数控直流电流源设计与总结报告.doc

1、数控直流电流源设计与总结报告 摘要： 本系统以直流电流源为核心，MSP430F149单片机为控制系统，输出数字信号，经过D/A转换器（TLV5638）输出模拟量，将实际值输出到单片机，由单片机进行比较调整，控制电流输出。通过键盘来设置直流电源的输出电流，设置步进等级可为1mA，并可由1602液晶显示实际输出电流值和电流设定值。由于使用了电流采样反馈调整控制技术，输出电流误差范围5mA，输出电流可在20mA2000mA范围内任意设定。实际测试结果表明，本系统输出电流稳定，不随负载和环境温度变化，并具有很高的精度，因而可实际应用于需要高稳定度小功率恒流源的领域。关键词：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 录 1方案设计与论证31.1 整体设计要求31.2 控制部分方案比较和选择31.3 恒流源模块方案比较和选择32 系统设计62.1 总体设计62.2 各单元模块功能介绍及电路设计62.2.1 数据采集处理模块62.2.2 恒流源模块72.2.3 数模DAC模块82.3 特殊器件的介绍；93 软件设计93.1 设计思路93.2 软件流程图104 系统测试114.1 测

6、试方法114.2 测试结果114.3 结果分析145 结论14参考文献15附录：15附1：元器件明细表：15附2：仪器设备清单15附3：电路图图纸16附4：程序清单171方案设计与论证1.1 整体设计要求 根据要求恒流源系统由如下几部分组成（如图1所示）：显示器控制器恒流源负载电 源键盘图1 要求系统设计框图1.2 控制部分方案比较和选择 对于控制电路部分有以下三种方案来实现： 方案1：采用中小规模集成电路构成的控制电路。 方案2：采用可编程逻辑器件（如FPGA,CPLD）构成控制器。 方案3：采用以单片机为核心的单片机构成的最小系统。 方案论证方案1的外围器件多，容易出故障。方案2价格较贵，

7、而方案3有外围元器件不算多，且价格便宜，容易掌握，可靠性高等优点。 方案选择：基于以上论证，故选方案3，采用MSP430F149为核心的控制器。（内部有12位的ADC，这次可以利用）。1.3 恒流源模块方案比较和选择基于MSP430单片机学习板上有D/A和A/D等其他电路，电源部分以前就已经制作好了，所以本次课题的关键就是恒流源模块。 以下是恒流源模块的三种方案： 方案1由三端可调式集成稳压器构成的恒流源（如图2所示） 以W350为例，其最大输出电流为3A，输出电压U0为1.233V。图2 系统设计框图 当可调稳压器W350调节在输出电压U0=1.2V时，若R固定不变，则IH不变。因此可获得恒

8、流源输出。若R由60W变到6W，则IH为20-2000mA,则满足发挥部分的要求。假设R改为数控电位器，则输出电流可以以某一步长进行改变。此方案优点：结构简单，外围器件少，调试方便，价格便宜。缺点：精密的大功率的数控电位器难买到。方案2：利用PWM波来控制的恒流源模块(如图3所示) 本方案由RF540N功率MOSFET，MOSFET栅极峰值电流抑制电阻R7,MOSFET 栅极偏置电阻R8,电流取样电阻RS组成。 本方案由于是PWM波来控制的，通过TC4428后，流出的电流也是间断的PWM波得形式，所以后面必须还要经过滤波电路来平滑电流波，这些都增加了电路的复杂度和难调试度。图3 方案2恒流源电

9、路 方案3 ：采用电流串联负反馈机理构成恒流源 (如图4所示) 本方案由DAC、低噪声误差放大器、调整管、负载电阻RL、取样电阻RF及精密多圈电位器RP等组成。来自CPU电流控制字数据加至D/A转换器，转换成电压信号通过多圈电位器RP加在运放的同向端，由取样电阻引入的与输出电流I。成正比的反馈电压UF加在误差信号放大器的方向端。由A、VT、RL、RF构成典型的电流串联负反馈。 对于电路的基本计算见图4所示。图4 方案3恒流源电路因为： (式1.1) 而 (式1.2)根据理想运放“虚断”原理，则 (式1.3)于是 （式1.4）由（式1.4）可知，当K、RF、UREF确定后，输出电流I0与来自CP

10、U的电流控制字数值成正比。方案论证：由于方案2采用PWM波控制，有控制上的难度。基于方案3的基本原理，本小组稍作改动制作了两个版本的电路。两个电路都经过MULTISIM仿真软件仿真，精度可以达到扩展的要求。但考虑实际板子的效果受很多因素的影响，故决定两个板子都制作出来，最终经过调试后，择优电路。 方案选定：本系统恒流源部分采用方案3 。 2 系统设计2.1 总体设计 总体设计的方案如下图5所示：图5 该系统总体设计框图2.2 各单元模块功能介绍及电路设计2.2.1 数据采集处理模块在MSP430F149中自带了12-Bit ADC，在数据采集处理的时候采用了。同时又用外部参考电压。此ADC的结

11、果NADC转换形式如下所示： （1.5）注释：NADC 为数字输出端，最大值为0FFFHVR+ 为参考电压值，采用外部参考电压，电压值为2.5VVR 为0； Vin 为输入电压值；以下是MSP430F149电路图（图6所示），内部有12位的ADC： 图6 MSP430F149应用电路图2.2.2 恒流源模块 图7中Q1和Q2的作用为跟随作用，10uF和0.1uF的电容并联，主要是起电源滤波作用；RL为负载电阻，RS=1W为采样电阻，；DA的输出端电压从U1(OP07)的正相端输入，根据虚短所以V+=V_=DA输出电压值。 图8中大概原理和图1类似，主要区别是引入了闭环回路可以更稳定的调节电流的

12、变化。其中U2起电压跟随作用。基于恒流源方案3的两种原理图如下图7和图8所示： 图7 恒流源方法1 图8 恒流源方法22.2.3 数模DAC模块从采样电阻那里将电压值取出，再经过D/A转换（如图9所示），在液晶上显示。数模TLV5638是12-bit的集成器件是电阻串结构。输出电压为： (式1.6)注释：CODE是数字输入值，在参考电压VREF时，其变化范围是0x000H0XFFFH ；VREF是这个参考电压值；VOUT是这个输出电压值（满刻度的值取决于参考电压）； 图9 数模转换TLV56382.3 特殊器件的介绍；场效应管IRF540N是功率MOSFET（如图所示），其连续漏电流ID的最大

13、值为33 A，导通电阻RDS( ON) 的最大值为44mW。IRF540N 即使在负载短路时导通，其漏电流大小为18.6 A( 12 V/0.644)，远小于ID，从而确保其不在过流的情况下工作。SFET 栅极偏置电阻，它可以保证MOSFET 输入端开路时的可靠截止。特别注意：由于IRF540N的功率很大，良好的散热是必须考虑的。所以在使用时，我们加了超大型的散热片。 图10 IRF540N功率MOSFET3 软件设计3.1 设计思路通过MSP430F149单片机自带的12Bit的A/D转换器，将输入的恒电流值转换为电平量。3.2 软件流程图 此系统设计流程图如下图11所示：该程序基于小系统板

14、,小系统板上有显示、ADC转换、键盘等电路。学习系统板上主控单片机为MSP430F149，软件流程图11如下：开始初始化液晶，时钟，端口，A/D，P1中断预设电流值标志flag数据送DA，并读回AD数据 调节各位值液晶显示为3为1或2时开始图11主程序流程图4 系统测试4.1 测试方法步骤1：先上电检测电路板是否电路正确。电路没问题后安装好运放OP07CP，检测运放是否是正常供电。一切正常后，用DC POWER SUPPLY 模拟提供A/D转换的输入电压值，检测U2的输出电压。通过该操作，观测电压是否起到了跟随作用。步骤2：改变设定电流值，观测实际测量值是否跟随着变化。能够跟上变化说明完成了动

15、态的电流跟随功能。步骤3：改变设定值，观测实测和设定值之间的误差，然后分别对A/D和D/A进行校正。步骤4：完善程序的稳定性，对测试数据进行分析。根据题目各项技术指标要求作了系统全面的测试。通过键盘输入各项参数，控制输入的电压步进增减电压从010V内变化。4.2 测试结果在输入交流200V240V，50HZ；输出直流电压10V的条件下，对制作的数控直流电流源进行测试，进行了多次测量。实验数据如表1、2、3所示。由表1可得出规律如图所示。表格 1 第一次实际测量值2011-6-27 第一次测量值单位:Mv RL=10序号DA输出采样电阻输出液晶(设置值）偏差(DA与采样值）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 第一次实际测量值1375.5373.78801.751478.8977.8851.091584.3382.24902.09图12 基于表一的图形表格 2 第二次实际测量值2011-6-27 第二次测量值单位:

17、mV RL=10序号DA输出采样电阻输出液晶(设置值）DA与-样值=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 第三次实际测量值2011-6-27 第三次测量值序号DA输出采样电阻输出DA与-样值=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 改变负载输出采样值测试采样值前提：设定值为400序号采样值13972396339643965396由表可以知道：显示最大值与最小值之差的绝对值小于1mA，满足题目的发挥部分要求。输出纹波是影响系统稳定度的一个重要方面，因此对电流纹波的测量十分必要，本系统得纹波测量值均小于0.2mA，满足题目要求。4.3 结果分析造成误差的原因有：（1） 自制的康铜丝电阻的阻值不够精确。（2） 运放零点漂移。由于运算放大器的零点漂移，温度漂移等带来的误差，可以通过温度补偿措施来解决此误差。（3） 采样电阻自热效应引起的误差由于电阻在温度上升时阻值会

20、发生变化，因此会引起温度飘移，给系统带来测量的误差。（4） A/D，D/A转换误差受AD转换器精度及基准源稳定程度的限制，不可避免地带来一定的误差，为了更精确的输出恒流电源，必须选用更多位数的AD、DA芯片。（5） 因外界突发干扰或仪表显示值等引起的随机误差或粗大误差。（6） 纹波对电流输出的影响。采用屏蔽的方法、远离容易产生势骚动或脉冲工作方式的器件、减少IC供电电源的纹波等可减少由IC外部干扰产生的纹波。对选择低噪声的运放是解决问题的一种方法，但不幸的是大多数产品目录中均未列出噪声指标。根据少数运放的该项指标知道，其低频噪声(0.110Hz)电压的峰-峰值为(0.120V),因此，选择满足

21、1x10-6稳定度要求的运放也不是很容易的。另外，在输出接近低频直流时，运放的失调电压和失调电流也是产生低频噪声的源泉，特别是失调电流，在选择运放时亦应注意。消除高频噪声可采用交流负反馈来提高运放的交流放大倍数和拓宽频带，但将造成增益降低。解决的办法是在运放前加一级晶体管或场效应管的差分级，由于分离元件便于精选，故可改变整个比较放大器的噪声指标。5 结论 本系统经实践验证，性能良好，完成了课题所要求的基本功能。电流输出范围为20mA2000mA，输出电流可以在此范围内任意预先设置.设定电流和测量电流可同时在液晶屏上进行实时显示。输出负载变化，当输出电压在O10V内变化时，纹波电流经过实际测试，

22、小于输出电流的01+lmA；长时间工作情况下，电流源输出稳定可靠。此外，对于该课题，本小组采用的是MSP430F149的学习板，通过该课题的训练基本熟悉了编程技术，对学习板上布局的认识，对TLV5638的使用。有利于以后课题的开展。 在液晶显示测量电流值时，电流值还抖动的比较严重。虽然换了很多不懂容值的电容，抖动情况有所改善但没有根治。课题还可以在这方面尝试其他方式进行完善。 参考文献 1 陈武凡.小波分析及其在图像处理中的应用.科学出版社，2002.01.2 高吉祥主编 . 高频电子线路 . 北京：电子工业出版社，20033 易波 . 通信原理 . 长沙：国防科技大学出版社出版，19984

23、何立民.单片机应用系统设计系统配置与接口技术M.北京：北京航空航天大学，1990.5 李晓荃.单片机原理与应用M. 北京:电子工业出版社，2000.6 刘和平.单片机原理及应用M.重庆：重庆大学出版社，2002 .7 徐爱钧.单片机高级语言 C51 应用程序设计M. 北京：电子工业出版社，2002.8 谢自美.电子线路设计.实验.测试(第二版) M.武汉：华中科技大学出版社，2000. 9 江国强.现代数字逻辑电路.北京：电子工业出版社，2002 .10 朱传奇.简易使用的直流电流源J.山东电力技术，1999.11 马云峰.单片机控制的直流电流源设计J.潍坊高等专科学校学报，1999.12 R

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.附录： 附1：元器件明细表：1、三极管8050和30552、OP07CP3、IRF540N4、康铜丝自制电阻5、液晶1602附2：仪器设备清单1、DC POWER SUPPLY 2、数字万用表 附3：电路图图纸附图 方法1

25、PCB 附图 方法2的PCB 附图 实物图附4：程序清单/*主函数*/void main() WDTCTL=WDTPW+WDTHOLD; LCD_RW ; init_clock(); /初始化时钟 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) /显示提示语 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为一的时候调节十位和各位,flag1=2调节百位和千位; 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) /数据送DA，并读回AD数据 if(flag2=2) P5DIR=0xff; init_DA(); write_DA_data(0xd002); /设置DA为高

27、速模式，用内部参考电压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数据采集后处理 write_lcd_out(); dela

28、y(255); delay(255); delay(255); void init_clock() /激活高速时钟 uchar i; BCSCTL1&=XT2OFF; /打开高速时钟 do IFG1&=OFIFG; /激活失败标志位置零 for(i=0;i0;x-) for(y=x;y0;y-) if(ADC12_bufferyADC12_buffery-1)/大小排序（从大到小） buff=ADC12_buffery-1; ADC12_buffery-1=ADC12_buffery; ADC12_buffery=(int)(buff); buff=ADC12_buffer0; ADC12_b

29、uffer0=ADC12_bufferx; ADC12_bufferx=(int)(buff); buff=0; for(x=31;x1;x-) buff=buff+ADC12_bufferx-1; average=(int)(buff/30); /* DA变换模块*/void init_DA() cs0; din0; sclk0;void write_DA_data1() uchar x; din1; for(x=10;x0;x-); sclk1; for(x=10;x0;x-); sclk0; for(x=10;x0;x-); void write_DA_data0() uchar x;

30、din0; for(x=10;x0;x-); sclk1; for(x=10;x0;x-); sclk0; for(x=10;x0;x-); void write_DA_data(uint x) uchar i; uint f,y; y=x; cs0; for(i=0;i16;i+) f=y&0x8000; y=y1; if(f) write_DA_data1(); else write_DA_data0(); cs1; void write_lcd_in() write_command(0x80+11); write_data(lcd_shuge); write_command(0x80+1

31、0); write_data(lcd_shushi); write_command(0x80+9); write_data(lcd_shubai); write_command(0x80+8); write_data(lcd_shuqian); void write_lcd_out() write_command(0xc0+8); write_data(lcd_shua); write_command(0xc0+9); write_data(lcd_shub); write_command(0xc0+10); write_data(lcd_shuc); write_command(0xc0+11); write_data(lcd_shud); write_command(0xc0+12); write_data(.); write_command(0xc0+13); write_data(lcd_shue); void init_port() P2DIR=0XFF; P1DIR=BIT7+BIT6+BIT5; P1DIR&=BIT1; P1DIR&=BIT2; P1DIR&=BIT3; / P5DIR=BIT5+BIT6+BIT7; .