輸出電流就只取決于前級的精度，由電流放大器所引入的誤差降低到可以忽略的程度。事實說明，該電路是很有發(fā)展前景的。 綜合考慮各種因素和基于以上分析，本設計最終選取了方案二1.3 電流檢測方案論證在負載電阻與地之間接一個高精度、低溫漂的1歐康銅電阻作為取樣電阻，用AD轉換器MAX

8、1241測量電阻上的壓降，MAX1241為12位串行A/D，精度優(yōu)于1LSB，基準電壓用2.048V，因此測量分辯率為0.5mA，精度可達1mA以下，可以滿足題目對測量精度的要求。1.4 功率輸出級電源方案論證方案一：使用開關電源。開關電源的優(yōu)點是效率高、體積小，適用于大功率的場合。但是開關電源本身工作于高速開關狀態(tài)，對周邊的電路會產(chǎn)生嚴重的高頻干擾，電源也會有較高的高頻紋波，經(jīng)分析認為其不適合用對精度要求高、穩(wěn)定性好的場合。方案二：使用環(huán)形變壓器形濾波電路。優(yōu)點是結構簡單，用上大電容后，濾波效果明顯，電源紋波小，不會產(chǎn)生高頻干擾。缺點是體積大、重量大。綜合以上兩種方案，我們認為方案二可以提供

9、更高質量電源，有利于制作出高精度、高純度的電流源。而體積、重量對于這種臺式的設備居次要地位。選用方案二。1.5 其它模塊電源方案論證本電流源為數(shù)模結合系統(tǒng)，復雜的工作條件對電源供電的穩(wěn)定性要求很高，電源具體的設計方案有二：方案一：直接使用環(huán)形變壓器為數(shù)模電路同時提供電源，但各自使用獨立的穩(wěn)壓濾波電路供電。這種方案電源設計比較簡單，用獨立的穩(wěn)壓電路能在一定程度上對各個電路提供相對穩(wěn)定的電源，這種設計在負載較輕、輸出波動不太大的電路里是非常實用的。然而，本設計的電流工作范圍較寬，在大電流負載的情況下，電源紋波串擾的影響顯得相當嚴重。此時，數(shù)模共用同一電源將制約系統(tǒng)精度的進一步提高。方案二：為數(shù)字電

10、路和模擬電路各自提供一個獨立的變電、整流和濾波電路，實現(xiàn)數(shù)模電路的供電隔離。因為電流源和功放電路的核心芯片對電源的要求跟數(shù)字電路對電源的要求不同，本設計只需針對電路對電源的特殊使用情況，適當使用濾波電路，便可保證輸出量的可靠、準確和恰到好處。同理，專門為數(shù)字電路供電的電源也可為專門應用而量身訂做，由于電源共用而引入的串擾降低到可以忽略的程度。經(jīng)過對比試驗，發(fā)現(xiàn)方案二能保證DAC等芯片供電的純凈。這種電源的改善，折合到輸出端，而引起的電流源輸出精度提高達一個數(shù)量級之多。實測發(fā)現(xiàn)，受惠于這種電源設計思想，本設計的輸出電流紋波已能降低到2000mA輸出時優(yōu)于0.18mA的優(yōu)秀水準。基于以上原因，本設

11、計最終選擇了方案二作為電路的供電方案。2 系統(tǒng)設計該系統(tǒng)由一個壓控電流源及其擴流電路、數(shù)控電路和電源電路組成。其基本原理如下：1） 由數(shù)控電路用D/A產(chǎn)生一個可控電壓;2） 該可控電壓輸入到壓控電流源上，再經(jīng)S類功放的擴流作用，從而使電流源電路產(chǎn)生一個可控電流。3) 數(shù)控電路每隔一段時間就檢測一次取樣電阻上的電壓，并把電壓值換算在電流值。系統(tǒng)框架圖如圖2所示：圖2 系統(tǒng)框架圖2.2 單元電路設計 壓控電流源單元電路設計圖3 壓控電流源單元電路圖壓控電流源的負反饋放大以一個精密運放OP77構成一個同相放大器，引入深度的電流負反饋，從而穩(wěn)定輸出到負載的電流。運放正常工作于同相放大狀態(tài)時，由運放虛短

12、的原理可知：取樣電阻上的電壓：U20 = Uin所以： I20=U20/R20=U20/R20（1）又因OP77運放的輸入電阻高達200M歐，運放的反相端輸入電流可認為零。所以有IL=Uin / R20（2）只要取樣電阻R20使用高精度，低溫漂電阻。則負載電阻上的電流IL正比于Uin，可以用Uin精確的控制輸出電流了。實際上，因為OP77不是理想運放，同反相輸入腳上有一定的電壓差：UdVosVout /CMRR（3）(其中Vos為輸入失調電壓，CMRR為共模抑制比)因為Vos<10uV , CMRR>140dB, 當Vout10V時，Ud < 11uV 該運放電路是一個極好的

13、電壓跟隨器。因此，只要選用的擴流電路性能比較好，輸出電流的精度完全取決于取樣電阻的精度。2.2.2 S類功率放大器電路設計（理論推導和證明）S類功放電路原理圖如圖4所示，其特點是用電壓控制放大器與電流驅動放大器構成電橋，使電壓控制放大器工作在無負載的狀態(tài)(即輸出電流為零) ，電壓控制放大器工作于一個比較理想的狀態(tài)。，而后級則工作于一個壓跟隨器的狀態(tài)，很容易做到很好的跟隨作用。而對于負載來說，前后級是并聯(lián)輸出的。而負反饋是從負載上引出，引入到前級放大器上，因此，S類功放的質量取決于前級。以下是S類功放電路性能分析和數(shù)據(jù)推導：圖4 S類功率放大器基本電路（1）理想的輸入性能：S類功放電路的核心是一

14、片帶負載能力非常高的電流驅動放大器，它與負載RL之間通過電橋耦合。假設放大器A2的開環(huán)增益（open loop gain）接近無窮大，那么A、B點之間的電位將會相同（極度接近），用公式表示為：I2*R1=I3*R3（4）I0*R2=I4*R4（5）若A2的輸入性能近似于理想運放的性能，即虛斷（輸入阻抗無窮大），則I3=I4，可得：I2=(R2*R3)*I0/(R1*R4) （6）又因為電橋平衡時有：R2*R3 =R1*R4（7）所以I2=I0故此：I1=0 根據(jù)以上推導，說明當S類功放電路正常工作以后，前級電路工作在空載狀態(tài)，負載所需電流完全由后級的電流驅動放大器提供。這樣，電路對前級壓控電流

15、源的負載要求就不至于很高，大大簡化了設計的難度，這也是本電路的特色之所在。（2）超高的放大精度：S類功率放大器的另一個特出優(yōu)點就是電壓跟蹤的高度準確性，現(xiàn)根據(jù)該原理框圖闡述如下：1、設某時刻前級放大器A1輸出一電壓信號，使A點電壓升高，若此時B點電壓沒有升高，A、B兩點之間的誤差信號將作為差動信號輸入到放大器A2的兩輸入端，如果A2的同反相輸入端選擇合適，A2輸出電壓將會升高。因為A端被前級控制電壓不變，A2的輸出將迫使B點電壓盡量接近于A點電壓，同時使負載RL的端電壓跟隨著A點上升，完成了輸出電壓的跟隨功能。綜上所述，只要選擇高輸入性能和強負載能力的后級功放芯片，輸出的變化就完全由前級決定。

16、而前級工作在空載狀態(tài)，其性能完全與負載的變化無關。這樣一來，設計前級時，可以撇開負載能力的考慮而直接使用高精度、低失調的運算放大器；而設計后級時，因為輸出取決于前級，可以不必擔心負載的加入會影響它的工作性能，其選擇范圍變得更寬。S類功放電路的實際電路和參數(shù)選取如下圖：基于S類功放電路的設計原則和以上設計思路，為保證該電路的可靠性和足夠高的性能，該電路的核心芯片A2選用了美國國家半導體公司(NS)出品的高品質功放芯片LM3886，雖然該芯片原先的設計用途是作為音頻放大器之用，但其各種電氣性能非常完美，完全符合本設計的需求，并有足夠的輸出功率，故予以采用。R12和R15電阻較小，作為輸出電流的主要

17、電路，所以選取了低溫漂的康銅絲制作。圖5 S類功放電路原理圖LM3886具有相當優(yōu)秀的性能，以下參數(shù)引用自NS的Datasheet，結合S類功率放大器的特點，用于說明擴流電路選擇LM3886的原因：1、電源抑制比高，故實際電路盡管沒有使用穩(wěn)壓電源，而只用了一級形濾波，但已是輸出紋波優(yōu)于0.2uV。2、共模抑制比高、開環(huán)增益相當高，有近似于理想放大器的特性，輸入性能良好：3、輸入噪音很低，可以忽略功放本身所引入的底噪：4、高輸入阻抗，低輸入電流，有近似虛斷的良好特性： 數(shù)控電路設計數(shù)控電路單片機最小系統(tǒng)、D/A轉換電路，A/D轉換電路、4位LED、按鍵和指示燈組成。為了減小數(shù)電電路的高頻峰值電流

18、對模電電路的干擾，這個模塊內的數(shù)電電路和模電電路之間各自采用獨立的穩(wěn)壓電路供電。實踐證明，這個供電方法可以很大程度降低D/A輸出的紋波電壓。1單片機最小系統(tǒng)采用一片AT89S52構成，其負責對A/D、D/A的控制，以及4位LED的顯示，按鍵響應等工作。 圖6 單片機基本電路2D/A電路以采用MAX531，使用其內部自帶的2.048V基準源。其電路原理圖如圖7所示。D/A轉換的分辨率為：VDVref / (212) = 2048 / 40960.5mV（8）加在1歐的取樣電阻上是，就可以輸出分辨率為0.5mA的電流。A/D電路采用MAX1241，與MAX531使用同一個基準源。因此，A/D的分辨

19、率為0.5mV，當取樣電阻為1歐時，測量電流的分辨率為0.5mA。因為MAX1241的轉換精度很高（達到1LSB），因此，該A/D電路完全可以滿足題目的擴展要求2。圖7 ADC、DAC模塊原理圖 大功率電源模塊對于一個大功率、高精度、低紋波要求的電路來說，高質量的電源對其性能指標影響是非常明顯的。因此，我們必須使用一個低紋波電壓、功率裕量大的電源。為此，我們用一個環(huán)形變壓器整流輸出形RC濾波之后給功率輸出級供電。其它電路模塊則用線性穩(wěn)壓器件（LM317、LM337）穩(wěn)壓后供電。3 軟件設計直流電流源的數(shù)字控制器采用ATMEL公司的AT89S52,因為在程序綜不需要涉及精確實時操作，所以使用C語

20、言進行軟件編寫，這樣可以大大提高程序編寫時的效率。程序設計上使用一個定時器作為系統(tǒng)實時時鐘，周期性的進行LED顯示、按鍵掃描、AD轉換、和顯示內容的切換。而主循環(huán)負責對按鍵進行處理。主程序流程圖如圖8-1，定時中斷程序如圖8-2,按鍵檢測程序如圖8-3.圖8-1 主程序流程圖圖8-2定時中斷子程序圖8-3 按鍵檢測子程序4 系統(tǒng)測試41測試儀器滑動電阻器（100歐、2A）、四位半萬用表（VC9806+）、交流毫伏表（EM2171）4.2測試方法系統(tǒng)測試以滑線電阻器（2A、100歐）為負載，測試分兩個步驟：步驟一：分別令輸出電流為600mA、1400mA、2000mA,保持設定電流不變，改變負載

21、電阻，使輸出電壓在10V以內變化時，用四位半萬用表（VC9806+）測量輸出電流，記錄不同負載時的輸出電流；步驟二：將滑動變阻器滑到一合適阻值，從0mA到2000mA改變設定電流，用兩個萬用表(VC9806+)分別測量流經(jīng)負載的電流值和負載上兩端的電壓值，用毫伏表（EM2171）測量紋波電壓，記錄每個設定值對應的數(shù)據(jù)。4.3測試數(shù)據(jù)（1）步驟一數(shù)據(jù)處理步驟一測得數(shù)據(jù)如下：輸出電壓(V)10.8967.2214.9342.1111.4441.2970.512輸出電流(mA)(設定600mA)600600600600600600600輸出電壓(V)9.86.724.6152.4311.6231.0

22、210.565輸出電流(mA)(設定1400mA)1400140014001400140014001400輸出電壓(V)9.8218.8046.8234.5622.6841.3210.854輸出電流(mA)(設定2000mA)2005200520052005200520052005由測量數(shù)據(jù)可得：改變負載電阻，輸出電壓在10V以內變化時，輸出0-2000mA電流時，電流表示數(shù)穩(wěn)定不變，輸出電流變化的絕對值小于輸出電流值的0.1%+1mA。（2）步驟二數(shù)據(jù)處理步驟二測得數(shù)據(jù)如下：設定電流值(mA)板內采樣電流值(mA)實測電流值(mA)實測電壓值(mv)紋波電壓（mv）折算紋波電流(mA)000

23、10.160.1611150.160.16101010430.160.16100100994310.160.1650049949921140.160.16100099999939600.160.1615001500150251770.160.1620001999200471040.160.16由測量數(shù)據(jù)可得：1） 板內電流測量裝置測量誤差絕對值最大為：0.25%（即0.1%+2個字），測量誤差絕對值<0.1%+3個字;2） 紋波電流為0.16mA，<0.2mA.5 結論本系統(tǒng)較好地完成了基本和發(fā)揮部分的要求。電流源輸出電流范圍12047mA，步進1mA；自制的電流測量裝置，測量誤差

24、的絕對值小于測量值的0.12個字；改變負載使輸出電壓在10V以內變化時，輸出電流穩(wěn)定不變，紋波電流低于0.2mA。參考文獻：1陳偉華主編 . 電磁兼容使用手冊 . 北京 ：機械工業(yè)出版社，20002. 何立民 . 單片機應用技術選編9 . 北京 ：北京航空大學出版社，2004附錄：附1：元器件明細表1、 AT89S52 ×12、 MAX1241 ×13、 MAX531 ×14、 四位LED數(shù)碼管×15、 LM3886 ×16、 OP77 ×17、 NE5532 ×28、 LM337 ×19、 LM317 ×

25、;110、 7805 ×211、 10000uF電容 ×412、 環(huán)形變壓器（120W、雙28V，雙15V） ×113、 康銅電阻絲14、 大功率合金電阻、水泥電阻15、 其它（普通電阻、電容、發(fā)光管等）附2：儀器設備清單1、 萬用表 VC9806+ ×22、 交流毫伏表 EM21713、 滑動變阻器 （100歐 2A） 用作負載電阻附3：電路圖圖紙注：附圖一為控制板原理圖圖紙；附圖二為壓控電流源板原理圖圖紙；附圖一：控制板原理圖附圖二：壓控電流源板板原理圖附4：程序清單本系統(tǒng)所用程序清單如下：/*/壓控電流源/Write by hjj 2005-9-9

26、 16:00/*/#include <reg52.h>#define uchar unsigned char#define uint unsigned int#define Key_add 0x01;#define Key_subb 0x02;#define Key_switch 0x03;#define time1 1200/*管腳定義*sbit ADSCLK=P14;/ 驅動時鐘位sbit ADCS=P15;/片選信號位sbit ADDOUT=P16;/串行數(shù)據(jù)位sbit DADIN=P10;/數(shù)據(jù)輸入線sbit DACLR=P11;/清零位sbit DASCLK=P12;/時

27、鐘線sbit DACS=P13;/片選位sbit LED1=P27;/4位LED位選sbit LED2=P26;sbit LED3=P25;sbit LED4=P24;sbit K1=P20;/按鍵1，2，3sbit K2=P21;sbit K3=P22;sbit L_mod_set=P34;/顯示模式1，2指示燈sbit L_mod_test=P35;sbit L_step1=P33;/步進量指示燈sbit L_step10=P36;sbit L_step100=P37;/*unsigned char code dis12=0XC0,0XF9,0XA4,0XB0,0X99,0X92,0X82

28、,0XF8,0X80,0X90,0x7f; /預置LED段碼unsigned char code dis212=0X40,0X79,0X24,0X30,0X19,0X12,0X02,0X78,0X00,0X10,0x7f; /預置LED段碼，帶小數(shù)點uchar KEY;uint DAout,DA_step,ADin;uint sys_time,dis_time;uint ADC();/AD轉換子程序void DAC(uint datas);/DA轉換子程序void key_scan();/按鍵子程序void t2_int() interrupt 5 using 1/定時器2中斷服務程序stat

29、ic uint dis_buf;static uchar c;TF2=0;sys_time+;c+;c=c%4; /4位LED顯示switch (c) case 0:LED4=1;P0=disdis_buf/1000;LED1=0;break;case 1:LED1=1;P0=dis(dis_buf%1000)/100;LED2=0;break;case 2:LED2=1;P0=dis(dis_buf%100)/10;LED3=0;break;case 3:LED3=1;P0=disdis_buf%10;LED4=0;break;if (sys_time%8=0)key_scan();/整20

30、ms則進行按鍵掃描dis_time+;if (dis_time%2400>=time1)/每隔3秒切換顯示內容dis_buf=DAout>>1;L_mod_test=1;L_mod_set=0;elsedis_buf=ADin>>1;L_mod_test=0;L_mod_set=1;if (sys_time%200=0)ADin=ADC();/每0.5秒進行一次AD轉換void init()TH2=0xF6;TL2=0x3c;RCAP2H=0xf6;RCAP2L=0x3c;SCON=0x50;TMOD=0x21;TH1=254;TL1=254;TR2=1;TR1=

31、1;IE=0xa0;DA_step=20;L_step10=0;L_mod_set=0;dis_time=time1;void main()init();DAC(0);while (1)switch (KEY)/按鍵服務case 1:/按下了“”鍵則DA輸出增加dis_time=time1;KEY=0;DAout=DAout+DA_step;if(DAout>4095)DAout=4095;DAC(DAout);break;case 2: /按下了“”鍵則DA輸出減小dis_time=time1;KEY=0;DAout=DAout-DA_step;if(DAout>4095)DAo

32、ut=0;DAC(DAout);break;case 3: /按下了“步進量切換”鍵則改變每次按下“”、“”鍵時的步進電流KEY=0;if (DA_step=2)DA_step=20;L_step1=1;L_step10=0;L_step100=1;else if (DA_step=20)DA_step=200;L_step1=1;L_step10=1;L_step100=0;else if (DA_step=200)DA_step=2;L_step1=0;L_step10=1;L_step100=1;else DA_step=20;L_step1=1;L_step10=0;L_step100

33、=1;break;void key_scan()static uint t;static bit k11,k12,k21,k22,k31,k32;/檢測是否有按鍵動作（即引腳發(fā)生負跳變）static bit kd1,kd2,kd3;k11=!K1;k21=!K2;k31=!K3;k12=k11;k12&=k11;k22=k21;k22&=k21;k32=k31;k32&=k31;if (k12)KEY=1;kd1=1;kd2=0;kd3=0;t=0;/有則返回相應鍵值else if(k22)KEY=2;kd1=0;kd2=1;kd3=0;t=0;else if(k32)KEY=3;kd1=0;kd2=0;kd3=1;t