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开元棋牌几种简单恒流源电路

点击数:2019-09-16 01:02 来源:未知

  几种简单恒流源电路_理化生_高中教育_教育专区。几种简单的恒流源电路 恒流电路应用的范围很广,下面介绍几种由常用集成块组成的恒流电路。 1.由 7805 组成的恒流电路,电路图如下图 1 所示: 电流 I=Ig+VOUT/R,Ig 的电流相对于 I

  几种简单的恒流源电路 恒流电路应用的范围很广,下面介绍几种由常用集成块组成的恒流电路。 1.由 7805 组成的恒流电路,电路图如下图 1 所示: 电流 I=Ig+VOUT/R,Ig 的电流相对于 Io 是不能忽略的,且随 Vout,Vin 及环境温度的变化而变化,所以 这个电路在精度要求有些高的场合不适用。 2.由 LM317 组成的恒流电路如图 2 所示,I=Iadj+Vref/RVref=1.25),Iadj 的输出电流是微安级的所 以相对于 Io 可以忽略不计,由此可见其恒流效果较好。 3.由 PQ30RV31 组成的恒流电路如图 3 所示,I=Vref/R(Vref=1.25,他的恒流会更好,另外他是低压差稳 压 IC。 摘要:本文论述了以凌阳 16 位单片机为控制核心,实现数控直流电流源功能的方案。设计采用 MOSFET 和精密运算放大器构成恒流 源的主体,配以高精度采样电阻及 12 位 D/A、A/D 转换器,完成了单片机对输出电流的实时检测和实时控制,实现了 10mA~ 2000mA 范围内步进小于 2mA 恒定电流输出的功能,保证了纹波电流小于 0.2mA,具有较高的精度与稳定性。人机接口采用 4×4 键 盘及 LCD 液晶显示器,控制界面直观、简洁,具有良好的人机交互性能。关键字:数控电流源 SPCE061A 模数转换 数模转 换 采样电阻 一、方案论证 根据题目要求,下面对整个系统的方案进行论证。 方案一:采用开关电源的恒流源 采用开关电源的恒流源 电路如图 1.1 所示。当电源电压降低或负载电阻 Rl 降低时,采样电阻 RS 上的电压也将减少,则 SG3524 的 12、13 管脚输出方波的 占空比增大,从而 BG1 导通时间变长,使电压 U0 回升到原来的稳定值。BG1 关断后,储能元件 L1、E2、E3、E4 保证负载上的电压 不变。当输入电源电压增大或负载电阻值增大引起 U0 增大时,原理与前类似,电路通过反馈系统使 U0 下降到原来的稳定值,从而 达到稳定负载电流 Il 的目的。 图 1.1 采用开关电源的恒流源 优点:开关电源的功率器件工作在开关状态,功率损耗小,效率高。与之相配套的散热器体积大大减小,同时脉冲变压器体积 比工频变压器小了很多。因此采用开关电源的恒流源具有效率高、体积小、重量轻等优点。 缺点:开关电源的控制电路结构复 杂,输出纹波较大,在有限的时间内实现比较困难。 方案二:采用集成稳压器构成的开关恒流源 系统电路构成如图 1.2 所 示。MC7805 为三端固定式集成稳压器,调节 ,可以改变电流的大小,其输出电流为: ,式中 为 MC7805 的静态电流,小于 10mA。当 较小即输出电流较大时,可以忽略 ,▼▲当负载电阻 变化时,MC7805 改变自身压差来维持通过负载 的电流不变。 图 1.2 采用集成稳压器件的恒流源电路 优点:该方案结构简单,可靠性高 缺点:无法实现数控。 方案三:单片机控制电流源 该方案恒流源电路由 N 沟道 的 MOSFET、高精度运算放大器、采样电阻等组成,其电路原理图如图 1.3 所示。利用功率 MOSFET 的恒流特性,再加上电流反馈电 路,使得该电路的精度很高。 图 1.3 恒流源电路 该电流源电路可以结合单片机构成数控电流源。•☆■▲通过键盘预置电流值,单片机输出相应的数字信号给 D/A 转换器,D/A 转换器 输出的模拟信号送到运算放大器,控制主电路电流大小。实际输出的电流再通过采样电阻采样变成电压信号,A/D 转换后将信号反 馈到单片机中。单片机将反馈信号与预置值比较,根据两者间的差值调整输出信号大小。这样就形成了反馈调节,提高输出电流的 精度。本方案可实现题目要求,当负载在一定范围内变化时具有良好的稳定性,而且精度较高。 基于上述方案比较和题目的要 求,采用了方案三。 二、详细软硬件设计 根据题目要求和上述论证,确定的系统框图如图 2.1。 硬件连接图如图 2.2,本系统中 SPCE061A 的 IOA8~15,IOB12~15 为复用端口。 图 2.1 系统框图 图 2.2 系统硬件连接图 1、硬件设计 1)单片机控制电路 本系统采用 SPCE061A 单片机作为控制核心。SPCE061A 是 16 位单片机,指令周期短,工 作速率快,功耗低,具有丰富的片上资源,集成了可编程音频处理电路,可以在线下载,易于调试。尤其是其语音播放功能对增加 语音报警功能提供了很大的方便。 2)A/D,D/A 接口设计 根据题目要求,数控直流恒流源的精度为 1mA,所以至少需要 11 位的 A/D 转换器和 D/A 转换器。A/D 转换采用 BB 公司的 ADS7816 构成的转换电路,如图 2.3。ADS7816 是 12 位串行模/数转换 器,采样频率高达 200kHz,转换所需时间短,转换精度高。ADS7816 转换器将采样电阻上的电压转换成数字信号反馈给单片机,单 片机将此反馈信号与预置值比较,根据两者间的差值调整输出信号大小。这样就形成了反馈调节,提高输出电流的精度。同时, A/D 采样回来的电流经过单片机处理传送到 LCD,可以显示当前的实际电流值。 图 2.3 A/D 接口电路 D/A 转换采用 12 位 DAC7625P 构成的转换电路,如图 2.4。DAC7625P 具有较高的精度。D/A 转换电路主要负责把单片机输出的控制 信号送给高精度运算放大器,控制电流源输出电流大小。 图 2.4 D/A 接口电路 设 D/A 转换器的参考电压为 ,键盘输入数字量为 D,D/A 转换输出的模拟电压 = =2.5V,采样电阻 1.2207 。当输入数字量加 1,模拟增加量△V= V=0.61mV 。 选择参考电压 则输出电流变化 =0.5mA 即 D/A 转换器数字输入量每增加数值 1,恒流源输出电流增加 0.5mA。因此为实现步进功能,每按一次步进+键,单片机送给 D/A 转换器的输入数字量 D 加 2,从而输出电流加 1mA,实现了电流步进 1mA 的要求。步进减 1mA 同理。当键盘设置输出电流大小 为 I 时,单片机送给 D/A 转换器的数字量为 2×I,使得电流源电路输出电流为 I。然而这只是理想情况,实际电路因为种种原 因,实际输出电流不会完全等于理论计算值,此时电流反馈控制起了关键作用。单片机通过分析 A/D 转换的数值,得到电路实际输 出的电流大小,对 D/A 转换器的给定数字量进行调整,使得输出电流大小更精确。 3)恒流源电路 恒流源电路是系统的重 要组成部分,其电路原理图如图 2.5 所示。主要由高精度运算放大器,MOSFET,采样电阻等组成。 图 2.5 恒流源电路 根据运放特性可得: MOSFET 的电流 D/A 转换器输出的控制电压加在运算放大器正输入端,控制负载中流过的电流。 采样电阻选用康铜丝,以减少因温度变化而引 起的采样电阻阻值的变化。采样电阻将输出电流转换为电压信号,供 A/D 转换用。设计中 A/D、D/A 转换器的参考电压都为 2.5V, 电路中流过的电流最大值为 2000mA,◆◁•因此正常情况下电阻阻值应为 2500mV/2000mA=1.25 。 考虑到系统的步进功能,当 D/A 转换的数字输入加 1 时,其模拟输出增加量△V= ,与此同时采样电阻上的电压也相应增加相同的数值,令其输出电流增 加 0.5mA,则计算得采样电阻阻值为: 运算放大器的输出控制着 MOSFET 的 VGS,因此运算放大器 输出的稳定性将直接决定系统输出电流的稳定性;同时,运算放大器还决定着系统输出电流的精度。为了满足系统的精度及纹波要 求,选用精密运算放大器 OP07C。4)键盘及 LCD 显示电路 系统中采用普通的 4×4 键盘实现电流的设计和调节。4×4 键盘原理 图如图 2.6 所示。键盘包括下列功能:S1:程序复位;S2:液晶复位;Set:设定;0~9 预置输入;+ :电流上调;-:电流下 调;Enter:确认。从 0~9 预置键中输入预置电流值,确认后便可通过液晶显示出预置电流值。上调键 +和下调键 -分别用 来控制电流以步进 1mA 增减,电流变化通过液晶显示出来。 图 2.6 4×4 键盘原理图 液晶显示器选用凌阳公司的 SPLC501 液晶模组,SPLC501 是 128×64 的点阵 LCD,其内部自带驱动电路,外围电路非常简单, 因为凌阳公司提供了驱动程序,使得编程也相当简单。在本设计中用它来显示电流的给定值、实际测量值以及系统工作状态。LCD 的接口电路如图 2.7 所示。 图 2.7 液晶接口电路 5)系统电源 因为系统对电流的精度及纹波要求较高,▪️•★而系统电源的精度及稳定度在很大程度上决定了系统的性能,因此 系统电源的设计是整个系统中的重要部分。 为了防止恒流源电路中的较大电流对控制部分产生干扰,将控制部分的电源和恒流 源电路电源分成独立的两部分,分别由两组变压器供电,电路如图 2.8 所示。 图 2.8 自制电源原理图 控制部分:220V 电压经变压器输出两组独立的交流 10V 电源和一个交流 15V 电源。其中一路交流 10V 电源经整流、□▼◁▼滤波、 7805 稳压后输出+5V 电压,给 CPU 和 LCD 供电;第二路交流 10V 电源经整流、滤波、△▪️▲□△7805 稳压后输出-5V正端接地)电压为运算 放大器提供负工作电源。交流 15V 输出电压经整流、滤波、7812 稳压输出+12V 电压,为运算放大器提供正工作电源,同时此+12V 电源经过参考电源芯片 MC1403,输出+2.5V 电压做为 A/D,D/A 的参考电压。 恒流源电路电源:220V 电源经变压器降压输出交 流 19V 电压,再经过整流、滤波、78H15 稳压后输出+15V 电压,直接作为恒流源电路电源。 2.软件设计 软件系统的任务主要有 A/D 转换、D/A 转换、步进加减、键盘扫描、液晶显示、语音报警等功能。为了将所有任务 有序的组织起来,软件系统采用前后台结构。SPCE061A 单片机拥有独立的时基发生器,无需占用定时器。系统设置了一个 1024Hz 的时基中断,为整个系统提供一个统一的运行节拍,保证了各个任务能有条不紊的工作。 对时间没有实时要求的任务如键盘扫 描、液晶显示,放在主循环中。A/D,D/A 转换任务需要定周期运行,放在时基中断服务子程序中运行。有效的保证了重要任务能 及时被执行。 1)主程序 系统加电后,主程序首先完成系统初始化,其中包括 I/O 口,中断系统,定时器/计数器等工作状 态的设置,系统变量赋初值等工作;完成系统初始化后打开中断;随之进入键盘扫描程序。键盘扫描获取键值后根据键值,完成设 定预置电流值,步进加减,并通过 LCD 显示输出电流值及系统是否正常工作信号。主程序流程图如图 2.9 所示。 2)时基中断服务子程序 图 2.9 主程序流程图 时基中断服务子程序流程图如图 2.10 所示。在此中断服务程序中控制进行 A/D 和 D/A 转换 图 2.10 时基中断服务子程序 3)A/D 转换程序 A/D 转换器 ADS7816 的接口形式为位串行接口,因此在对 ADS7816 进行操作时需要考虑到时序问题, ADS7816 的控制流程图如图 2.11 所示。 图 2.11 A/D 转换程序 3、系统的保护及其抗干扰设计 1)系统的保护 当系统工作不正常导致输出电流过大时,若无保护功能,将造成严重后 果。因此,在硬件方面,选取带有过流、过热、短路保护功能的集成线K;在软件方面,当键盘设定电流超过 2018mA 或者 A/D 转换器采样得到的电流值超过 2000mA 时,控制系统输出的控制信号会切换为 0,口▲=○▼则主电路输出的电流也相应为 0,同时液晶显示系统工作不正常。这样系统得到双重保护,◆●△▼●能确保其工作安全可靠。 2)系统抗干扰设计 系统工作于较强的电磁辐射环境中,容易受到各种干扰的影响。轻则使电流输出不稳定,纹波电流增 加,严重时会导致整个系统工作不正常。因此,本系统从硬件和软件两方面采取抗干扰的措施,以保证系统的可靠运行。a、硬件 抗干扰设计 主电路和控制电路的电源由两个独立的变压器供电,消除了主电路对控制电路的电源干扰。 在 220V 电源进线 端设置电源滤波器,消除电网上的各类高频干扰,防止电网电压突变对系统造成冲击。 在运算放大器的输入端加设滤波电容, 对抑制纹波电流起到至关重要的作用。 合理布置接地系统中的数字地与模拟地,避免了数字信号对模拟信号的干扰。b、软件 抗干扰设计 系统中采用看门狗技术,若程序出现死循环或者跑飞现象,凌阳单片机内部的看门狗将使单片机复位,将单片机重 新拉回有序的工作状态。 对 A/D 的转换结果采用数字滤波技术,保证控制系统的稳定。 三、测试说明 1、测试仪器 本系统的测试仪器见表 3.1。 表 3.1 测试仪器 序号 1 2 3 名称 4 位数字万用表 低频毫伏表 滑线、测试电路与测试方法 测试电路如图 3.1。 型号 DT9203A XSD-1 BX 7-24 数量 1 1 1 图 3.1 测试电路示意图 测试方法:采用 4 位数字万用表的电流档测试输出电流 IL,用低频毫伏表测负载 RL 两端的电压值 VL。负载采用滑线、测试数据及结果分析 据如表 3.2。 1)输出电流范围:10mA~2000mA,达到发挥部分要求。 2)输出电流与给定值偏差 测试数 表 3.2 输出电流与给定值偏差测试数据 序号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 给定电流 Id(mA 10 20 200 600 800 1300 1500 1700 2000 显示电流(mA 10 20 199 598 797 1303 1502 1704 2004 输出电流 IL(mA 11 21 199 597 797 1303 1502 1704 2005 Id-IL(mA 1 1 1 2 3 3 2 4 5 Id×0.1%+3(mA 3.01 3.02 3.2 3.6 3.8 4.3 4.5 4.7 5 Id×1%+10(mA 10.01 10.02 12 16 18 23 25 27 30 图 3.2 绝对误差比较图 测试结果分析:如图 3.2,实测绝对误差曲线在发挥要求的曲线下方。输出电流满足发挥部分的误差精度要求。同时,电流值 小时,输出电流更接近给定电流。电流值较大时,★△◁◁▽▼因为系统散热性能不够优良导致恒流源电源性能下降,引起误差增大。误差存在 的原因主要是采样电阻制作误差,同时系统工作时采样电阻发热,阻值变化引起误差。但总的看来,该电流源有较好的精度特性。 3)步进电流 设定电流 500mA,测得步进电流数据如表 3.3 和表 3.4。 表 3.3 步进电流数据一 第 n 次按“+” 输出电流 IL(mA In+1-In(mA 1 2 3 4 5 6 7 8 502 504 506 508 510 512 514 516 \ 2 2 2 2 2 2 2 表 3.4 步进电流数据二 第 n 次按“-” 输出电流 IL(mA In+1-In(mA 1234567 8 498 496 494 492 490 488 486 484 \ -2 -2 -2 -2 -2 -2 -2 测试结果分析:可实现步进 2mA,满足≤10mA 的基本要求。 4)改变负载电阻,输出电压在 10V 以内变化时,输出电流值的情况。a、给定电流 Id=200mA 时,Id×0.1%+1mA=1.2(mA Id×1%+10mA=12(mA 表 3.5 给定电流 200mA 时输出电流数据 负载电压 VLV) 输出电流 IL(mA IL-Id(mA 1.31 2.47 3.56 5.1 6.33 7.78 9.57 200 201 200 200 199 200 200 0 1 0 01 1 0 图 3.3 200mA 恒流特性图 b、给定电流 Id=1000mA 时,Id×0.1%+1mA=2(mA Id×1%+10mA=20(mA 表 3.6 给定电流 1000mA 时输出电流数据 负载电压 VLV) 输出电流 IL(mA IL-Id(mA 1.33 2.74 4.1 5.65 6.67 8.11 9.63 995 1006 992 990 990 988 985 5 6 8 10 10 12 15 图 3.4 1000mA 恒流特性图 c、 给定电流 Id=1800mA 时,Id×0.1%+1mA=2.8(mA Id×1%+10mA=28(mA 表 3.7 给定电流 1800mA 时输出电流数据 负载电压 VLV) 输出电流 IL(mA 0.94 2.13 3.85 5.11 6.51 7.65 9.1 1808 1795 1790 1785 1785 1780 1780 IL-Id(mA 8 5 10 15 15 20 20 图 3.5 1800mA 恒流特性图 测试结果分析:如图 3.5,负载电压变化,给定电流在 200mA 时,满足发挥部分要求,恒流特性较理想。给定电流在 1000mA 及 1800mA 时,输出电流变化绝对值较大,恒流特性变差,主要因为采样电阻不够精确引起,但仍可满足基本部分要求。 5)纹波电流 取负载电阻 RL=9.82Ω ,纹波电流=纹波电压/负载电阻。测试数据如表 3.8。 表 3.8 纹波电流测试数据 给定电流 Id(mA 100 200 300 500 1000 1500 1800 2000 纹波电压(mV 1.0 1.2 1.3 1.5 1.6 1.8 1.8 1.9 纹波电流(mA 0.1 0.12 0.13 0.15 0.16 0.18 0.18 0.19 图 3.6 纹波特性图 测试结果分析:如图 3.6,系统设计过程中,主电路和控制电路独立供电,自制电源进行了稳压处理,▲●…△同时进行了高频滤波, 因此系统的纹波特性较理想。 四、结论 本系统以 16 位 SPCE061A 单片机控制与调整主电路的输出电流,并通过液晶显示电流值,完成了数控恒流源的制作。 实现了输出电流可调,步进加,减功能。除很好地满足了基本要求和较好地完成了发挥部分的要求外,电源滤波器的加入,有效地 滤去了电网的高次谐波,保证了恒流源输出较小的纹波。 难点分析:在恒流源的设计与制作过程中,本方案遇到的主要难点在 于如何减少纹波,通过仔细研究与分析,确定要使纹波尽可能小,▲★-●需要运算放大器的电源和输入端信号要稳定,因此对运算放大器 我们采用独立电源供电,保证了放大器有稳定电源电压,进而使输出较小的纹波电流成为可能。然而,当将控制电路与主电路结合 在一起时,输出纹波电流的增大又成为一大问题。这是因为控制电路的输出有纹波,加到运算放大器的输入端将纹波放大,导致输 出电流纹波加剧,为解决这一问题,我们在运放输入端并联电容,以达到滤波的目的,从而较好的解决纹波问题。 除了上述功 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