1、- 1 -全国大学生电子设计竞赛设计报告编 号： F 甲 1004 题 目： 数控直流电流源 学 校： 山东大学 参赛队员姓名： 杨喜超 ，夏驿杰 ，马云朋 - 2 -目录一.摘要-3Abstract And Keyword-3二.方案选择与论证-42.1 设计要求-2.2 总体设计方案-2.2.1 设计思路-2.2.2 控制模块的模拟电路设计方案确定-2.2.3 软件仿真模拟确定方案-2.2.4 人机界面-2.2.5 声光报警提示-三.系统的具体设计与实现-3.1.系统的硬件设计-3.1.1 电源部分-3.1.2 键盘/显示器接口电路-3.1.3 电压控制电流模块-3.1.4 D/A 和 A
2、/D 模块原理图-3.1.5 声光报警模块-3.2 系统的软件设计-3.2.1 主程序流程图-3.2.2 预设置子菜单程序流程图-3.2.3 显示输入步进子菜单流程图-3.2.4 步进调节输出子菜单流程图-四.系统功能测试及其整体指标-4.1 使用的仪器仪表记录表-4.2.2 步进调整档位测试记录分析-4.2.3，纹波电流的测定记录与分析-4.2.4 测试结果分析-五.结束语-参考文献- 3 -数控直流电流源摘要本系统采用 SPCE061A 16 位单片机作为控制核心的直流源，可以完全按用户要求输出相应电流值的智能数控直流源，其电流输出可以进行按照不同幅度调节。本 设计采用了高共模抑制比低温漂
3、的直流放大器 OP07，因其一般工作在闭环状态只要外接几个电阻即可构成具有深度负反馈的放大器，故可以在反馈性恒流源电路作比较器，使其各项性能指标得到显著提高。我们采用 12 位 D/A转换器 AD767 实现 D/A 转化得到近似线形电压，为 放大器提供基准电压来控制电流放大器产生相应的电流，同时通过 12 位 A/D 转换器 AD574 进行电压采样，利用软件对电流进行闭环调节，以达到获取精确电流的目的。关键词：高共模抑制比集 OP07 闭环调节 AD767 AD574 SPCE061A 数控电流源Abstract:This system is a numerical control dir
4、ect current supply which adopts the SPCE061A, 16_bit MCU, as the control core. Our intelligent works can output the requiring exact current under the users order. Besides, the current output can change in different scales. The operational amplifier OP07 with a high CMRR and a low temperature drift，w
5、hich can make up a deep-feedback amplifier with only several resistances，can be used as the comparator in the current producer in order to optimize our all kinds of guidelines. The MCU provides the 12_bit D/A converter AD767 with digital signals to make the signals converted into exactly linear volt
6、ages, which is used to supply the current module a reference benchmark to produce the direct current. In the mean time, the 12_bit A/D converter AD574 pick up the voltage sample from the circuit, which is used as the measurement value displayed on the LCD screen as well as a reference. Then our soft
7、ware will work as a regulator based on the AD value (a close loop with the DA output) to ensure our works to output the high accurate current. Keywords:- 4 -OP07 with a high CMRR and a low temperature drift, close-loop adjusting, 12_bit D/A converter AD767,12_bit A/D converter AD574, SPCE061A(MCU),n
8、umerical control direct current supply二.方案选择与和论证2.1 设计要求：2.1.1 基本要求 ：（1）输出电流范围：200mA2000mA；（2）可设置并显示输出电流给定值，要求输出电流与给定值偏差的绝对值给定值的 1+10 mA；（3）具有“+” 、 “-”步进调整功能，步进10mA；（4）改变负载电阻，输出电压在 10V 以内变化时，要求输出电流变化的绝对值输出电流值的 1+10 mA； （5）纹波电流2mA；（6）自制电源。2.2.2、发挥部分（1）输出电流范围为 20mA2000mA，步进 1mA；（2）设计、制作测量并显示输出电流的装置 (可
9、同时或交替显示电流的给定值和实测值)，测量误差的绝对值测量值的 0.1+3 个字；（3）改变负载电阻，输出电压在 10V 以内变化时，要求输出电流变化的绝对值输出电流值的 0.1+1 mA；（4）纹波电流0.2mA；（5）其他。2.2 总体设计方案2.2.1 控制核心 MCU 方案 选择我们的控制核心采用SPCE061A单片机SPCE061A是继nSP系列产品SPCE500A等之后凌阳科技推出的又一个16位结构的微控制器。主要性能如下： 16位nSP微处理器； - 5 -工作电压：VDD为2.43.6V(cpu), VDDH为2.45.5V(I/O)； CPU时钟：32768Hz49.152M
10、Hz ； 内置2K字SRAM、内置32K FLASH ； 可编程音频处理； 32位通用可编程输入/输出端口； 32768Hz实时时钟，锁相环PLL振荡器提供系统时钟信号； 2个16位可编程定时器/计数器(可自动预置初始计数值 )； 2个10位DAC(数-模转换)输出通道； 7通道10位电压模-数转换器(ADC)和单通道语音模-数转换器； 声音模-数转换器输入通道内置麦克风放大器自动增益控制(AGC)功能； 系统处于备用状态下(时钟处于停止状态)耗电小于2A3.6V； 14个中断源：定时器A / B，2个外部时钟源输入，时基，键唤醒等； 具备触键唤醒的功能； 使用凌阳音频编码SACM_S240方
11、式(2.4K位/秒) ，能容纳210秒的语音数据； 具有低电压复位(LVR)功能和低电压监测(LVD)功能； 内置在线仿真电路接口ICE（In- Circuit Emulator）； 具有保密能力； 具有WatchDog功能 ；凌阳单片机强大的功能，完全可以满足我们整个系统控制A/D，D/A转换，LCD显示，键盘驱动以及语音功能的要求。凌阳同时支持汇编与C语言，编程方式灵活，C语言用来做主体程序框架，大大减轻编程的负担。需要指出的是，语音功能是凌阳的一大特色，是其他单片机是无法比拟的。2.2.2 设计思路根据题目要求系统可划分为以下几个基础模块，如图：- 6 -凌阳16位单片机D/A 压控电流
12、模块负载A/D电源LCD 显示键盘控制声光报警图 （1）方案选择：1. 电源方案a)单片机以及相关芯片工作电源方案选择单片机需要在+5V 电压工作，我们按照题目要求，制作了电源，采用目前比较流行的稳压管技术，利用 7805，7812，7912，7815，7915 等稳压管，获得+5V， 12V， 15V，完全可以满足单片机以及相应芯片的电压要求。- 7 -b)压控电流源功率电源方案选择由于电流源的最大电流需要达到 2A，估算一下功率要达到 30W 以所以我们选用功率大的变压器（需要改进）2.电流源模块方案选择（） 1)采用稳压管和可调变阻器组成恒流源。稳压管用来提供基准电压，通过人工调节变阻器
13、来获得合适电流。公式为 该方案特点是：结构简单，lwRUI易于实现。但是从公式可以看出，其输出电流与负载有关系，在使用过程中，需要不断调节变阻来获得合适的电流，负载一旦改变，就需要重新进行调节，所以使用起来很不方便。显然，如果想对这种方案进行只能控制只能对电阻进行编程，软件实现起来比较困难。 C1 C2Rw10RVin VoutGNDMC7805+-2） 使用三极管和一些电阻搭建直流电流源，如右图：负载电流为，其中 为稳压管的电压。由公式可知，电流只与eWLRUI7.0w有关，不随负载变化而变化。通过改变电阻 的阻值获得相应的e eR电流，同方案（1）线性改变电流值不容易实现。另外，由于三极管
14、本身的恒流特性容易受到外界因素的影响，比如温度，单独做电流源，不能长期保持稳定工作状态。3) 利用场效应管，构建恒流源。电阻 为电流的主要决定sR因素。 与场效应管构成反馈回路，可以输出比较稳定的电流可以sR根据以下两个公式 和 （sGSIRU2)(|1(ofGSDSUI）可以计算出电流。通过改变 来电为 漏 电 流为 夹 断 电 压 DIGSU sR流，所以不适合用来做数控电流源。QD ReRLRbVCCQRsRLVCC- 8 -4) 使用运放和一些电阻来搭建电流源。集成运放的一些基本运算电路可以产生电流，如图， ，并且可以通过电压 来改变输出电流 ，单片机可以使用0VLIDA 芯片对其进行
15、控制。但是其有一个很大的缺点，能够产生的电流比较小，不能完成题目的大电流的要求。5） 我们考虑到 4）方案在数控方面具有可行性，决定对其电路进行改进。由于运放输出电流比较小，我们需要做的是增大电流输出，在运放输出口串接大功率三极管，对电流进行放大。另外，采用双反馈来屏蔽负载电阻对电流的影响。具体方案如下文论述。2.2.2 控制模块的模拟电路设计方案确定：实用恒流源的设计与计算。我们利用集成运放和三级三极管组成的大功率复合管构成电压控制的恒流源，其中运放 OP07 通过反馈提供基准参考电压，复合管对电流进行放大。本图中采用电阻浮置而负载接地，因 浮置，故需要两个反馈电阻NR和 。常规的反馈 用于
16、电流采样，而 接到 的另一端用于提供基1fR2f nR1fN准电压，若不用 ，则 和 均成为采样电阻， 就要和 有关，不成其2fNx 0IxR为恒流源。由 OP07，T1T2 组成复合管（三个管子的功率依次增大） ， 负反馈电阻1fRA1 RLRfRR1UR1100KRn127kRf1100KRN52K RN6150T1NPNT2NPNT3NPN12345678ICL7650UD1Diode 1N5407D2Diode 1N5407C115uF-12VR2499+V-VINPUT+12VRf2100KRN1R100kC22200u RXRes3- 9 -组成通向放大器，其放大倍数为（1+ /R
17、1） ，电路负载端电压 I* 作为反馈1fRXR信息，通过 发反馈到放大器同向端时输出电流 I 保持恒定， 为标准电阻，2fR N其决定了输出电流的范围，比如 1 时，输出电流在 0-2A。恒流源输出电流 I 原线路参数如下：此电路为同向输入电路，由同向输入运算放大电器的性质可列出下列方程 ， ， （前提条件： ）3NR0IxRN（1）)1()1(220 IRUnxnaN （2）xNxIR0由（1） （2）两式得：（3）)1/(12 NxnaNRUI 其中（4）)1(12na由（3） （4）两式可看出，当 = ， = ，同时 变化范围为 时R2naxRxNR=0。于是 。NUI结论：（1）当
18、= = ； 时，恒流源的输出电流只与 和 有12naxN NU关。（2）当 一定时， 与 成正比NRINU（3）当 一定时，改变 ， 也改变。RI采用类似系列电路时必须（1） 选精密电阻使其偏差应小于 0.01%，才能使得 =0。（2） 为了保证恒流源性能 须是水泥电阻或者经过长期老化的锰铜电阻。N（3） 如果负载 的变化范围大于 时，可在提高级准点压 方面进行考虑。xRRNU（4） 如应用于大电流输出（1-5A）的场合，则三极管应加散热片，保证圈子的热及时扩散以保证电流恒定。我们采用高精度水泥电阻作为采样电阻 ，精密电阻选用金属膜电阻，N- 10 -为了减少误差，我们人工从金属膜电阻中使用
19、4 位半万能表一一检测，以确保电阻的精度减少系统误差。2.2.3 通过软件仿真模拟确定推测的方案的可行性程度；为了确保方案的可行性，我们利用 Multisim 2003 硬件仿真模拟软件对该模块进行仿真，模拟观察该模块的工作情况，经过模拟发现 OP07 集成运放能满足小电阻负载小电流的情况，但是一旦电流输出超出 2A，电流的线性几乎不存在了，显然一路电流不能够满足电流源的要求，于是我们利用简单的电路并联电流相加原理，同时使用两个模块供电，这样每个模块只需要分担一半的工作量，一方面实现了大电流要求，另一方面，避免了单独电路模块不能长时间稳定工作的缺陷，利用 Multisim 仿真后，仿真效果与理
20、论分析符合得很好，我们决定采用这个方案。2.2.4 人机界面：本系统采用 OCMJ4X8C(128*64)图形汉字两用液晶作为主要显示工具。该液晶带有总多控制字，程序开始时，先对液晶初始化，之后，每次先通过控制字制定开始位置，然后写入点阵信息。开机时显示欢迎画面，对用户操作进行提示，人机界面友好，图形美观。2.2.5 声光报警提示：用于提示其是否工作在安全范围内，防止因操作失误引发的消除不掉的外部电流超出正常输出显示输出电流大小而引发外围电路的烧毁，或因电流太小不能正常供电。 （软件上设定输入值范围，超出了则不执行）该电路只采用了555 等常见芯片，一位控制端只占用一位 I/O 口。三.系统的具体设计与实现3.1 系统的硬件设计：3.1.1 电源部分：考虑到若其负载功率大，应采取一定的保护，比如加上保险丝等， 3.1.2 键盘/显示器接口 电路此部分采取常用的 4*4 矩阵键盘模式直接与单片机I/O 相连扫描确定输入信息。LCD 模块采用串行输入，占用三个 I/O 口（） 。Vss VddCSSTDSCLK1234567891011121314151617181920LCD上上上上LCDVDDIOB13IOB14IOB15
