數(shù)控直流電流源設(shè)計報告

1、數(shù)控直流電流源一、 設(shè)計任務(wù)和技術(shù)要求1. 設(shè)計一個數(shù)控直流電流源。2. 輸出電流099mA，手動步進(jìn)1mA增、減可調(diào)，誤差不大于0.01mA。3. 具有輸出電流大小的數(shù)碼顯示。4. 負(fù)載供電電壓+12V，負(fù)載等效阻值100。5. 電路應(yīng)具有對負(fù)載驅(qū)動電流較好的線性控制特性。6. 設(shè)計電路工作的直流供電電源電路。二、 系統(tǒng)原理概述本設(shè)計要求設(shè)計出一個數(shù)控的直流電源，并且輸出電流為099mA，可以手動控制增減。在此采用數(shù)模轉(zhuǎn)換的原理，只要產(chǎn)生與099mA電流相對應(yīng)的數(shù)字量（我們?nèi)?shù)字量為099），再使用D/A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為模擬電壓量，最后再用V/I轉(zhuǎn)換器將電壓量轉(zhuǎn)換為與電壓量相對應(yīng)的電流量即可。為

2、控制輸出電流手動步進(jìn)為1mA增、減可調(diào)，我們只要保證數(shù)字量（099）電壓量（09.9V）電流量（099mA）相對應(yīng)，通過控制數(shù)字量手動增減步進(jìn)為1可調(diào)即可。綜上，整個系統(tǒng)的原理框圖如圖一所示：圖一 系統(tǒng)原理框圖電壓電流轉(zhuǎn)換單元手動增減數(shù)字量產(chǎn)生單元D/A轉(zhuǎn)換與精度調(diào)節(jié)單元數(shù)碼顯示單元直流穩(wěn)壓電源電路單元三、 方案論證1. 直流穩(wěn)壓電源電路單元小功率穩(wěn)壓電源由電源變壓器、整流電路、濾波電路和穩(wěn)壓電路四個部分組成。如圖二所示：負(fù)載穩(wěn)壓電路濾波電路整流電路變壓器圖二 穩(wěn)壓電源組成示意圖方案一：輸出可調(diào)的開關(guān)電源開關(guān)電源的功能元件工作在開關(guān)狀態(tài)，因而效率高，輸出功率大；且容易實(shí)現(xiàn)短路保護(hù)與過流保護(hù)，但

3、是電路比較復(fù)雜，設(shè)計繁瑣，在低輸出電壓時開關(guān)頻率低，紋波大，穩(wěn)定度極差，因此在本設(shè)計中不適合此方案。方案二：由固定式三端穩(wěn)壓器組成由固定式三端穩(wěn)壓器（7805、7812、7912）輸出腳V0、輸入腳Vi和接地腳GND組成，它們的輸入端接電容可以進(jìn)一步濾波，輸出端接電容可以改善負(fù)載的瞬間影響，并且此電路也比較穩(wěn)定，實(shí)現(xiàn)簡單。因此在此采用方案二，電路原理圖如圖三所示：圖三 固定三端式直流穩(wěn)壓電源電路2. 手動增減數(shù)字量產(chǎn)生單元方案一：74LS163為可預(yù)置的4位二進(jìn)制同步加法計數(shù)器。采用兩片74LS163運(yùn)用反饋清零或者反饋置數(shù)法構(gòu)成十進(jìn)制計數(shù)器，再將兩片73LS163構(gòu)成2位十進(jìn)制加法計數(shù)器。電

4、路結(jié)構(gòu)較為簡單，實(shí)現(xiàn)方便，電路圖如圖四所示。但由于要求電流值增、減可調(diào)，而此方法只實(shí)現(xiàn)增可調(diào)，減可調(diào)無法實(shí)現(xiàn)，所以不采用此方案。圖四 74LS163數(shù)字量產(chǎn)生電路方案二：74LS192是同步十進(jìn)制可逆計數(shù)器，使用它可以很容易的產(chǎn)生可加可減的十進(jìn)制數(shù)字量。因此此模塊采用兩片74LS192來產(chǎn)生兩位十進(jìn)制數(shù)字量，再通過按鍵控制電路來控制數(shù)字量的加或者減。電路原理圖如圖五所示：圖五 74LS192數(shù)字量產(chǎn)生電路3.數(shù)碼顯示單元CC4513是一種BCD七段顯示譯碼器、驅(qū)動器，它可以把BCD碼直接譯成七段碼，并輸出驅(qū)動七段顯示數(shù)碼管來顯示09十進(jìn)制數(shù)碼。同時具有消隱輸入、鎖存以及試燈功能。由于CC451

5、3輸出七段碼為高電平有效，所以我們必須選用共陰數(shù)碼管，并且數(shù)碼管要采用相應(yīng)的限流措施。這里可以有兩種限流方式：1) 每筆段串電阻限流，如圖六（a）所示，此種方式連接電阻較多，因此較之第二種線路較復(fù)雜，但具有顯示亮度均勻的優(yōu)點(diǎn)。2) 公共端串電阻限流，如圖六（b）所示。此種方式線路連接簡單，但顯示亮度不均勻，顯示不同數(shù)值時亮度會有所變化。因此我們不采用此方式。（a） （b）圖六 限流方式示意圖綜上，采用CC4513的數(shù)碼顯示電路如圖七所示：圖七 數(shù)碼顯示單元電路4.D/A轉(zhuǎn)換單元電路DAC0832是采用先進(jìn)的CMOS/Si-Cr工藝制造而成的雙列直插式電流輸出型八位數(shù)-模轉(zhuǎn)換器。其內(nèi)部電路為R-

6、2R倒T形電阻轉(zhuǎn)換網(wǎng)絡(luò)，在數(shù)字量的作用下，轉(zhuǎn)換網(wǎng)絡(luò)通過對基準(zhǔn)電流的分流作用，轉(zhuǎn)換成對應(yīng)于輸入數(shù)字量的模擬（電流）量輸出，從而完成D/A轉(zhuǎn)換。方案一：使用一片DAC0832對前面數(shù)字量產(chǎn)生電路所產(chǎn)生的8位數(shù)字量進(jìn)行轉(zhuǎn)換，此方案簡單快捷，電路圖如圖八所示。但是由于前面所產(chǎn)生的數(shù)字量為2位十進(jìn)制數(shù)字量（即BCD編碼的8位數(shù)字量），并非是8位二進(jìn)制數(shù)字量，所以經(jīng)由DAC0832轉(zhuǎn)換得到的模擬量并非線性的，會產(chǎn)生跳躍，無法滿足題目的第五點(diǎn)要求：電路應(yīng)具有對負(fù)載驅(qū)動電流較好的線性控制特性。圖八 D/A轉(zhuǎn)換單元電路（單片DAC0832）方案二：采用兩片DAC0832對前面所產(chǎn)生數(shù)字量的高4位和低4位分別轉(zhuǎn)換

7、，然后再經(jīng)由信號放大處理，使用加法器對轉(zhuǎn)換得到的兩個模擬電壓值進(jìn)行相加運(yùn)算，從而得到所要求的電壓值。此種方案在達(dá)到題目的要求的前提下，電路較為簡單，實(shí)現(xiàn)起來也比較容易。因此我們采用此種方案。最終的D/A轉(zhuǎn)換單元電路如圖九所示：圖九 D/A轉(zhuǎn)換單元電路（兩片DAC0832）5.V/I轉(zhuǎn)換器將一個電壓源信號線性地轉(zhuǎn)換為電流源信號，在儀器儀表及自動化系統(tǒng)設(shè)計中經(jīng)常會遇到。有很多技術(shù)資料介紹了各種各樣的電壓電流轉(zhuǎn)換器（V/I轉(zhuǎn)換器），各有特色。對這種電路的基本要求是：1. 輸出電流與輸入電壓成正比；2. 輸出電流為恒流源。即當(dāng)負(fù)載電阻在規(guī)定范圍內(nèi)變化時，輸出電流保持不變，；3. 輸出電流對電源變化、環(huán)

8、境溫度等的變化不敏感。方案一：如圖十（a）所示，運(yùn)放的負(fù)反饋條件成立，故“虛短路”概念成立。同相端電壓：，反相端電壓：，虛短路： ?？梢娯?fù)載電流I與V成正比，且與負(fù)載RL無關(guān)。運(yùn)放我們采用意法半導(dǎo)體公司的TS982，它的輸出電流在100mA200mA之間，完全能夠滿足要求。方案二：如圖十（b）所示，在（a）的基礎(chǔ)上稍加修改，使用三極管S8050進(jìn)行擴(kuò)流，則輸出電流I主要決定于三極管的輸出電流，S8050的輸出電流最大有1.5A，完全滿足使用要求。運(yùn)放考慮到前面D/A轉(zhuǎn)換電路中使用到5個運(yùn)放需用到兩片LM324，而一片有4個，所以前面有多余的運(yùn)放未使用，為節(jié)約成本，這里就可以使用前面LM324上

9、多余運(yùn)放。由于TS982運(yùn)放并不常見，所以在這里我們選用方案二。（a） （b）圖十 V/I轉(zhuǎn)換器四、 參數(shù)計算1. D/A轉(zhuǎn)換單元電路如圖九所示為DAC0832的內(nèi)部電阻，為DAC0832內(nèi)部電阻網(wǎng)絡(luò)的阻值，為電阻與可調(diào)電阻的串聯(lián)阻值，為電阻與可調(diào)電阻的串聯(lián)阻值。，1)取，則計算得所以我們可以取，2)取，則計算得所以我們可以取，3) 運(yùn)算放大器與電阻，組成加法電路，輸出電壓計算公式為：當(dāng)時，有關(guān)系式：所以我們可以取2. V/I轉(zhuǎn)換單元電路如圖十（b）所示運(yùn)放的負(fù)反饋條件成立，故“虛短路”概念成立。同相端電壓：；反相端電壓：；虛短路： ?？梢娯?fù)載電流I與V成正比，且與負(fù)載無關(guān)。我們?nèi)?，所以計算?/p>

10、。五、 元器件清單、調(diào)試用儀器設(shè)備清單元器件清單器件名稱型號數(shù)量備注三端穩(wěn)壓器780517812179121TTL計數(shù)器74LS1922運(yùn)算放大器LM3242DA轉(zhuǎn)換器DAC08322BCD/七段譯碼器CC45132共陰數(shù)碼管/2變壓器5V，20W115V，20W1二極管IN40078三極管S80501自鎖式開關(guān)/1按鍵/2即會自動彈起的電容470uF30.33uF30.1uF3電阻10K350K1700K11002300161K2可調(diào)電阻20K1100K1儀器設(shè)備清單儀器設(shè)備名稱型號數(shù)量數(shù)字示波器1數(shù)字萬用表1毫伏表1六、 附錄總原理圖精品資料網(wǎng)（http:/）成立于2004年，專注于企業(yè)管理培訓(xùn)。提供60萬企業(yè)管理資料下載，詳情查看：http:/map.ht