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文檔簡介

1、幾種簡單的恒流源電路恒流電路應(yīng)用的范圍很廣,下面介紹幾種由常用集成塊組成的恒流電路。1.由7805組成的恒流電路,電路圖如下圖1所示:電流I = Ig + VOUT/R, Ig的電流相對于Io是不能忽略的,且隨Vout, Vin及環(huán)境溫度的變化而變化,所以這個(gè)電路在精度要求有些高的場合不適用。由LM317組成的恒流電路如圖2所示,I = Iadj + Vref/R (Vref =1.25) ,Iadj的輸出電流是微安級的所 以相對于Io可以忽略不計(jì),由此可見其恒流效果較好。由PQ30RV31組成的恒流電路如圖3所示,I = Vref/R(Vref = 1.25),他的恒流會更好,另外他是低壓差

2、穩(wěn) 壓IC。摘要:本文論述了以凌陽16位單片機(jī)為控制核心,實(shí)現(xiàn)數(shù)控直 流電流源功能的方案。設(shè)計(jì)采用MOSFET和精密運(yùn)算放大器構(gòu)成恒 流源的主體,配以高精度采樣電阻及12位D/A、A/D轉(zhuǎn)換器,完成了單片機(jī)對輸出電流 的實(shí)時(shí)檢測和實(shí)時(shí)控制,實(shí)現(xiàn)了 10mA2000mA 范圍內(nèi)步進(jìn)小于2mA恒定電流輸出的功能,保證了紋波電流小于0.2mA,具有較高的精度與穩(wěn)定性。人機(jī)接口采用4X4鍵盤及LCD 液晶顯示器,控制界面直觀、簡潔,具有良好的人機(jī)交互性能。關(guān)鍵字:數(shù)控電流源SPCE061A 模數(shù)轉(zhuǎn)換 數(shù)模轉(zhuǎn)換 采樣電阻一、方案論證根據(jù)題目要求,下面對整個(gè)系統(tǒng)的方案進(jìn)行論證。方案一:采用開關(guān)電源的恒流源

3、采用開關(guān)電源的恒流源電路如圖1.1所示。當(dāng)電源電壓降低或負(fù)載電阻Rl降低時(shí),采樣電阻RS上的電壓也將減少,則SG3524 的12、13管腳輸出方波的占空比增大,從而BG1導(dǎo)通時(shí)間變長,使電壓U0回升到原來的穩(wěn)定值。BG1關(guān)斷后,儲能元件L1、E2、 E3、E4保證負(fù)載上的電壓不變。當(dāng)輸入電源電壓增大或負(fù)載電阻值增大引起U0增大時(shí),原理與前類似,電路通過反饋系統(tǒng)使U0下 降到原來的穩(wěn)定值,從而達(dá)到穩(wěn)定負(fù)載電流Il的目的。43K1RIO 1C5C z 5L00pT1Lf BG1-6277Ll /vvxlOOQu10/L60W- Rl IOOOu世。匚u icooiT0.1/州OP-01-12V+1

4、2V .UrefDI小、ftBRSOiOOCl 0. OluSG3524圖1.1采用開關(guān)電源的恒流源優(yōu)點(diǎn):開關(guān)電源的功率器件工作在開關(guān)狀態(tài),功率損耗小,效率高。與之相配套的散熱器體積大大減小,同時(shí)脈沖變壓器體積 比工頻變壓器小了很多。因此采用開關(guān)電源的恒流源具有效率高、體積小、重量輕等優(yōu)點(diǎn)。缺點(diǎn):開關(guān)電源的控制電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜,輸出紋波較大,在有限的時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)比較困難。方案二:采用集成穩(wěn)壓器構(gòu)成的開關(guān)恒流源系統(tǒng)電路構(gòu)成如圖1.2所示。MC7805為三端固定式集成穩(wěn)壓器,調(diào)節(jié)表中,可以改變電流的大小,其輸出電流為: Surg+L ,式中七為MC7805的靜態(tài)電流,小于10mA。當(dāng)乩較小即輸出電流較大

5、時(shí),可以忽略4,當(dāng)負(fù)載電阻肉變 化時(shí),MC7805改變自身壓差來維持通過負(fù)載的電流不變。R110圖1.2采用集成穩(wěn)壓器件的恒流源電路優(yōu)點(diǎn):該方案結(jié)構(gòu)簡單,可靠性高缺點(diǎn):無法實(shí)現(xiàn)數(shù)控。方案三:單片機(jī)控制電流源該方案恒流源電路由N溝道的MOSFET、高精度運(yùn)算放大器、采樣電阻等組成,其電路原理圖如圖1.3所示。利用功率MOSFET 的恒流特性,再加上電流反饋電路,使得該電路的精度很高。圖1.3 恒流源電路該電流源電路可以結(jié)合單片機(jī)構(gòu)成數(shù)控電流源。通過鍵盤預(yù)置電流值,單片機(jī)輸出相應(yīng)的數(shù)字信號給D/A轉(zhuǎn)換器,D/A轉(zhuǎn)換器 輸出的模擬信號送到運(yùn)算放大器,控制主電路電流大小。實(shí)際輸出的電流再通過采樣電阻采

6、樣變成電壓信號,A/D轉(zhuǎn)換后將信號反 饋到單片機(jī)中。單片機(jī)將反饋信號與預(yù)置值比較,根據(jù)兩者間的差值調(diào)整輸出信號大小。這樣就形成了反饋調(diào)節(jié),提高輸出電流的 精度。本方案可實(shí)現(xiàn)題目要求,當(dāng)負(fù)載在一定范圍內(nèi)變化時(shí)具有良好的穩(wěn)定性,而且精度較高?;谏鲜龇桨副容^和題目的要求,采用了方案三。二、詳細(xì)軟硬件設(shè)計(jì)根據(jù)題目要求和上述論證,確定的系統(tǒng)框圖如圖2.1。圖2.1系統(tǒng)框圖硬件連接圖如圖2.2,本系統(tǒng)中SPCE061A的IOA815,IOB1215為復(fù)用端口。DCLKADS7816 /CSOUTIOAOIOBODBSIOA1IOB1DB9IOA2IOB2DB10IOA3IOB3DB11IOA4IOBS/

7、RESETIOA5IOB9/LDACIOAIOB10R/WIOA7SPCEO61A I0B11% DAC7625PIOB4IQASDBOIOB5IOA9DB1IOB6IOA10DB2IOB7IO AllDB3IOB12IOA12DB4IOB13IOA13DB5IOB14IOA14DB6IOB15IOA15DB7I.OA二 I,OAK 1,0密一3 1,0密 3 IQA11 215 IJOM IQAg I,QE14 IOE3 IIQE12 IOEL餌 AO R/W EP DBO DB1 DB2 DB3 DB4 DB5 DB6 DB7SPLC 501液晶顯示器圖2.2 系統(tǒng)硬件連接圖1、硬件設(shè)計(jì)單

8、片機(jī)控制電路本系統(tǒng)采用SPCE061A單片機(jī)作為控制核心。SPCE061A是16位單片機(jī),指令周期短,工作速率快,功耗低,具有豐富的片上資 源,集成了可編程音頻處理電路,可以在線下載,易于調(diào)試。尤其是其語音播放功能對增加語音報(bào)警功能提供了很大的方便。A/D,D/A 接口設(shè)計(jì)根據(jù)題目要求,數(shù)控直流恒流源的精度為1mA,所以至少需要11位的A/D轉(zhuǎn)換器和D/A轉(zhuǎn)換器。A/D轉(zhuǎn)換采用BB公司的ADS7816構(gòu)成的轉(zhuǎn)換電路,如圖2.3。ADS7816是12位串行模/數(shù)轉(zhuǎn)換器,采樣頻率高達(dá)200kHz,轉(zhuǎn)換 所需時(shí)間短,轉(zhuǎn)換精度高。ADS7816轉(zhuǎn)換器將采樣電阻上的電壓轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號反饋給單片機(jī),單片機(jī)

9、將此反饋信號與預(yù)置值比較, 根據(jù)兩者間的差值調(diào)整輸出信號大小。這樣就形成了反饋調(diào)節(jié),提高輸出電流的精度。同時(shí),A/D采樣回來的電流經(jīng)過單片機(jī)處理 傳送到LCD,可以顯示當(dāng)前的實(shí)際電流值。U2iZ14IQB12 DCLKV+岬IN-VREFOUTC混SD1 Vref6 I0B14J I0E1J豐3C琴 470uFC5C卻1WGNDADSLGU圖2.3 A/D接口電路D/A轉(zhuǎn)換采用12位DAC7625P構(gòu)成的轉(zhuǎn)換電路,如圖2.4。DAC7625P具有較高的精度。D/A轉(zhuǎn)換電路主要負(fù)責(zé)把單片機(jī)輸出的控 制信號送給高精度運(yùn)算放大器,控制電流源輸出電流大小。30 1函】10Ai4VREFLUTEVOUT

10、COUTAVOU7DwGNDNICRESETLDAC福DBOAjOOBIWDB2DBltDBSDB10海DB9DB5D做DB14口 SU327+5V部232410BII4-22)21CapCap20IOEIO血19 圖2.4 D/A接口電路設(shè)D/A轉(zhuǎn)換器的參考電壓為四f,鍵盤輸入數(shù)字量為d,D/A轉(zhuǎn)換輸出的模擬電壓吃財(cái)選擇參考電壓察f =2.5V,采樣電阻乾=1.2207。當(dāng)輸入數(shù)字量加1,模擬增加量-x2500V=4096V=0.61mV則輸出電流變化乩 1.2207Q =0.5mA即D/A轉(zhuǎn)換器數(shù)字輸入量每增加數(shù)值1,恒流源輸出電流增加0.5mA。因此為實(shí)現(xiàn)步進(jìn)功能,每按一次步進(jìn)+鍵,單片

11、機(jī)送給 D/A轉(zhuǎn)換器的輸入數(shù)字量D加2,從而輸出電流加1mA,實(shí)現(xiàn)了電流步進(jìn)1mA的要求。步進(jìn)減1mA同理。當(dāng)鍵盤設(shè)置輸出電流大小 為I時(shí),單片機(jī)送給D/A轉(zhuǎn)換器的數(shù)字量為2XI,使得電流源電路輸出電流為I。然而這只是理想情況,實(shí)際電路由于種種原因, 實(shí)際輸出電流不會完全等于理論計(jì)算值,此時(shí)電流反饋控制起了關(guān)鍵作用。單片機(jī)通過分析A/D轉(zhuǎn)換的數(shù)值,得到電路實(shí)際輸出的 電流大小,對D/A轉(zhuǎn)換器的給定數(shù)字量進(jìn)行調(diào)整,使得輸出電流大小更精確。恒流源電路恒流源電路是系統(tǒng)的重要組成部分,其電路原理圖如圖2.5所示。主要由高精度運(yùn)算放大器,MOSFET,采樣電阻等組成。12V驅(qū)動電阻VAL鼻 Rg 51O

12、P-07C/LTLt|RFP460采樣電阻1.220715V圖2.5恒流源電路根據(jù)運(yùn)放特性可得:MOSFET的電流D/A轉(zhuǎn)換器輸出的控制電壓加在運(yùn)算放大器正輸入端,控制負(fù)載中流過的電流。采樣電阻選用康銅絲,以減少因溫度變化而引起的采樣電阻阻值的變化。采樣電阻將輸出電流轉(zhuǎn)換為電壓信號,供A/D轉(zhuǎn)換用。 設(shè)計(jì)中A/D、D/A轉(zhuǎn)換器的參考電壓都為2.5V,電路中流過的電流最大值為2000mA,因此正常情況下電阻阻值應(yīng)為 2500mV/2000mA=1.25Q??紤]到系統(tǒng)的步進(jìn)功能,當(dāng)D/A轉(zhuǎn)換的數(shù)字輸入加1時(shí),其模擬輸出增加量2500V= 如96 ,與此同時(shí)采樣電阻上的電壓也相應(yīng)增加相同的數(shù)值,令其

13、輸出電流增加0.5mA,則計(jì)算得采樣電阻阻值為:4096 x 0.5mA運(yùn)算放大器的輸出控制著MOSFET的VGS,因此運(yùn)算放大器輸出的穩(wěn)定性將直接決定系統(tǒng)輸出電流的穩(wěn)定性;同時(shí),運(yùn)算放大器 還決定著系統(tǒng)輸出電流的精度。為了滿足系統(tǒng)的精度及紋波要求,選用精密運(yùn)算放大器OP07C。鍵盤及LCD顯示電路系統(tǒng)中采用普通的4X4鍵盤實(shí)現(xiàn)電流的設(shè)計(jì)和調(diào)節(jié)。4X4鍵盤原理圖如圖2.6所示。鍵盤包括下列功能:S1:程序復(fù)位; 、2:液晶復(fù)位;Set:設(shè)定;09預(yù)置輸入;+ :電流上調(diào);-:電流下調(diào);Enter:確認(rèn)。從09預(yù)置鍵中輸入預(yù)置電流值, 確認(rèn)后便可通過液晶顯示出預(yù)置電流值。上調(diào)鍵+和下調(diào)鍵一分別用

14、來控制電流以步進(jìn)1mA增減,電流變化通過液晶顯示出來。/輸入輸出12V驅(qū)動電阻VAL鼻 Rg 51OP-07C/LTLt|RFP460采樣電阻1.220715V圖2.64X4鍵盤原理圖液晶顯示器選用凌陽公司的SPLC501液晶模組,SPLC501是128X64的點(diǎn)陣LCD,其內(nèi)部自帶驅(qū)動電路,外圍電路非常簡單,由 于凌陽公司提供了驅(qū)動程序,使得編程也相當(dāng)簡單。在本設(shè)計(jì)中用它來顯示電流的給定值、實(shí)際測量值以及系統(tǒng)工作狀態(tài)LCD的 接口電路如圖2.7所示。圖2.7 液晶接口電路系統(tǒng)電源由于系統(tǒng)對電流的精度及紋波要求較高,而系統(tǒng)電源的精度及穩(wěn)定度在很大程度上決定了系統(tǒng)的性能,因此系統(tǒng)電源的設(shè)計(jì)是 整

15、個(gè)系統(tǒng)中的重要部分。為了防止恒流源電路中的較大電流對控制部分產(chǎn)生干擾,將控制部分的電源和恒流源電路電源分成獨(dú)立的兩部分,分別由兩組 變壓器供電,電路如圖2.8所示。圖2.8自制電源原理圖ACACD-Cl四網(wǎng)址s1M |U職JLCDGHD06而ACBC4 IVI成MC(HUD控制部分:220V電壓經(jīng)變壓器輸出兩組獨(dú)立的交流10V電源和一個(gè)交流15V電源。其中一路交流10V電源經(jīng)整流、濾波、7805 穩(wěn)壓后輸出+5V電壓,給CPU和LCD供電;第二路交流10V電源經(jīng)整流、濾波、7805穩(wěn)壓后輸出-5V (正端接地)電壓為運(yùn)算放大 器提供負(fù)工作電源。交流15V輸出電壓經(jīng)整流、濾波、7812穩(wěn)壓輸出+

16、 12V電壓,為運(yùn)算放大器提供正工作電源,同時(shí)此+12V電源 經(jīng)過參考電源芯片MC1403,輸 出+2.5V電壓做為A/D,D/A的參考電壓。恒流源電路電源:220V電源經(jīng)變壓器降壓輸出交流19V電壓,再經(jīng)過整流、濾波、78H15穩(wěn)壓后輸出+ 15V電壓,直接作為恒流 源電路電源。軟件設(shè)計(jì)軟件系統(tǒng)的任務(wù)主要有A/D轉(zhuǎn)換、D/A轉(zhuǎn)換、步進(jìn)加減、鍵盤掃描、液晶顯示、語音報(bào)警等功能。為了將所有任務(wù)有序的組織 起來,軟件系統(tǒng)采用前后臺結(jié)構(gòu)。SPCE061A單片機(jī)擁有獨(dú)立的時(shí)基發(fā)生器,無需占用定時(shí)器。系統(tǒng)設(shè)置了一個(gè)1024Hz的時(shí)基中斷,為整個(gè)系統(tǒng)提供一個(gè)統(tǒng)一的 運(yùn)行節(jié)拍,保證了各個(gè)任務(wù)能有條不紊的工作

17、。對時(shí)間沒有實(shí)時(shí)要求的任務(wù)如鍵盤掃描、液晶顯示,放在主循環(huán)中A/D,D/A轉(zhuǎn)換任務(wù)需要定周期運(yùn)行,放在時(shí)基中斷服務(wù)子 程序中運(yùn)行。有效的保證了重要任務(wù)能及時(shí)被執(zhí)行。(1)主程序系統(tǒng)加電后,主程序首先完成系統(tǒng)初始化,其中包括I/O 口,中斷系統(tǒng),定時(shí)器/計(jì)數(shù)器等工作狀態(tài)的設(shè)置,系統(tǒng)變量賦初值 等工作;完成系統(tǒng)初始化后打開中斷;隨之進(jìn)入鍵盤掃描程序。鍵盤掃描獲取鍵值后根據(jù)鍵值,完成設(shè)定預(yù)置電流值,步進(jìn)加減, 并通過LCD顯示輸出電流值及系統(tǒng)是否正常工作信號。主程序流程 圖如圖2.9所示。(2)時(shí)基中斷服務(wù)子程序時(shí)基中斷服務(wù)子程序流程圖如圖2.10所示。在此中斷服務(wù)程序中控制進(jìn)行A/D和D/A轉(zhuǎn)換進(jìn)

18、入中斷控制跳行AZD轉(zhuǎn)換與預(yù)置值t轍,計(jì)算出新的輸出電流值清中斷標(biāo)志中斷返回圖2.10 時(shí)基中斷服務(wù)子程序(3)A/D轉(zhuǎn)換程序A/D轉(zhuǎn)換器ADS7816的接口形式為位串行接口,因此在對ADS7816進(jìn)行操作時(shí)需要考慮到時(shí)序問題,ADS7816的控制流程圖如圖 2.11所示。N是否讀完?是否讀完?圖2.11 A/D轉(zhuǎn)換程序3、系統(tǒng)的保護(hù)及其抗干擾設(shè)計(jì)(1)系統(tǒng)的保護(hù)當(dāng)系統(tǒng)工作不正常導(dǎo)致輸出電流過大時(shí),若無保護(hù)功能,將造成嚴(yán)重后果。因此,在硬件方面,選取帶有過流、過熱、短路保 護(hù)功能的集成線性穩(wěn)壓電路LM78H15K;在軟件方面,當(dāng)鍵盤設(shè)定電流超過2010mA或者A/D轉(zhuǎn)換器 采樣得到的電流值超過

19、2000mA 時(shí),控制系統(tǒng)輸出的控制信號會切換為0,則主電路輸出的電流也相應(yīng)為0,同時(shí)液晶顯示系統(tǒng)工作不正常。這樣系統(tǒng)得到雙重 保護(hù),能確保其工作安全可靠。(2)系統(tǒng)抗干擾設(shè)計(jì)系統(tǒng)工作于較強(qiáng)的電磁輻射環(huán)境中,容易受到各種干擾的影響。輕則使電流輸出不穩(wěn)定,紋波電流增加,嚴(yán)重時(shí)會導(dǎo)致整個(gè)系 統(tǒng)工作不正常。因此,本系統(tǒng)從硬件和軟件兩方面采取抗干擾的措施,以保證系統(tǒng)的可靠運(yùn)行。4、硬件抗干擾設(shè)計(jì)主電路和控制電路的電源由兩個(gè)獨(dú)立的變壓器供電,消除了主電路對控制電路的電源干擾。在220V電源進(jìn)線端設(shè)置電源濾波器,消除電網(wǎng)上的各類高頻干擾,防止電網(wǎng)電壓突變對系統(tǒng)造成沖擊。在運(yùn)算放大器的輸入端加設(shè)濾波電容,對

20、抑制紋波電流起到至關(guān)重要的作用。合理布置接地系統(tǒng)中的數(shù)字地與模擬地,避免了數(shù)字信號對模擬信號的干擾。b、軟件抗干擾設(shè)計(jì)系統(tǒng)中采用看門狗技術(shù),若程序出現(xiàn)死循環(huán)或者跑飛現(xiàn)象,凌陽單片機(jī)內(nèi)部的看門狗將使單片機(jī)復(fù)位,將單片機(jī)重新拉回有序 的工作狀態(tài)。對A/D的轉(zhuǎn)換結(jié)果采用數(shù)字濾波技術(shù),保證控制系統(tǒng)的穩(wěn)定。三、測試說明1、測試儀器本系統(tǒng)的測試儀器見表3.1。表3.1測試儀器序號名稱型號數(shù)量1督位數(shù)字萬用表DT9203A低頻毫伏表滑線變阻器XSD-1BX 7-242、測試電路與測試方法 測試電路如圖3.1。圖3.1 測試電路示意圖測試方法:采用4位數(shù)字萬用表的電流檔測試輸出電流IL,用低頻毫伏表測負(fù)載RL

21、兩端的電壓值VL。負(fù)載采用滑線變阻器。3、測試數(shù)據(jù)及結(jié)果分析輸出電流范圍:10mA2000mA,達(dá)到發(fā)揮部分要求。輸出電流與給定值偏差測試數(shù)據(jù)如表3.2。絕對誤差比較* |ld IL | (mA) -IdXO. l%+3(mA) 4 IdX l% + 10(mA)1020200 600 800 1300 1500 1700 2000IdM表3.2輸出電流與給定值偏差測試數(shù)據(jù)序號123456789給定電流Id(mA)10202006008001300150017002000顯示電流(mA)10201995987971303150217042004輸出電流IL(mA)112119959779713

22、03150217042005|Id-IL|(mA)111233245IdX0.1% + 3(mA)3.013.023.23.63.84.34.54.75IdX1% + 10(mA)10.0110.0212161823252730圖3.2絕對誤差比較圖如圖3.2,實(shí)測絕對誤差曲線在發(fā)揮要求的曲線下方。輸出電流滿足發(fā)揮部分的誤差精度要求。同時(shí),電流值測試結(jié)果分析:小時(shí),輸出電流更接近給定電流。電流值較大時(shí),由于系統(tǒng)散熱性能不夠優(yōu)良導(dǎo)致恒流源電源性能下降,弓I起誤差增大。誤差存在的原因主要是采樣電阻制作誤差,同時(shí)系統(tǒng)工作時(shí)采樣電阻發(fā)熱,阻值變化引起誤差。但總的看來,該電流源有較好的精度特性。步進(jìn)電流

23、設(shè)定電流500mA,測得步進(jìn)電流數(shù)據(jù)如表3.3和表3.4。輸出電流IL(mA)In+1-In(mA)5025045065082225105125142225162表3.3步進(jìn)電流數(shù)據(jù)第n次按“ + ”12345678步進(jìn)電流數(shù)據(jù)二第n次按“-”12345678表3.4輸出電流IL(mA)In+1-In(mA)498496494492490488486484-2-2-2-2-2-2-2測試結(jié)果分析:可實(shí)現(xiàn)步進(jìn)2mA,滿足10mA的基本要求。改變負(fù)載電阻,輸出電壓在10V以內(nèi)變化時(shí),輸出電流值的情況。a、給定電流Id=200mA時(shí),IdX0.1% + 1mA=1.2(mA)IdX1% + 10mA

24、=12(mA)表3.5給定電流200mA時(shí)輸出電流數(shù)據(jù)我OmA時(shí)恒流特性負(fù)載電壓VLW)2二1簫W倬圖3.3200mA恒流特性圖b、給定電流Id=1000mA時(shí),IdX0.1% + 1mA = 2(mA)IdX1% + 10mA=20(mA)表3.6給定電流1000mA時(shí)輸出電流數(shù)據(jù)負(fù)載電壓VL (V)1.332.744.15.656.678.119.63輸出電流 IL(mA)9951006992990990988985|IL-Id|(mA)56810101215lOOOmW恒流特性086420864O999998S8099999999圖3.41000mA恒流特性圖c、給定電流Id=1800m

25、A時(shí),IdX0.1% + 1mA = 2.8(mA)IdX1% + 10mA=28(mA)表3.7 給定電流1800mA時(shí)輸出電流數(shù)據(jù)負(fù)載電壓VL (V)0.942.133.855.116.517.659.1輸出電流 IL(mA)180817951790 1785178517801780llL-Idl(mA)851015152020負(fù)載電壓VL (V)1.312.473.565.16.337.789.57輸出電流 IL(mA)200 201 200 200 199 200 200|IL-Id|(mA)0100110l&CigA時(shí)恒流特性負(fù)載電壓VLW)圖3.51800mA恒流特性圖測試結(jié)果分析:如圖3.5,負(fù)載電壓變化,給定電流在200mA時(shí),滿足發(fā)揮部分要求,恒流特性較理想。給定電流在1000mA及 18

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