1 浙江師范大學本科畢業設計 (論文 )開題報告 學 院 數理與信息工程學院 專業 電子信息工程 學生 姓名 呂志才 學號 07220235 指導教師 樓恩平 職稱 實驗師 合作導師 職稱 論文題目 數控直流電流源的設計 一、選題背景和意義 電源是各種電子設備必不可少的重要組成部分 ，其性能的優劣直接關系到整個系統的安全性與可靠性指標。而恒流電源是目前應用廣泛的一種新式電源裝置，恒流電源 以其體積小、重量輕、損耗低、效率高、電路簡潔等顯著優點而深受人們的青睬，并被廣泛應用于計算機設備、航空航天、 儀器儀表、通信設備和家用電器等領域中。近年來，隨著電子信息產業的迅速發展，人們對恒流電源的需求與日俱增，恒流 電源的開發與制造已成為了方興未艾、發展前景十分誘人的朝陽產業。 電源技術尤其是數控電源技術是一門實踐性很強的工程技術，服務于各個行業。當今電源技術融合了電氣、電子、系統集成、控制理論、材料等諸多科學領域。隨著計算機和通訊技術發展而帶來的現代信息技術革命，給電源技術提供了廣闊的發展前景，同時也給電源技術提出了更高的要求。隨著數控電源在電子裝置中的普遍使用，普通電源在工作時產生的誤差，會影響整個系統的精確 度，電源在使用時會造成許多不良后果。世界各國紛紛對電源產品提出了不同要求并制定了一系列產品精度標準，達標后后才能夠進入市場。隨著經濟全球化的發展，滿足國際標準的電源產品才能夠獲得通行證。數控電源是從 80年代才開始發展起來的產品，期間系統的電力電子理論開始建立。這些理論為其后來的發展提供了良好的理論基礎，在以后的時間里，數控電流源技術開始長足的發展。 現在市場上 許多 數控電流源存在輸出精度不高， 功率密度比較低， 帶負載能力不強，體積大，價格較高，操作繁瑣，工作狀態不穩定等弊端， 因此數控電流源的主要發展方向是針對上述 缺點不斷改善。 所以，高精度的數控直流電流源有很大的發展空間。 單片機技術及電壓轉換模塊的出現為精確數控電源的發展提供了有利條件。新的變化技術和控制理論的不斷發展，各種類型專用集成電路、數字信號處理器件的研制應用，到 90年代，已出現了數控精度達 0.05V的數控電流源，功率密度已達 50W的數控電流源。從組成上，數控電流源分為器件、主電路和控制電路三 本科畢業設計 （論文）開題報告 2 部分。 本課題主要研究的是基于單片機的數控直流恒流源的設計，恒流源是能夠向負 載提供恒定電流的電源， 因此恒流電源的應用范圍非常廣泛，并且在許多情況下是必不可少的。例 如在通常的充電器對蓄電池充電時，隨著蓄電池端電壓的逐漸升高，充電電流會相應減少。為了保證恒流充電，必須隨時提高充電器的輸出電壓，但采用恒流源充電后就可以不必調整其輸出電壓，從而使勞動強度減低，生產效率得到了提高。恒流源還被廣泛用于測量電路中，例如電阻器阻值的測量和分級，電纜電阻的測量等，且電流越穩定，測量就越準確。它既可以為各種放大電路提供偏流以穩定其靜態工作點，又可以作為其有源負載，以提高放大倍數。并且在差動放大電路、脈沖長生電路中得到了廣泛應用。 除此之外，線性掃描鋸齒波的獲得，有線通信遠供電源，電泳、 電解、電鍍等化學加工裝置電源，電子束加工機、離子注入機等電子光學設備中的供電電源也都必須應用恒流源。 二、國內外研究現狀、發展動態 現狀： 在我國，以電力電子學為核心技術的電源產業，從二十世紀 60 年代中期開 始形成，到了 90年代以來， 隨著對系統更高效率和更低功耗的要求，電信與數據 通信設備的技術更新推動電源行業中直流 /直流轉換器向更高靈活性和智能化的 發展方向， 電源產業進入快速發展期。一方面，電源產業規模的發展在加快；另 一方面，在國家自然科學基金的資助下或創新意識指導下，我國電力電子技術的 研究從吸收消化 和一般跟蹤發展到前沿跟蹤和基礎創新，電源產業涌現了一些技 術難度較大，具有國際先進水平的產品而且還生產了一大批具有代表性的研究成 果和產品。目前國內還開展了跟蹤國際多方面前沿性課題的研究或基礎創新研究。 但是我國電源產業與發達國家相比，存在著很大的差距和不足 :在電源產品的質 量、可靠性、開發投入、生產規模、工藝水平、先進檢測設備、智能化、網絡化、 持續創新能力等方面的差距為 10 15年，尤其在實現直流恒流的智能化、網絡化 方面的研究不是很多。目前國內在這兩方面研究比較多的是成都電子科技大學和 廣州華南理工大 學，主要是利用單片機和可編程系統器件（ PSD）來控制開關直流 穩壓電源或數字化電壓單元達到數控的目的，但和國外的比較起來，效果不是很 理想，還存在很大的差距和不足。 現今，隨著數控直流電源技術的飛躍發展，整流系統由以前的分路原件和集成電 路發展為微機控制，從而使直流電源智能化，具有遙測、遙信和遙控的三遙功能。 目前，全國的電源及其配件的生產銷售企業有 4000家以上，產值由 300 400億 元，但國內企業銷售的數控直流穩壓電源大多是代理日本和臺灣的產品，國內廠 家生產的直流穩壓電源雖然也在向數字化方向發展，但 多限于對輸出顯示實現數 本科畢業設計 （論文）開題報告 3 碼顯示，或實現多組數值預置?？傮w來說，國內直流恒流源技術在實現智能化等 方面相對落后，面對激烈的國際競爭，是個嚴重的挑戰。 發展趨勢： 目前，電力系統的后備電源、分布式電源系統以及通訊系統的后備電 源等應用場合，均采用大容量的蓄電池作為儲能元件。然而，在蓄電池的使用中 需要一個雙向 DC/DC 變換器來進行直流功率的變換。一旦電網系統發生故障，蓄 電池通過雙向 DC/DC 變換器直接并入直流母線，給后端的用電設備提供能量。當 電網正常工作時，直流母線通過 DC/CD變換器講電能儲存在蓄電池中，而 當蓄電 池作為通訊系統的后備電源時，由于后端的用電設備多以抵押大電流工作，因此 要求蓄電池能夠提供一個大而穩定的工作電流。另外，對蓄電池充電時，也必須 進行恒流控制，因此在雙向 DC/CD變換器中恒流控制的好壞直接影響用電設備和 蓄電池的使用壽命。隨著數字信號處理器（ DSP）技術的成熟，越來越多的功率電 路采用了數字式控制。與模擬控制相比，數字控制具有性價比高、性能穩定等優 點。另外，通過對控制軟件的編程，可以很方便的實現電路功能。針對蓄電池等 儲能元件在使用過程中功率雙向變換的問題，在目前已有的非隔離型雙向 拓撲基 礎上，提出了一種改進型雙向電路拓撲。該拓撲不僅實現了雙向電路的恒流控制， 而且解決了雙向拓撲中對不同大小電流的采樣問題。通過對 DSP軟件的編程，還 可以實現對電路的恒流、恒壓以及恒功率等控制功能。 針對蓄電池系統在使用過程中的功率變換問題，提出了一種新穎的雙向變換拓撲。該拓撲不僅實現了蓄電池功率變換的要求，同時對放電電流和充電電流進行了恒流控制。蓄電池放電時曹勇了降壓型電路拓撲，可使負載端電流迅速增大，又很快的動態響應，從而滿足抵押大電流用電設備的要求。同時，在對蓄電池進行恒流充電時，通過軟件編程， 實現蓄電池的浮充功能，從而延長蓄電池的使用壽命。另外，提出了對雙向恒流源電路的全數字控制方案。 隨著電子技術的發展，恒流源已經廣泛地應用在各個領域。目前市面上較成熟的 恒流源輸出或者在 mA 量級，或者在百安培量級，不能滿足所有輸出段位的需求。 許多輸出電流不是很大、要求穩定度和輸出精度較高的恒流源還是由使用者自行 研制的。恒流源在現代化工農業及科研生產的運用中正朝著體積小、精度高、穩 定性好、使用靈活的方向發展。急于功率運算放大器的恒流源在理論上具有體積 小、精度高、穩定性好、可擴展等優點，輸出電流范圍在安培 量級適用于小型電 動機、線圈等的驅動。但還需要通過實驗做進一步深入的研究，這對于恒流源的 發展具有相當現實的意義。 而且數字化智能電源模塊是針對傳統智能電源模塊的 不足提出的，數字化能夠減少生產過程中的不確定因素和人為參與的環節，有效 的解決了電源模塊中諸如可靠性、智能化和產品一致性等工程問題，極大的提高 了生產效率和產品的可維護性。 本科畢業設計 （論文）開題報告 4 三、研究的內容及可行性分析 課題研究內容： 1 設計一款 穩定性好、精度高、輸出可預置的直流電流源 。 2. 數控直流電流源設計的具體參數要求： （ 1）輸出電 流 范圍 ： 20mA 2000mA； （ 2） 可設置并顯示輸出電流給定值，要求輸出電流與給定值偏差的絕對值小于等于給定值的 1 +10 mA； （ 3） 具有“ +”、“ -”步進調整功能，步進 10mA； （ 4） 改變負載電阻，輸出電壓在 10V以內變化時，要求輸出電流變化的絕對值輸出電流值的 1 +10 mA； （ 5）紋波電流 2mA； 課題可行性分析 本課題 準備 采用 AT89C52作為數控直流電流源的控制核心 , 為了實現 電流設置、控制、輸出、測量和顯示。該數控直流電流源由電流源模塊、測量模塊、數控模塊、顯示模塊構成。電流源模 準備塊采用 集成運放 和大功率復合管構成的閉環電壓深度負 反饋電路。測量模塊準備 由雙積分型高精度 A/D來測量取樣電阻上的電壓值進而轉化為電流值來完成。數控模塊準備以 單片機為核心控制高精度 D/A的輸出電壓送入電流源模塊，可完成對輸出電流的小步進控制。 通過鍵盤輸入給定值，由 D/A轉換器將數字信號轉換成模擬信號，經 D/A輸出電壓作為恒流源的參考電壓，用中文液晶顯示輸出。 本設計的系統原理框圖如圖 1所示。 圖 1 系統原理框圖 采用 AT89C52單片機作為整機的控制單元，通過改變 D/A的輸入數字量來改變本科畢業設計 （論文）開題報告 5 輸出電壓值，從而 使輸出功率管的基極電壓發生變化，間接地改變輸出電流的大小。為了能夠使系統具備檢測實際輸出電流值的大小，可以將電流通過取樣電阻轉換成電壓，并經過 A/D轉換器 (MAX197)進行模 /數轉換，間接用單片機對電壓進行采樣，然后進行數據處理及顯示。 1. 鍵盤與顯示電路 使用單片機作為這一控制的核心，單片機與鍵盤相連，采 用查詢方式，由鍵盤控制輸入電流，同時也由鍵盤進行控制其步進調整功能。顯示器 LCD 選用 1602B，具有體積小、 質量輕、功耗低等優點，單片機四條數據線與其相連，數據分兩次傳送；兩條控制線 E、 R/S控制 LCD的顯示。 鍵盤與顯示電路原理圖如圖 2所示。 圖 2 鍵盤與顯示電路 2. 如何實現 D/A、 A/D 的轉換 根據課題要求輸出電流范圍為 20mA 2000mA、步進為 1mA，需要至少有 1980個狀態 2n 1980， n 11，為了達到系統的控制精度，選取 12位 D/A。具體電路接口如圖 3所示。 圖 3 D/A 轉換電路 D/A 轉換器選用 TLV5618，它是串行輸入可編程雙路 12 位 D/A 轉換器。該 器件僅有 8個引腳，但精度可以達到 0.5mV。 AT89C52 單片機控制它只需要三個引腳，D IN1S C L K2CS3O U T A4AGND5R E F I N6O U T B7VDD8D P J 3T L V 5 6 1 8V IN1VOUT2GND3NC4NC5NC6NC7NC8D P J 4M C 1 40 3V C CV C C1 0KR E S 1P 35P 36P 37本科畢業設計 （論文）開題報告 6 非常方便。該芯片內部有兩個 12 位 CMOS 電壓輸出 DAC，雙緩沖結構使雙路輸出（ OUTA和 OUTB）可同時更新， +5V單電源工作。選典型參考電壓 2.048V，輸出電壓公式為： Vo=2 V ref （ n/2048） （ 3-1） 其輸出電壓范圍為： 0 4.096V。 A/D轉換電路如圖 4所示： 圖 4 A/D 轉換電路 A/D轉換器選用 MAX197芯片， MAX197一種通用 A/D芯片，可以和多種微機接口，在此選用 AT89C52 單片機作為主處理器。通過 AT89C52的 P0.0P0.7 與 MAX197的 D0D7相連，既用于輸入 MAX197的初始化控制 ，也用于讀取轉換結果數據。 A/D轉換器 (MAX197)將采樣電阻上的電壓轉換成數字信號反饋給單片機，單片機將此反饋信號與預置值比較，根據兩者間的差值調整輸出信號大小。這樣就形成了反饋調節，提高輸出電流的精度。同時， A/D采樣回來的電流經過單片機處理傳送到 LCD，顯示當前的實 際電流值 。 四、論文擬解決的關鍵問題及難點 1如何實現恒流 該模塊主要功能是把由 D/A 輸出的電壓 通過 V/I 轉換電路構成 線性轉換成輸出電流， 通過深度電流串聯負反饋電路 保證輸出電流有很高的穩定性，如圖 5 所示。 本科畢業設計 （論文）開題報告 7 -2+36741 85J 11O P 07C 2 7 1 U FR92+ 15 V-1 5 V123J 13C O N 3-2+3674185J 17O P 07-1 5 VC 2 50 .1 U FC 2 64 .7 U FC 2 84 .7 U FC 2 94 .7 U FC 3 2 1 U FC 3 51 0u f+ 15 VC 3 3 0 .1 UC 3 44 .7 U F12J 12負載接口-2+36741 85J 18O P 071J 19C O N 1+ 15 VC 3 6 0 .1 U FC 3 74 .7 U F-1 5 VC 3 0 0 .1 U FC 3 14 .7 U Fa di nQ19 01 4Q23 D D 15O U T A 由 D/A 輸入 圖 5 直流電流源電路 電流源模塊主要是把 D/A輸出 電壓作為恒流源的參考電壓，運算放大器 PO07與晶體管 Q1， Q2組成的達林頓電路構成電壓跟隨器。用晶體管平坦的輸出特性即可得到恒流輸出，因此電流源具有較好的穩定性。 本電流源的電壓 /電流轉換及 V/I轉 換是將 D/A輸入的電壓信號轉換成滿足一定關系的電流信號，轉換后的電流相當一個輸出可調的恒流源，其輸出電流應能夠保持穩定而不會隨負載的變化而變化。 一般來說， V/I轉換電路是通過負反饋的形式來實現的，可以使電流串聯負反饋，也可以是電流并聯負反饋。本設計采用的是電流串聯負反饋電路。 為使 A/D 反饋給單片機的電壓更加精確，取樣電阻必須保持恒定，溫度變化系數很小，所以 取樣電阻 R9采用大線徑康銅絲制作，康銅絲溫度系數很?。l率精度為 5 102/），大線徑可以使其溫度影響減小至最小。 U4的同向端輸入電壓為 V2，反相 端的反饋電壓為 V1，流過 取樣電阻 R9的電流：IE =92RV （ 3-2） 復合管的放大倍數為兩個三極管 放大倍數數值之積，輸出電流即集電極電流 IO =IC Ie =92RV （ 3-3） 本科畢業設計 （論文）開題報告 8 對于理想運算放大器，同相反相間得壓差為 0，即： V1=V2 （ 3-4） 所以輸出電流與輸出電壓間的關系： I=91VR （ 3-6） 五、研究方法 根據題目要求，該 數控直流電流源由數控模塊、顯示模塊 、電流源模塊、測量模塊 構成。 1電流源模塊 電流源模塊 采用基于運算放大器和晶體管構成的電流深度負反饋電路。該方案不僅在電路中引入了深度電流負反饋，可以保證輸出電流具有很高的穩定性。而且電流源所需要的控制電壓由高精度 D/A 轉換器（ TLV5618）提供，以實現輸出電路的小步進調節。該方案如圖 6所示。 圖 6 電流源模塊設計原理 2數控與顯示模塊 采用以 AT89C52 單片機為核心的單片機最小系統。單片機系統具有靈活的接口和在線編程的能力，容易實現題目中的有關鍵盤設 置、顯示以及測量功能等。 3測量模塊 測量模塊是由雙積分型高精度 A/D 來測量取樣電阻上的電壓值進而轉化為電流值來完成。 A/D轉換器 (MAX197)將采樣電阻上的電壓轉換成數字信號反饋給單片機，單片機將此反饋信號與預置值比較，根據兩者間的差值調整輸出信號大小。這樣就形成了反饋調節，提高輸出電流的精度。 綜上所述，系統總原理框圖如圖 7所示。 本科畢業設計 （論文）開題報告 9 圖 7 系統原理框圖 采用 AT89C52 單片機作為整機的控制單元，通過改變 D/A 的輸入數字量來改變輸出電壓值，從而使輸出功率管的基極電壓發 生變化，間接地改變輸出電流的大小。為了能夠使系統具備檢測實際輸出電流值的大小，可以將電流 通過取樣電阻 轉換成電壓，并經過 A/D轉換器 (MAX197)進行模 /數轉換，間接用單片機 對電壓進行采樣，然后進行數據處理及顯示。此系統比較靈活，采用軟件方法來解決數據的預置以及電流的步進控制，使系統硬件更加簡潔， 而且采用高精度 A/D 轉換器對取樣電阻上的電壓值進行采樣反饋給單片機，與預置值進行差值比較，調整D/A輸出電壓，這樣就形成反饋調節，使輸出電流更加精確， 能很好地滿足題目的要求。 六、論文的進度安排 2010 年 11 月 2010 年 12 月 ： 查閱相關文獻資料， 可行性分析，總體方案初擬； 2010 年 12 月 2011 年 01 月 ： 撰寫開題報告，方案論證與修改 ， 電路原理圖設計； 2011 年 01 月 2011 年 03 月 ： 數控直流電流源的制作與調試并對數據結果分析； 2011 年 03 月 2011 年 04 月 ： 畢業設計論文書寫，畢業論文修改，畢業論文定稿； 2011 年 04 月 ： 畢業設計結題 答辯。 AT89C52 單片機 D/A 轉換電路 A/D 轉換電路 液晶顯示電路 鍵盤控制 電路 V/I 轉換電路 調整電路 取樣電路 電