1、在自動控制和測量系統中，經常需要使用性能良好的可調電源。電源設備更是電子儀 器的一個重要組成部分，通常有直流電壓源、電流源、交流電壓源、電流源等。隨著信息 時代的飛速發展，電源設備也逐漸向數字化方向發展 ，本次設計題目為數控直流電流源。 任務分析設計并制作數控直流電流源。輸入交流 200240V，50Hz;輸出直流電壓w 10V。其 原理示意圖如下所示。輸出電流范圍：200 mA2000mA;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W給定值 的 1%+10mA;(3)(4)(5)(6)具有“ +”、“ -”步進調整功能，步進W 10mA;改變負載電阻，輸出電壓在10V以內變

2、化時，要求輸出電流變化的絕對值W輸 出電流值的1%+10mA;紋波電流W 2mA;自制電源。2、發揮部分1）輸出電流范圍為20mA2000mA，步進1mA;2）設計、制作測量并顯示輸出電流的裝置（可同時或交替顯示電流的給定值和實 測值），測量誤差的絕對值W測量值的 %+3個字；（4）（5） 方案比較3）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W輸 出電流的%+1mA;紋波電流W;其他。一般電子設備在工作時，都需要穩定的直流電壓或電流，電網通常是220V、50Hz,電壓波動可達± 10%，甚至更高，而且可能含有尖端、浪涌或高頻干擾。因此直流穩壓電 源需要完成以

3、下任務：AC-DC高效轉換、輸出電壓或電流穩定、抑制電網上的干擾、較 小的傳導發射及電磁輻射。從基本原理上講，可選擇線性電源及開關電源兩種形式。（1）線性穩壓電源并聯型線性穩壓電源：利用并聯穩壓二極管的方法吸收額外的電流，要求輸入電源具 有較高內阻，只適用于負載電流較小的場合，電路簡單，但效率較低。串聯型線性穩壓電源：在輸入電源及負載之間串聯電壓調整管， 正由于在輸入電源及 負載之間串聯電壓調整管，將（Vin-Vout ）轉換為調整管上的發熱，而調整管必須工作在 線性放大狀態，為了保證輸出電壓穩定，其集電極與發射極之間必須承受較大的電壓差， 導致調整管功耗較大，電源效率很低（一般只有 45%左

4、右）；另外，由于調整上消耗較 大的功率，所以需要采用大功率的調整管及體積很大的散熱器。（2）開關電源開關電源的原理是以脈沖形式將輸入直流電源的能量儲存到電感或電容中，再用整流濾波方法將電感或電容兩端的電壓轉換為直流電壓，由于調壓器件工作于開關方式，因此dV、dl效率極高（一般90%），所以電源功耗很小，機內溫升低，從而提高了整機的穩定性和 可靠性，且體積很小。但開關電源的缺點是由于調壓器件工作于開關方式，因此 都很大，容易產生較強的傳導發射及輻射發射，另外由于高低電位段具有不同的對地阻抗， 而且地線網絡對高頻有較大阻抗，使兩條線對大地形成不同的阻抗，即對高頻差模電壓產 生不同的相移，則這種差模

5、電壓會轉化為共模電壓，從而產生干擾，共模干擾一旦產生， 就很難濾除。綜上所述，線性電源的優點是電路簡單、輸出紋波小、不產生輻射干擾，缺點是效率 低、體積較大、輸入電壓范圍較窄；開關電源的優點是效率高、小巧、輸入電壓范圍很寬， 缺點是輸出紋波大，容易產生電磁干擾和共模干擾。總體設計方案的確定根據題目要求，設計的關鍵在于負載變化時恒流輸出以及輸出紋波小。比較上述兩種電源，設計原理決定采用串聯型線性穩壓電源。 針對線性電源的不足，電路器件使用MOS 管，以其在極小的壓差（100mV）下工作，來減小損耗，提高效率。同時設計為數控電源， 在控制方案上采用電壓、電流雙閉環控制，硬件電路實現PI運算，來穩定

6、輸出電流，使系統的靜態誤差滿足要求。并協調選擇 CPU、D/a、A/D等主要部件，使設計達到要求。 電源系統的總體框圖如圖1-1所示。圖1-1電源系統的總體框圖應當指出，目前雖然開關電源發展很快，但很多對高頻干擾比較敏感的電器設備， 如 音響、逆變器、UPS等，從性能價格比上考慮，仍然使用的是線性電源。2系統硬件設計隨著集成D/A轉換器價格的降低，目前已廣泛采用D/A轉換器構成的程控電壓源和電流源來驅動感性負載（如控制偏轉線圈等所需的電流）。性價比可以滿足要求。d/a轉換 器是單片機的重要接口之一，只有通過D/A轉換器把經過單片機處理的數字信號轉換成模 擬信號才能實現對各類模擬量的控制、調節和

7、顯示。依據前述的方案論證，電源的硬件設 計采用16位分辨率的數模轉換芯片 AD5662結合單片機系統實現數控直流電流源的方案。該方法同時可設定、顯示電流值。電源部分的設計來自電網的電壓經過變壓器，得到 15V的副邊電壓，再經過整流、濾波輸出直流電壓，其中濾波電容的選擇依據是:副邊電壓平均值為X 15=18V,電源的最大輸出電流為，則輸出等效負載為：18/=,根 據全波整流濾波原理，濾波電容 C的取值應滿足()RlC (35)T/2 可以計算電容C的取值范圍為4200-7200 F。為進一步減小紋波，實際選取容值為 4只 4700UF/25V電解電容。電流變換D/A轉換部分1、AD5662勺結構

8、特點AD566是美國模擬器件公司(Analog ,簡稱ADI)設計生產的精密16位單片數字/模擬 變換器,它采用先進薄膜工藝制造而成。具有以下特性：低成本、低功耗、高精確度，最 低精確度為12位。工作電源為，當工作電壓為3V、5V時，功耗為、，可由電池供電。當 處于掉電模式工作時，功耗分別為150nW和1000nW。AD5662的8個引腳定義如下：Vdd : + 5V電源輸入端；Vref :參考電壓輸入端；Vfb :反饋電壓輸入端；Vout :電壓輸出端；DACS :片選控制端；SCLK :時鐘端；DIN :數字輸入端；GND :模擬地。2、AD5662勺轉換原理AD5662勺輸出電壓為：其中

9、：Vref為D/A轉換器的基準電壓，為。Di為數字編碼。如圖所示，設計的數控電流源輸出為：其中：RSC為米樣電阻。由此可見，louT與數字編碼Di成正比。這樣，通過編程改變數字編碼Di即可實現對IoUT的 數字控制。AD5662I勺最大輸出為 V，此時，可通過改變電阻R5調整電流源滿量程輸出為，輸出 零點在系統校準時進行調整。V/I變換部分1、采樣電阻的選擇(1) 采樣電阻的阻值根據V/I變換給定值與A/D轉換的輸入范圍決定。若阻值小，則功 耗低，發熱量小，但輸出采樣電壓低，信噪比降低，需經 AD62進行放大后，與A/D轉換器 CS5513勺輸入范圍 2V相匹配。所以折中考慮選用熱穩定性較好的

10、 75mV/ 5A的標準采樣 電阻。本次設計最=,則在最大電流下的功耗為P=IU= X =。(2) 功耗計算：采樣電阻的額定值75mV/5A，則阻值為75mV- 5A= 大輸出電流為，則采樣電阻上的壓降為XR1、R3、R4和運放等組成電流調整電路，控 R4并聯組成采樣電阻，可調電阻R3用于微調 采樣電阻采用75mV/5A的分流器。采樣電壓2、電流調整原理及調整管的選擇電流調整電路如圖2-2所示。圖中Q1、制電壓(D/A OUT)加在運放正輸入端，R3、采樣電阻，采樣電阻將輸出電流轉換為電壓，加在運放負輸入端，同時送往單片機測量(A/D IN1)。電流輸出端為圖中l-OUT1、l- OUT2 兩

11、端點，R8為限流電阻。當需要調高輸出電流時，D/A OUT電壓增加，運放輸出電壓升高，Q1導通程度增加，導致輸出電流增加。當需要調低輸出電流時，D/A OUT電壓減小，運放輸出電壓降低，Q1導通程度減小，導致輸出電流減小。圖2-2電流調整電路其中，MOS管的功耗計算為：15V的副邊電壓，再經過整流、濾波輸出直流電壓為X15=18V，設計電源輸出電流最大為，MOS管的理論功耗為X 18=45W。實際選取時,考慮一定的裕量，MOS管功耗應大于X 45=，故選用IRF520，其性能指標為：其中濾波電容的選擇依據是:電路采用了電流反饋，正常情況下， MOS管不過流，但為了保護電源，既使輸出電 流大于4

12、A時，電源依然可以不損壞，增加一個保險電阻，輸出電流大于時，關斷，電流 減小時，自動恢復。開路和過載保護：解決開路和過載保護的方法是測量輸出電壓 (圖中I-OUT1、I- OUT2 兩端點間電壓)，由于這兩點電壓比較高，因此需分壓后送A/D測量，分壓電阻盡量取大， 以減小對輸出電流影響)，當超過額定值時認為是開路或過載。例如在開路狀態時，輸出 端兩點電壓會很高，能夠檢測出來；當出現過載，即負載電阻很大，輸出電流也很大時， 輸出端兩點電壓也會很高，也能夠檢測出來，這時系統會將輸出電流降低到0mA，同時產 生報警信號，從而實現了開路和過載保護功能。A/D采樣部分的設計CS5513結構性能CS551

13、3是一種低成本、易于使用、可用于直流測量的 20位的模數轉換器。其封裝為8 腳SOIC，內部包括一個4階調制器和一個濾波器，小體積，可以節省設計的空間。低 成本，低功耗，易于使用。CS5513的8個引腳定義如下：VCC : + 5V電源輸入端；Vref :參考電壓輸入端；Dout :數字輸出端；ADCS :片選控制端；SCLK :時鐘端；AIN+、AIN-:模擬輸入端；GND :模擬地。線性誤差：%FS，無噪聲分辨率：17位。 差分模擬輸入(雙極性)。參考電壓范圍：250mV5V。至U 163Hz輸出字速率片上振蕩器，無需再外加時鐘源。電源配置：V+=5V，V-=0V或多種雙電源配置。 低功耗

14、：正常模式為，休眠模式為 10u W。CS5513的主要性能指標如下：(1)(2)(3)(4)(5)(6)(7)根據這些優點，本次設計選用 CS5513ADC對V/I變換輸出的電流信號進行采樣。 CS5513接口設計CS5513的模擬輸入為：CS5513的差分輸入范圍大約是差分參考電壓(Vref-V-)的 ±(±)倍。當Vref和V-之間的參考電壓為時，其完全差分為±。通過調采樣電阻上的輸出壓降為,與CS5513的允許輸入相比，需放大1950- =52倍。采用 AD620進行放大。AD620是一種高性能的儀用放大器其對稱性結構可同時滿足對放大器 的抗共模干擾能力、

15、輸入阻抗、閉環增益的時間和溫度穩定性等不同的性能要求。 整R7實現52倍的放大。 主控單元電路的設計主控單元電路由單片機、硬件監控電路、LCD顯示和鍵盤構成。該系統的核心部分是89C58單片機。它的片內帶有32kB的flash存儲器，其I/O接 口資源分配如下：P0 口接LCD顯示器。P1 口接4X4位的矩陣鍵盤。P2 口可根據需要連 接。如圖#2-1所示，89C58單片機與AD5662接口連接中，89C58的輸出由直接連到了 DIN端，AD5662的DACS片選控制端則與相連。CS5513與單片機之間采用串行接 口，Dout端與相連，ADCS片選控制端與相連。接 AD5662和CS5513的

16、SCLK端。硬件監控電路硬件監控電路X5045內置512字節的E2PROM，用來存儲系統校準 A/D、D/A通道 時的校準系數以及鍵盤設置的步進長度、濾波參數等，具有掉電保護功能。該系統在工作過程中，由于干擾等因素的影響，CPU處于未知狀態，比如一旦有可能 出現死機、程序“跑飛”、進入死循環，或電源電流降到系統設定位置時就需要將系統復 位，因此，為了使系統可靠工作并保存設定數據，利用 X5045來完成復位、看門狗及電源 監控。LCD顯示采用8位并行的接口方式，具有內置漢字庫的顯示摸塊LCM12832ZK，可顯示兩行，每行8個漢字，漢字、字符顯示多。LCD顯示信息容量大、界面友好、直觀，方便設定

17、 值的輸入、測量值顯示以及菜單顯示和參數設置。鍵盤采用4M矩陣鍵盤，線掃描接口方式，有 09十個數字鍵、小數點和五個功能鍵。 功能鍵的定義如下：A鍵、mA/ESC鍵：顯示和設定單位的轉換，可由 A、mA/ESC鍵更改。輸入設定值 后，按A鍵、mA/ESC鍵，直接得到所需的A和mA值，方便輸入。按ESC鍵為取消， 用于退出菜單或取消已鍵入的數據。Men u/Set鍵：為菜單/設置鍵。按此鍵可進入菜單界面。設置時用來輸入電流設定 值，設定的單位由當前的單位設定決定。UP鍵、Down鍵：在非菜單狀態下，作為對當前設定值的增、減控制。增、減步長 由菜單中的步長項設置決定。在菜單狀態下，控制菜單中項的選

18、擇或對某一參數值的增、 減。片外系統數字校準：CS5510/11/12/13片上沒有用于偏置和增益的校準，需要用外部微控制器來實現，任何偏置和增益都 可以用微控制器中的編碼來修正，例如：執行一個系統偏置校準，來確定是系統的“零點”與輸入到系統信號的零點相同然后用戶可以獲得一 個轉換，并將其存到存儲器中，比如系統的零點（ZP）。這個數值可以用于以后的轉換字的零點校準。對于20位的轉換器（CS5512和CS5513 ），多次轉換的平均值可以使偏置量更準確。對于16位的轉換器（CS5510和CS5511），取平均值可能沒有意義，因為當用的標稱電壓為 VREF （）時，噪聲將低于一個 LSB的大小。系

19、統增益校準可以使系統知道校準電壓值（Veal）。并且獲得依次轉換（注意，Veal應該低到足夠補償ADC可能岀現的）3系統軟件設計A/D選擇模塊：完成電流采樣值的選取 鍵盤處理模塊：完成鍵盤掃描和鍵值轉換 菜單處理模塊：人機界面交互操作LCD人機顯示模塊：主要在中斷中完成數據及菜單顯示 校準摸塊：完成系統校準和系數計算運算模塊：對測量原始值和測量值運算。輸岀相應的工程量或代碼 掉電數據存儲模塊：實現數據參數的掉電保存和上電恢復1. 數控直流電流源軟件功能分析 要完成題目所給任務，軟件功能應包括以下幾個功能模塊：1.2.3.4.5.6.7.各模塊之間通過動態數據，靜態數據以及運行狀態，相互聯結形成

20、以數據驅動方式運行的整體。各模塊連 接關系及數據流向如圖X-X所示。由于設計中需要進行復雜的浮點數據計算和轉換，led的數據顯示也是較為繁瑣，所以決定使用C51語言完成整體程序設計。Keil公司的uVision3 IDE開發環境具有非常強大的編譯、調試功能，在該環境下采用模塊化編程，可實現良好的人機界面處理和復雜的數據運算，也便于以后代碼的維護和完善。由于沒有外擴數據存儲器，僅有P89C58內置的256字節的存儲器，所用設計中應使用小模式編譯，盡量避免大的數組和結構變量的使用，盡量多的使用局部變量和采用數據段覆蓋技術，以減小內存的開銷。圖X-X 軟件功能模塊及數據流向2. 主要模塊的分析與設計

21、菜單處理模塊為了能實現系統的靈活操作，精度的提高，程序中設計的各種菜單項，以完成不同情況下，使系統處于最AD零點和滿程調整：主要調用電流校注模塊完成 輸岀參數將存入 E2pROM中保存。DA的零點和滿程調整：完成 設定步長： 該值。 濾波系數：是為YxAD通道的系統零點和通道系統K的計算，模塊的DA通道的零點和通道系數 K的標定。菜單中設定的步長是可任意設定的，初始步長為步。在設定狀態下的電流增減設置將使用AD通道濾波設值， 丫0 （X Yo）Ka 其中Ka是濾波系數，其值在（ 系統標準模塊濾波方式采用一階滯后方式：（式 ）120）中可選。菜單相關代碼請參閱附錄（X ）。佳狀態，菜單模塊中包含

22、以下各項:1.A/D重點調整2.A/D滿程調整3.D/A零點調整4.D/A滿程調整5.設定步長6.濾波系數7.鍵盤曰8.退岀系統設計中，硬件通道總是存在非零輸岀和滿程增益誤差。要消除該誤差，可使用硬件零點調整和滿 程調整，也可以使用軟件來消除該誤差。本設計就是使用軟件系統校準的方式來完成的，該方式具有靈活， 方便的特點。校準模塊包含 AD通道的校準和 DA通道的校準兩部分。校準原理AD通道主要用于測量輸岀的電流值。在系統輸岀電流為0A時，系統保存下當前 AD采樣值，作為AD系統零點丫0；在輸入信道加入滿量程信號，本設計為，記下此時的AD采樣值Yfs，則可按下列公式計算通道系數K。k電（式 ）Y

23、fs 丫0Eh :工程量上限，此設計中為 El :工程量下限，此設計中為0A Yfs :系統校準時滿量程 AD采樣值 丫0 :系統校準時零點 AD值通道校準系數 K和丫0作為系統靜態參數存儲于E2PROM中，在計算工程量時，將同實時采樣值一起使用公式X-X計算岀當前電流值。Ex （Yx Y0）K El （式 ）式中El :工程量下限值Yx :實時AD采樣值丫0 :系統AD零點值K:通道校準系數DA較準原理由于DA輸岀在0V附近有非線性，V/I變換電路也具有死區，所以如果不對DA通道進行零點和滿程校準，其輸岀值將會產生很大誤差。DA的校準和AD的校準原理基本相同，只是人工校準稍微復雜些。使用菜單

24、中的 DA零點校準，可輸入065535中的任意值，直到輸岀剛剛顯示電流讀數。按確認鍵，系統記下此時的DA零點值丫。使用DA滿程調整菜單項，輸入 DA代碼（0-65535 ）使電路輸岀電流表顯示為。按確認鍵，記下此時 DA代碼Yfs。此時系統將根據兩個數值計算DA通道校準系數，校準公式如：K（式）x-x中就可以計算岀對應電流設定值所需的下面是參數寫入代碼部分: char wr_p aram(void) uchar i,j;i=byte_read( PTIA);EhEl式中：Eh ：電流輸岀最大值，此設計中為El ：電流輸岀最小值，此設計中為0AYfs ：電流輸岀為 Eh時的DA輸岀值丫0 :電流

25、輸岀為 El時的DA輸岀值 在系統調用運算模塊時，程序將輸入的電流設定值代入式DA代碼值。Y （Yx El）K Yo （式 ） 式中Yx ：鍵盤輸入的電流值Yo :電流輸岀El時的DA代碼值K : DA校準系數 El :電流輸岀下限值掉電參數存儲模塊E2P ROM為了使儀表在校準過程中生成的參數和設定的參數，在下次上電時仍然保持，設計中使用了 作為參數的存儲器。該存儲器具有512byte的存儲空間，SP2串行操作，具有很高的可靠性。程序中對所有需要保存的參數寫成一個結構體，并對參數的正確性進行校驗，盡可能恢復最近一次的 參數。參數結構及程序設計如下：typ edef structfloatad

26、_zero;ad系統零點floatad_euk;ad工程系數uintda_zero;Da系統零點floatda_euk;da工程量系數floatda_ste p;da步進長度ucharfilter_times;AD濾波系數un itcheck_sum;檢驗和paramlnF lash;char * code comm_msg="OFF","ON",；/*/ void dis p_ok(char * msg)LcdDis playStri ng(14,0,msg)；#defi ne samp le_times float filter_sa mp le(v

27、oid) uchar i； float sum=0；for(i=0；i<sa mpl e_times；i+) sum+=(float)cs5513_data_read()； "" return (sum/sa mp le_times)；32f",；.")； f",； f",； .")； f",； LcdDis playStr in g(0,1,buff)；LcdDis playStr in g(0,1,buff);LcdDis playStri ng(0,1,buff);LcdDis playStr in g

28、(0,1,buff);LcdDis playStr in g(0,1,buff);LcdDis playStri ng(0,1,buff);temp=Co nsoleGetStri ng(buff,0,8);LcdDis playStri ng(0,1,buff);tem p=Co nsoleGetStri ng(buff,0,8);LcdDis playStr in g(0,1,buff);LcdDis playStr in g(0,1,buff); disp_ok("OK");while(getchar_kb()!=vk_mA_SET);break;case 5:/濾波

29、系數sp ri ntf(buff,"FT:%bu",;LcdDis playStr in g(0,1,buff);Con soleGotoxy(3,1);tem p=Co nsoleGetStri ng(buff,0,8);if(te mp=vk_ENTER)val=(uchar)atoi(buff);if(val>=0 && val<=50)=val;Co nsoleClearLi ne(1);sp ri ntf(buff,"FT:%bu",;LcdDis playStr in g(0,1,buff); disp_ok("OK");while(getchar_kb()!=vk_mA_SET);break;case 6:/ 鍵盤