1、 數控正弦電流源摘要：本系統以壓控正弦電流源為核心，輸入交流200240V，50Hz，輸出正弦電流，負載電壓<15V。原理框圖如下：鍵盤控制器電流源負載顯示器電 源 以AT89S52為主控制器，通過鍵盤來設置電源的輸出電流值和峰谷值，及頻率，具有“+”、“-”步進調整功能，電流步進等級為2mA，輸出電流范圍02000mA；頻率范圍為10到100HZ，可任意設定，默認值為40HZ；電流峰谷值可任意設定，但設定范圍不超過電流平均值，峰谷默認值為63mA。本系統輸出電流在1000mA以內時相對誤差不超過0.2%，輸出電流在2000mA以內時誤差不超過0.5%。另外，本系統可以通過液晶顯示電流值

2、，峰谷值，頻率。通過單片機程控輸出數字信號，經過D/A轉換器（TLC5615）輸出模擬量，然后經過電平轉換，運放放大器，壓控正弦電流源，輸出所需電流。壓控電流部分由精密運放OP07，大功率場效應管（MOSFET）IRFP460及大功率精密電阻組成，它具有結構簡單，精度較高的特點。本題使用兩套供電系統。為滿足本題中最大電流為2000mA的要求，我們制作了開關電源，它具有功率大，體積小，效率高的特點。考慮到系統的穩定性及精度要求我們又制作了線性電源，為最小系統及壓控部分單獨供電。本設計全面達到并超過了基本要求，發揮部分能滿足大部分要求，擴展部分增加了掉電后記憶上次設定值的功能。關鍵詞 MCU、D/

3、A轉換器、EEPROM、MOSFET、壓控電流源一、引言隨著電子技術的發展，電子系統的應用領域越來越廣泛，電子設備的種類也越來越多，對電源的要求更加靈活多樣。電子設備的小型化和低成本化使電源以輕、薄、小和高效率為發展方向。傳統的晶體管串聯調整穩壓電源，是連續控制的線性穩壓電源，這種傳統穩壓電源技術比較成熟。并且已有大量集成化的線性穩壓電源模塊，具有穩定性能好、輸出紋波電壓小、使用可靠等特點。但其通常都需要體積大且笨重的工頻變壓器和隔離之用，濾波器的體積和重量也很大。而調整管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

4、只有45%左右，另外，由于調整管上消耗較大的功率，所以需要采用大功率調整管并裝有體積很大的散熱器，于是它很難滿足電子設備發展的要求，從而促成了高效率、體積小、重量輕的開關電源的迅速發展。本設計就是利用單片機對正弦電流源的輸出電流進行控制，進而實現對系統輸出電流值進行智能控制，滿足輸出電流范圍為02000mA，步進為10mA的要求，加入了負載電壓測量電路能同時顯示電流的給定值，測量誤差滿足要求，且具有較高的性能，在輸出電壓變化時輸出電流的穩定度能較好的滿足要求。 二、總體方案論證與選擇 2.1根據題目要求制定的設計目標根據設計要求和使用的需要，設計的數控正弦電流源具有以下功能：（1）電源輸出電流

5、范圍02000mA，可預置，步進2mA，可以設置電流的峰谷值及頻率，具有測量負載電壓的裝置，可顯示電流的給定值，峰谷值，頻率，測量誤差滿足要求。（2）用戶對數控電源的控制，通過4×4鍵盤進行控制，通過鍵盤可實現一下功能：·選擇“步進”時，可通過“+”、“-”以2mA為步長逐步控制輸出電流的增減。·選擇“預置”后，LCD顯示的輸入電流值消失，通過按鍵09從高位到低位逐個輸入待輸出電流的值，再按下“確定”后確定輸入的輸出電流值并通過D/A改變輸出電流；如按下“步進”返換回之前的電流值進入步進狀態。（3）整機由自制穩壓電源供電，輸入交流220V，輸出直流±15

6、V，+5V的線性電源和專門給負載供電的+15V開關電源。（4）具有負載電壓測量裝置并通過LCD1602顯示。（5）由于是簡易電源，在設計時充分注意成本因素，使電源具有較高的性能價格比。 （6）因為本設計任務為制作電源，為其他設備供電，所以安全性很重要。考慮到若在設定時不對輸出值進行任何操作則電源輸出值不確定，有可能會損壞負載，故本設計采取了在每次設定時先由控制器對輸出值清零的方法。2.2各種實現方案比較論述2.2.1 調整管方案基本框圖如圖2.2.1所示，此方案主要特點在于使用一套雙計數器完成系統的控制功能，其中二進制計數器的輸出經過D/A變換后去控制誤差放大的基準電壓，以控制輸出步進。十進制

7、計數器通過譯碼后驅動數碼管顯示輸出電壓值，為了使系統正常工作，必須保證雙計數器同步工作。采用中小規模器件實現系統的數控部分，使用的芯片很多，造成控制電路內部借口信號煩瑣，中間相互關聯多，抗干擾能力差，雙計數器一旦出現計數不同步，會導致顯示電壓與輸出電壓不一致；輸出部分采用線性調壓電路，以改變其基準電壓的方法使輸出步進增加/減小。圖2.2.1 調整管方案基本框圖2.2.2 MCU作為主控制器的方案 本方案以MCU作為主控制器，通過壓控電流源電路把電壓信號轉化為電流信號，用鍵盤來控制，通過顯示部分把MCU處理的結果反饋給用戶。2.2.2.1MCU的選擇在眾多MCU芯片系列中，我們主要有以下選擇：（

8、1）MSP430系列 MSP430系列單片機是由TI公司開發的16位單片機。其突出特點是超低功耗，非常適合于各種功率要求低的場合。它的另一個特點是a/d，包含了具有8個外部通道的12位高性能A/D轉換器。利用芯片內置的自動掃描功能，A/D轉換器可以不需要中央處理器的協助而獨立工作。另外它還包括看門狗、脈寬調制定時器(PWM)、比較器、USART口以及輸入/輸出引腳等部件。由上可知MSP430系列單片機具有很多外加功能，但是它的這些外加功能在本題中幾乎不需要，而且作為電源，它主要的省電方法應該在如何提高轉換效率上而不是芯片的功耗上，因為芯片的耗電量遠小于系統因發熱帶來的損耗。它還有一個弱點：價格

9、較高。（2）Avr系列Avr系列單片機是ATMEL公司生產的8位單片機。它廢除了機器周期，拋棄復雜指令計算機(CISC)追求指令完備的做法；采用精簡指令集，以字作為指令長度單位，將內容豐富的操作數與操作碼安排在一字之中(指令集中占大多數的單周期指令都是如此)，取指周期短，又可預取指令，實現流水作業，故可高速執行指令。當然這種速度上的升躍，是以高可靠性為其后盾的。 它的flash+內置eeprom是很好的賣點。而且它還內置10位A/D、看門狗、脈寬調制定時器(PWM)、比較器、USART口等部件，功能強大。但是這些功能在本設計中幾乎無用武之地，另外，Avr單片機價格較高。（3）MCS-51系列M

10、CS-51系列單片機是在一塊芯片中集成了CPU、RAM、ROM、定時器/計數器和多功能I/O等基本功能部件，它是單片機的基本型號，其他系列單片機多是在51系列的基礎上添加一些其他功能或是某些功能更加完善。它應用廣泛，價格低廉，具有單片機的基本功能，對于完成本題指標已經完全夠用。AT89S51有128字節的RAM，4K的ROM；AT89S52有256字節的RAM，8K的ROM。本設計因需要單片機完成眾多任務，程序較大，需要更多的ROM，而且為了提高速度，需要更大的RAM。綜合上述，考慮本題對單片機性能的要求及價格因素，我們最終選擇了MCS-51系列的AT89S52單片機。2.2.2.2壓控電流源

11、部分的選擇壓控電流源是系統的重要組成部分,它的功能是用電壓來控制電流的變化,由于系統對輸出電流大小和精度的要求比較高,所以選好壓控電流源電路顯得特別重要。對于壓控電源模塊我們有兩個設計電路，這部分方案設計如下（都是以AT89S52為主控制器的）：（一）、以三個精密運放OP07通過一個巧妙的設計來實現壓控電流，該部分的具體電路如圖2.2.2.1所示。 設計的正弦電流源主要是由反相加法器、電壓跟隨器、反相器構成，通過一個極其巧妙的設計來達到壓控電流的目的。(A點與B點之間的壓降與DA點的電壓的絕對值相等，電壓跟隨器輸入正端電流為0，因而負載RL上的電流與AB點之間采樣電阻Rm的電流相等。只要改變D

12、A的電壓，就能控制負載電流的改變和步進)反相加法器處：(3-2-1)電壓跟隨器： (3-2-2)反相器： (3-2-3)將式(3-2-1)、(3-2-2)和(3-2-3)的左右進行相加就可以得到(3-2-4)化簡后得到 (3-2-5)所以 (3-2-6) (由于VDA為負的，所以得到的IRL肯定為正的。)但是該電路對電阻的匹配性要求較高，運放兩端的電阻不完全相等時，就不能很好的實現電壓的反向、放大，最終使的恒流源誤差很大，精度下降。且該電路還要求有很好的保護電路，這樣該電路有會變的煩瑣，給電路調試帶來很大的困難，最終都會影響正弦電流源的精度。（二） 由運算放大器、大功率場效應管IRF460、采

13、樣電阻、負載電阻RL等組成。該電路連接簡單，壓控電流部分主要只要一塊OP07、IRF460的大功率的場效應管和精密采樣電阻即可實現，且穩定性比較好，精度高，沒有對電阻匹配的依賴性，也不許要保護電路，能夠滿足題目要求。調試比較容易，受環境影響小。鑒于上面考慮和我們的條件,我們采用AT89S52作為主控制器，恒流源部分采用第二個恒流源的電路來實現。三、詳細軟硬件設計壓控電流源模塊電平轉換模塊根據題目要求和論證結果,本系統的系統框圖如圖3.1數控正弦信號發生模塊主控制器 （MCU） AT89S52鍵盤模塊顯示模塊掉電記憶模塊 電 源 模 塊 系統工作原理為：當有鍵盤按鍵對電流值進行預置時,AT89S

14、52單片機把所預置的數值送到液晶顯示器顯示,同時作為電流源的給定值,并輸出相應的數字信號,通過D/A轉換,使數字信號變成正弦電壓信號,此正弦電壓信號經過壓控電流元件場效應管IRF460來產生相應的電流值,場效應管的漏極電流即為恒流源的實際輸出電流。場效應管的漏極電流等于源極電流。1、硬件設計本系統硬件電路主要包括：AT89S52單片機最小系統，電源電路、數控電壓電路、壓控電流源電路、鍵盤與顯示電路、負載電壓，阻值和功率測量電路、掉電記憶電路等。下面分別說明各個電路模塊。 （一）電源的設計 根據系統要求，需要+5V，±15V三種規格的電源，其中： +5V給單片機最小系統，A/D，D/A

15、及EEPROM供電，要求電壓穩定，紋波小，對功率要求不高，故宜采用線性電源。我們使用集成三端穩壓芯片LM7805，它具有電壓穩定，紋波小，電路簡單，價格低廉等特點； 精密運放OP07需要±15V雙電源供電，它對電源的要求同上，故我們采用LM7815及LM7915； 電流源負載需要最大電流2A，最大電壓+10V，故需要+15V，2A電源供電。考慮到線性電源最大電流達不到2A，擴流又較繁，此題對電源紋波沒有要求，故宜選用開關電源。我們選用LM2576，它具有功率大，體積小，效率高，外圍電路簡單，價格合理等特點。 本設計考慮到當負載電流較大時對電源電壓的影響不容忽視，故負載與運放不能共用+

16、15V電源。 電源部分電路圖如下所示 ： （二）正弦信號發生電路設計：正弦信號發生部分主要有以下方案：（1）用波形發生芯片8038產生8038可以產生多種信號，使用方法簡單，通過調節電阻可以產生所需幅度和頻率的正弦信號，但是對于本題使用，它的致命弱點是較精確的不能數控，予以排除。（2）用DDS技術產生DDS（直接數字合成技術）是一種先進的信號發生技術，以Nyquist時域采樣定理為基礎，在時域內進行頻率合成，其相位、幅度都可以實現程控。它發生的信號可以達到很高的頻率，而且控制精度高，波形穩定，失真度小，幅度可調。因為DDS具有以上特點，所以在要求高精度數控波形發生電路，特別是頻率要求較高的電路

17、中應用廣泛。而本題中對頻率的要求不高，僅10100HZ，而且DDS芯片價格過高，沒有必要使用。（3）用單片機控制D/A產生對與10100HZ的正弦波，用單片機控制D/A即可以滿足精度及頻率要求，充分利用硬件資源，又有便于控制，易于調試，成本低等特點，綜合考慮以上方案的利弊，我們選擇方案3。根據系統要求計算，D/A最少必須達到11位。但由于12位芯片價格過高，我們采用10位D/A（TLC5615），10位D/A的精度是1/1024,這樣輸出電流2A的時候步進值約為2mA。如果使用12位D/A芯片，本系統的步進完全可以達到1mA。 因本系統采樣電阻取0.39歐（阻值過大則散熱大，導致電阻溫漂大，影

18、響精度），所以當輸入控制信號電壓值約為0.78V時電流就已經達到2A，為了有效利用D/A的有效量程（05V），我們在D/A輸出端采用電阻分壓，分壓比約為5/0.78=6.4。但是，由于D/A輸出口帶負載能力較差，若分壓電阻過小，則D/A輸出電壓會被明顯拉低。經實驗檢測，當D/A輸出口外加100K電阻時電壓被拉低的值小于1mV，由此帶來的誤差完全可以忽略不計。但若分壓電阻過大，分壓電阻電流過小，則運放OP07同向端電流（典型值為3nA）就不能忽略不計。 所以綜合以上考慮，我們選用100K與20K電阻分壓，即能充分利用D/A的有效量程，又基本不會帶來新的誤差。 TLC5615基準源電壓為2.500

19、V。在這里基準電壓對本系統壓控電流部分的系統誤差有決定性的影響，故在使用時一定要調節準確。 數控電壓部分電路圖下。通過單片機控制1 2 3 號腳，7號腳輸出電壓值。（三）壓控電流源電路設計壓控電流源是系統的重要組成部分,它的功能是用電壓來控制電流的變化,由于系統對輸出電流大小和精度的要求比較高,所以選好壓控恒流源電路顯得特別重要。采用如下電路：電路原理圖如下。該電流源電路由運算放大器、大功率場效應管Q1、采樣電阻R2、負載電阻RL等組成。電路中調整管采用大功率場效應管IRFP460，其參數為：最大D極電流20A，最大功耗300W，最大耐壓值500V等，各項指標均超過本題要求。采用場效應管,更易

20、于實現電壓線性控制電流,既能滿足輸出電流最大達到2A的要求,也能很好地實現電壓線性地控制電流。因為當場效應管工作于飽和區時，柵電流Ig等于100nA，完全可以忽略不計。所以漏電流Id等于電壓Ugs控制的電流。即當Ud為常數時,滿足：Id=f（Ugs）,只要Ugs不變,Id就不變。 在此電路中,R2為取樣電阻,最好采用康銅絲繞制（阻值隨溫度的變化較小）,但康銅絲繞制體積過大，且康銅絲外表裸露，不易絕緣。經多次測試發現用大功率精密電阻代替康銅電阻，控制精度完全可以達到要求；若電阻阻值過大，則發熱大，溫升高，阻值變化大，不利于穩流控制；若電阻阻值過小，滿量程時電壓過小，外界干擾對電流影響變大，不利與

21、抗干擾。綜合上述，我們采用大功率精密電阻，其阻值為0.39歐。 由于電流頻率要求較低，為10100HZ；精度要求較高，故采用精密型運放OP-07作為電壓跟隨器,UI=Up=Un。場效應管Id=Is(柵極電流很小,可忽略不計) 所以Io=Is= Un/R2= UI/R2。正因為Io=UI/R2,電路輸入電壓UI控制電流o,即Io不隨RL的變化而變化,從而實現電壓控制電流，且電流頻率等于控制信號的頻率。 同時,由設計要求可知：由于輸出電壓變化的范圍U=10V,Iomax=2A,可以得出負載電阻在I為2A時RLmax=5歐。（四）鍵盤顯示電路設計 鍵盤采用4×4矩陣式鍵盤,需8根口線，共有

22、16個按鍵，有“09”十個數及“步進”，“+”“-”，“峰谷值/頻率”，“負載電壓”及“確定”等按鍵。 鍵盤部分電路圖如下。 因為此題要求可顯示電流的給定值，峰谷值，頻率,負載電壓實測值,負載阻值和負載功率等項內容，若用數碼管顯示則需要太多的位數，且數碼管消耗電能過大，加重了電源的負擔，因此我們采用液晶1602，它可以顯示兩行，每行可顯示16個字符，電路簡單，并且與數碼管相比節約電能。 因1602支持8位和4位兩種模式，為了節約I/O口我們采用4位模式，加上3根控制線共需7根口線。 顯示部分電路圖如下： （五）掉電記憶部分電路設計： 為了使電源在下一次開機時能記憶并保持上次設定值以省許多不必要

23、的設置操作，我們在原有的系統基礎上增加了掉電記憶功能。此部分采用EEPROM，型號24C16。它具有容量大，體積小，可擦寫1000000次以上，數據可保持100年以上不丟失，外圍電路簡單等優良特性。其電路圖如下： 綜上，我們系統的整體電路圖如下：2、軟件設計本系統軟件流程框圖如下 四、測試結果（一）當正弦電流的頻率，峰谷值不變時改變電流預設值與負載值時的測試結果（電流單位：mA；頻率=40.00HZ；Ip-p=63mA）（1）RL=2歐預設電流值 實際輸出電流值 絕對誤差 相對誤差 %100100.20.20.2200199.70.30.15321321.30.30.09500500.80.8

24、0.16666664.91.10.17863862.70.30.031000999.20.80.0812341231.52.50.2014681463.44.60.3115791571.57.50.4717211715.95.10.3018961888.17.90.4220001990.89.20.46（2） RL=4歐預設電流值 實際輸出電流值 絕對誤差 相對誤差 %100100.20.20.2200199.70.30.15321321.40.40.12500500.80.80.16666664.91.10.17863862.70.30.031000999.30.70.0712341231.

25、62.40.1914681464.04.00.2715791573.35.70.3617211717.73.30.1918961889.56.50.3420001992.08.00.40（3） RL=10歐預設電流值 實際輸出電流值 絕對誤差 相對誤差 %100100.20.20.2200199.60.40.2321321.30.30.09500500.80.80.16666664.81.20.18863862.60.40.051000999.30.70.071234（RL=6）1231.62.40.191468（RL=6）1464.13.90.271579（RL=6）1573.35.70.36（二） 當正弦電流源的頻率，預設值不變時改變電流峰谷值時電流值的測試結果（電流單位：mA；頻率=40.00HZ；Id=888mA） 注：由于電流峰谷值沒有合適且精確度高的測量儀器，我們采取用示波器觀察負載電壓波形的方法對負載進行觀測，在示波器的測量精度內電流峰谷實測值與設定值符合情況良好。為了在一定程度上用數據表明我們產品的精確性及可靠性，我們測量了在正弦電流源的頻率，預設平均值不變時改變電流峰谷值時電流平均值的變化情況，證明了本產品在峰谷值變化時電流值幾乎不改變，從而說明本產品在峰谷值改變時波形并沒有