9/9全國(guó)大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽設(shè)計(jì)報(bào)告全國(guó)大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽設(shè)計(jì)報(bào)告

編號(hào)：F甲1004

題目：數(shù)控直流電流源

學(xué)校：山東大學(xué)

參賽隊(duì)員姓名：楊喜超，夏驛杰，馬云朋

目錄

一.

數(shù)控直流電流源

wellasareference.ThenoursoftwarewillworkasaregulatorbasedontheADvalue(acloseloopwiththeDAoutput)toensureourworkstooutputthehighaccuratecurrent.

Keywords:

OP07withahighCMRRandalowtemperaturedrift,

close-loopadjusting,12_bitD/AconverterAD767,

12_bitA/DconverterAD574,SPCE061A(MCU),

numericalcontroldirectcurrentsupply

二.方案選擇與和論證

2.1設(shè)計(jì)要求：

2.1.1基本要求：

（1）輸出電流范圍：200mA～2000mA；

（2）可設(shè)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(duì)值≤給定值的1％+10mA；

（3）具有“+”、“-”步進(jìn)調(diào)整功能，步進(jìn)≤10mA；

（4）改變負(fù)載電阻，輸出電壓在10V以內(nèi)變化時(shí)，要求輸出電流變化的絕對(duì)值≤輸出電流值的1％+10mA；

（5）紋波電流≤2mA；

（6）自制電源。

2.2.2、發(fā)揮部分

（1）輸出電流范圍為20mA～2000mA，步進(jìn)1mA；

（2）設(shè)計(jì)、制作測(cè)量并顯示輸出電流的裝置(可同時(shí)或交替顯示電流的給定值和實(shí)測(cè)值)，測(cè)量誤差的絕對(duì)值≤測(cè)量值的0.1％+3個(gè)字；

（3）改變負(fù)載電阻，輸出電壓在10V以內(nèi)變化時(shí)，要求輸出電流變化的絕對(duì)值≤輸出電流值的0.1％+1mA；

（4）紋波電流≤0.2mA；

（5）其他。

2.2總體設(shè)計(jì)方案

2.2.1控制核心MCU方案選擇

我們的控制核心采用SPCE061A單片機(jī)

SPCE061A是繼μ’nSP系列產(chǎn)品SPCE500A等之后凌陽(yáng)科技推出

的又一個(gè)16位結(jié)構(gòu)的微控制器。

主要性能如下：

■16位μ’nSP微處理器；

■工作電壓：VDD為2.4~3.6V(cpu),VDDH為2.4~5.5V(I/O)；

■CPU時(shí)鐘：32768Hz~49.152MHz；

■內(nèi)置2K字SRAM、內(nèi)置32KFLASH；

■可編程音頻處理；

■32位通用可編程輸入/輸出端口；

■32768Hz實(shí)時(shí)時(shí)鐘，鎖相環(huán)PLL振蕩器提供系統(tǒng)時(shí)鐘信號(hào)；

■2個(gè)16位可編程定時(shí)器/計(jì)數(shù)器(可自動(dòng)預(yù)置初始計(jì)數(shù)值)；

■2個(gè)10位DAC(數(shù)-模轉(zhuǎn)換)輸出通道；

■7通道10位電壓模-數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)和單通道語(yǔ)音模-數(shù)轉(zhuǎn)換器；

■聲音模-數(shù)轉(zhuǎn)換器輸入通道內(nèi)置麥克風(fēng)放大器自動(dòng)增益控制

(AGC)功能；

■系統(tǒng)處于備用狀態(tài)下(時(shí)鐘處于停止?fàn)顟B(tài))耗電小于2μ

A@3.6V；

■14個(gè)中斷源：定時(shí)器A/B，2個(gè)外部時(shí)鐘源輸入，時(shí)基，鍵喚

醒等；

■具備觸鍵喚醒的功能；

■使用凌陽(yáng)音頻編碼SACM_S240方式(2.4K位/秒)，能容納210秒

的語(yǔ)音數(shù)據(jù)；

■具有低電壓復(fù)位(LVR)功能和低電壓監(jiān)測(cè)(LVD)功能；

■內(nèi)置在線仿真電路接口ICE（In-CircuitEmulator）；

■具有保密能力；

■具有WatchDog功能；

凌陽(yáng)單片機(jī)強(qiáng)大的功能，完全可以滿足我們整個(gè)系統(tǒng)控制A/D，D/A轉(zhuǎn)換，LCD顯示，鍵盤驅(qū)動(dòng)以及語(yǔ)音功能的要求。凌陽(yáng)同時(shí)支持匯編與C語(yǔ)言，編程方式靈活，C語(yǔ)言用來(lái)做主體程序框架，大大減輕編程的負(fù)擔(dān)。需要指出的是，語(yǔ)音功能是凌陽(yáng)的一大特色，是其他單片機(jī)是無(wú)法比擬的。

2.2.2設(shè)計(jì)思路

根據(jù)題目要求系統(tǒng)可劃分為以下幾個(gè)基礎(chǔ)模塊，如圖：

圖（1）

方案選擇：1.電源方案

a)單片機(jī)以及相關(guān)芯片工作電源方案選擇

單片機(jī)需要在+5V電壓工作，我們按照題目要求，制作了電源，采用目

前比較流行的穩(wěn)壓管技術(shù)，利用7805，7812，7912，7815，7915等穩(wěn)壓管，獲得+5V，±12V，±15V，完全可以滿足單片機(jī)以及相應(yīng)芯片的電壓要求。

b)壓控電流源功率電源方案選擇

由于電流源的最大電流需要達(dá)到2A，估算一下功率要達(dá)到30W以所以我們選用功率大的變壓器（需要改進(jìn)）2.電流源模塊方案選擇（）

1)采用穩(wěn)壓管和可調(diào)變阻器組成恒流源。穩(wěn)壓管用來(lái)提供基準(zhǔn)電壓，通過(guò)人工調(diào)節(jié)變阻器來(lái)獲得合適電流。公式為l

wRRU

I+=

該方案特點(diǎn)是：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易

于實(shí)現(xiàn)。但是從公式可以看出，其輸出電流與負(fù)載有關(guān)系，在使用過(guò)程中，需要不斷調(diào)節(jié)變阻來(lái)獲得合適的電流，負(fù)載一旦改變，就需要重新進(jìn)行調(diào)節(jié)，所以使用起來(lái)很不方便。顯然，如果想對(duì)這種方案進(jìn)行只能控制只能對(duì)電阻進(jìn)行編程，軟件實(shí)現(xiàn)起來(lái)比較困難。

2）使用三極管和一些電阻搭建直流電流源，如右圖：負(fù)載電流為

e

WLRUI7

.0-=

，其中wU為穩(wěn)壓管的電壓。由公式可知，電流只與eR有關(guān)，不隨負(fù)載變化而變化。通過(guò)改變電阻eR的阻值獲得相應(yīng)的電流，同方案（1）線性改變電流值不容易實(shí)現(xiàn)。另外，由于三極管本身的恒流特性容易受到外界因素的影響，比如溫度，單獨(dú)做電流源，不能長(zhǎng)期保持穩(wěn)定工作狀態(tài)。

3)利用場(chǎng)效應(yīng)管，構(gòu)建恒流源。電阻sR為電流的主要決定因

素。sR與場(chǎng)效應(yīng)管構(gòu)成反饋回路，可以輸出比較穩(wěn)定的電流可以根

據(jù)以下兩個(gè)公式sGSIRU-=和2

)()

|

|||1(offGSGSDDSUUII-

=（為漏電流為夾斷電壓DDSIGSU）可以計(jì)算出電流。通過(guò)改變s

R來(lái)電流，所以不適合用來(lái)做數(shù)控電流源。

4)使用運(yùn)放和一些電阻來(lái)搭建電流源。集成運(yùn)放的一些基本運(yùn)算電路可以產(chǎn)生電流，如圖，，并且可以通過(guò)電壓0V來(lái)改變輸出電流LI，單片機(jī)可以使用DA芯片對(duì)其進(jìn)行控制。但是其有一個(gè)很大的缺點(diǎn)，能夠產(chǎn)生的電流比較小，不能完成題目的大電流的要求。

5）我們考慮到4）方案在數(shù)控方面具有可行性，決定對(duì)其電路進(jìn)行改進(jìn)。由于運(yùn)放輸出電流比較小，我們需要做的是增大電流輸出，在運(yùn)放輸出口串接大功率三極管，對(duì)電流進(jìn)行放大。另外，采用雙反饋來(lái)屏蔽負(fù)載電阻對(duì)電流的影響。具體方案如下文論述。

2.2.2控制模塊的模擬電路設(shè)計(jì)方案確定：

實(shí)用恒流源的設(shè)計(jì)與計(jì)算。我們利用集成運(yùn)放和三級(jí)三極管組成的大功率復(fù)合管構(gòu)成電壓控制的恒流源，其中運(yùn)放OP07通過(guò)反饋提供基準(zhǔn)參考電壓，復(fù)合管對(duì)電流進(jìn)行放大。

本圖中采用電阻浮置而負(fù)載接地，因NR浮置，故需要兩個(gè)反饋電阻1fR和

2fR。常規(guī)的反饋nR用于電流采樣，而1fR接到NR的另一端用于提供基準(zhǔn)電壓，若不用2fR，則NR和xR均成為采樣電阻，0I就要和xR有關(guān)，不成其為恒流源。

由OP07，T1~T2組成復(fù)合管（三個(gè)管子的功率依次增大），1fR負(fù)反饋電阻組

成通向放大器，其放大倍數(shù)為（1+1fR/R1），電路負(fù)載端電壓I*XR作為反饋信息，通過(guò)2fR發(fā)反饋到放大器同向端時(shí)輸出電流I保持恒定，NR為標(biāo)準(zhǔn)電阻，其決定了輸出電流的范圍，比如1Ω時(shí)，輸出電流在0-2A。

恒流源輸出電流I原線路參數(shù)如下：此電路為同向輸入電路，由同向輸入運(yùn)算放大電器的性質(zhì)可列出下列方程3NR，0I，（前提條件：xR<<NR）

)1()1(1

22

120RRRRRIRRRRRRUUnnxnaaN

+++++=（1）

x

Nx

xRRRUIR+=0

（2）

由（1）（2）兩式得：

)1/(112δN

xnaaNNRR

RRRRRRRUI++?+?=

（3）其中

)1(1

122

RRRRRRna+?+-

=δ（4）

由（3）（4）兩式可看出，當(dāng)1R=2R，nR=aR，同時(shí)xR變化范圍為xR<NR時(shí)

δ=0。于是N

N

RUI=

。結(jié)論：（1）當(dāng)1R=2RnR=aR；xR<NR時(shí)，恒流源的輸出電流只與NU和NR有關(guān)。（2）當(dāng)NR一定時(shí)，I與NU成正比（3）當(dāng)NU一定時(shí)，改變NR，I也改變。

采用類似系列電路時(shí)必須

（1）選精密電阻使其偏差應(yīng)小于0.01%，才能使得δ=0。

（2）為了保證恒流源性能NR須是水泥電阻或者經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期老化的錳銅電阻。（3）如果負(fù)載xR的變化范圍大于NR時(shí)，可在提高級(jí)準(zhǔn)點(diǎn)壓NU方面進(jìn)行考慮。（4）如應(yīng)用于大電流輸出（1-5A）的場(chǎng)合，則三極管應(yīng)加散熱片，保證圈子的

熱及時(shí)擴(kuò)散以保證電流恒定。

我們采用高精度水泥電阻作為采樣電阻NR，精密電阻選用金屬膜電阻，為了減少誤差，我們?nèi)斯慕饘倌る娮柚惺褂?位半萬(wàn)能表一一檢測(cè)，以確保電

阻的精度減少系統(tǒng)誤差。

2.2.3通過(guò)軟件仿真模擬確定推測(cè)的方案的可行性程度；

為了確保方案的可行性，我們利用Multisim2003硬件仿真模擬軟件對(duì)該模塊進(jìn)行仿真，模擬觀察該模塊的工作情況，經(jīng)過(guò)模擬發(fā)現(xiàn)OP07集成運(yùn)放能滿足小電阻負(fù)載小電流的情況，但是一旦電流輸出超出2A，電流的線性幾乎不存在了，顯然一路電流不能夠滿足電流源的要求，于是我們利用簡(jiǎn)單的電路并聯(lián)電流相加原理，同時(shí)使用兩個(gè)模塊供電，這樣每個(gè)模塊只需要分擔(dān)一半的工作量，一方面實(shí)現(xiàn)了大電流要求，另一方面，避免了單獨(dú)電路模塊不能長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定工作的缺陷，利用Multisim仿真后，仿真效果與理論分析符合得很好，我們決定采用這個(gè)方案。

2.2.4人機(jī)界面：

本系統(tǒng)采用OCMJ4X8C(128*64)圖形漢字兩用液晶作為主要顯示工具。該液晶帶有總多控制字，程序開(kāi)始時(shí)，先對(duì)液晶初始化，之后，每次先通過(guò)控制字制定開(kāi)始位置，然后寫入點(diǎn)陣信息。開(kāi)機(jī)時(shí)顯示歡迎畫面，對(duì)用戶操作進(jìn)行提示，人機(jī)界面友好，圖形美觀。

2.2.5聲光報(bào)警提示：

用于提示其是否工作在安全范圍內(nèi)，防止因操作失誤引發(fā)的消除不掉的外部電流超出正常輸出顯示輸出電流大小而引發(fā)外圍電路的燒毀，或因電流太小不能正常供電。（軟件上設(shè)定輸入值范圍，超出了則不執(zhí)行）該電路只采用了555等常見(jiàn)芯片，一位控制端只占用一位I/O口。

三.系統(tǒng)的具體設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

3.1系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)：

3.1.1電源部分：考慮到若其負(fù)載功率大，應(yīng)采取一定的保護(hù)，比如加上保險(xiǎn)絲等，

3.1.2鍵盤/顯示器接口電路

相連掃描確定輸入信息。LCD模塊采用串行輸入，占用三個(gè)

I/O口（）。

我們?cè)瓉?lái)打算使用Array7289做鍵盤模塊，使

用中斷模式與單片機(jī)

進(jìn)行通訊，以節(jié)省IO

口的使用，但是考慮

到我們的IO數(shù)量可

以滿足直接通訊的要

求，另外我們用到的語(yǔ)音播報(bào)功能同樣使用到中斷，為了避免中斷沖突，影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性，我們最后決定采用直接通訊方式。

LCD有并行通訊和串行通訊兩種通訊方式，并行方式響應(yīng)速度比較快，不過(guò)，要占用比較多的IO資源，串行方式雖然速度相對(duì)來(lái)說(shuō)比較慢，但是本系統(tǒng)對(duì)實(shí)時(shí)性要求并不是很高，完全可以采用串行通訊方式。另外，我們使用的液晶模塊自帶字庫(kù)，編程起來(lái)比較容易實(shí)現(xiàn)。

3.1.4D/A和A/D模塊原理圖：

本模塊采用十二位AD芯片AD574（如下圖），

采用十二位DA芯片AD767（如下圖）

精度分析：12位DA的滿偏電壓為10V,最小電壓步進(jìn)值為

V002441.0210

12

，然后這個(gè)電壓除以采樣電阻NR(5.1歐姆)，可以得到理論上的最小步進(jìn)值為4.7862e-4，即0.48mA?？梢詽M足題目中的電流步進(jìn)要求。同樣，12位AD轉(zhuǎn)換器AD574也可以滿足系統(tǒng)的測(cè)試要求以及閉環(huán)調(diào)節(jié)。

3.1.5聲光報(bào)警模塊：

用555芯片的受控震蕩產(chǎn)生一定頻率的控制的周期性明滅和聲音的有無(wú)實(shí)現(xiàn)一位I/O口控制的報(bào)警電路：

聲光報(bào)警在實(shí)際輸出超出正常情況時(shí)燈亮警響，告訴使用者超過(guò)使用范圍，應(yīng)采取必要措施！

3.1.6紋波電流的處理紋波電流（RippleCurrent），是指直流中摻雜的有害交流成分，對(duì)于一些

直流環(huán)境中長(zhǎng)期工作的器件來(lái)說(shuō)，會(huì)造成較大損害，減少使用壽命。所以，做直流源，必須考慮電源的濾波措施。一般采用濾波電容或者電感進(jìn)行濾波。我們反感采用電容濾波，電源供應(yīng)器的濾波電容的選擇是根據(jù)整流管后的有效值電壓及紋波電流來(lái)選擇電容，電容有“通交流，隔直流”的作用，過(guò)濾紋波電流就是利用電容“通交流”作用。由于紋波的大小跟電容的ESR值有關(guān)，在選擇電容時(shí)考慮使用耐紋波電流的電容可以很好的消除紋波電流和延長(zhǎng)電容的使用壽命。在電路的幾個(gè)關(guān)鍵部分，如電源部分，DA輸出，以及采樣電阻后，添加相應(yīng)的濾波電容即可很好的濾掉有害紋波部分，滿足題目的紋波要求。

3.1.7系統(tǒng)誤差分析：

1.DA轉(zhuǎn)換的精度。AD574內(nèi)置齊納參考電壓在滿偏時(shí)存在0.1%的誤差，和1/2的LSB偏移。

2.核心電壓轉(zhuǎn)換電流模塊。輸入電阻和反饋電阻不可能做到嚴(yán)格相等，采樣電阻本身存在一些精度的問(wèn)題。

3.由于所有電路板都是手工焊接，飛線的不良影響也應(yīng)該被考慮在誤差原因之內(nèi)。雖然我們嚴(yán)格按照AD，DA模塊電路的要求焊接，但是不能消除電路對(duì)精度的影響。AD，DA模塊轉(zhuǎn)換精度肯定要受到影響。

4.高溫器件對(duì)低溫器件的影響。像AD，DA，MCU器件都需要工作在溫度比較低的狀態(tài)，而電流源模塊在大電流范圍時(shí)，要散發(fā)大量的熱，會(huì)對(duì)低溫器件

造成影響。所以在整個(gè)系統(tǒng)布局的時(shí)候，需要考慮整個(gè)系統(tǒng)的散熱，以及相關(guān)器件的分布問(wèn)題。

3.2系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)：

本系統(tǒng)控制算法可以用PID算法，PID算法是根據(jù)輸入的偏差值，按比例、積分、微分的函數(shù)關(guān)系，進(jìn)行運(yùn)算，將其運(yùn)算結(jié)果用以輸出控制。其控制精度較高但是相對(duì)響應(yīng)的時(shí)間較長(zhǎng)，而且參數(shù)的設(shè)定和調(diào)整比較繁雜，要通過(guò)反復(fù)的調(diào)試才能找到相對(duì)比較理想的參數(shù)值，在本系統(tǒng)中，不需要使用到復(fù)雜的PID算法，只需要進(jìn)行簡(jiǎn)單實(shí)用的閉環(huán)調(diào)節(jié)。

在理論上計(jì)算和實(shí)踐多次調(diào)試過(guò)程中，我們發(fā)現(xiàn)D/A輸出的電壓與系統(tǒng)輸出的電流有很好的線性關(guān)系，所以我們采用了增量法。所謂的增量法就是在上一次的輸出量的基礎(chǔ)上需要增加(負(fù)值意味減少)相應(yīng)的量。

在實(shí)際的實(shí)現(xiàn)過(guò)程中，系統(tǒng)通過(guò)AD采樣來(lái)確定實(shí)際輸出值與要求輸出值的偏差，然后根據(jù)這個(gè)偏差，來(lái)調(diào)整輸出公式的系數(shù)，然后系統(tǒng)重新輸出電流。而后AD再次進(jìn)行采樣，直到電流值與要求輸出的電流值相符。

3.2.2主程序及其流程圖：

本程序以菜單顯示為主線，由初始化、預(yù)置值判斷、主菜單以及三個(gè)子菜單組成，整體工作流程表示為右圖：

3.2.3預(yù)設(shè)置子菜單程序及其流圖：

主要功能設(shè)置系統(tǒng)開(kāi)始輸出電流值。

3.2.4顯示輸出電流子菜單及其流程

圖：

主要功能是定時(shí)查詢并顯示輸出電流值，可通

過(guò)A/D調(diào)整比例系數(shù)，進(jìn)行閉環(huán)調(diào)節(jié)，從而提

高系統(tǒng)輸出的精度。

3.2.5步進(jìn)調(diào)節(jié)輸出子菜單及其流程圖:

主要功能是步進(jìn)的調(diào)節(jié)電流的輸出，步進(jìn)調(diào)整的范圍分別為1mA,10mA，然后

通過(guò)參數(shù)的計(jì)算實(shí)現(xiàn)高精度的電流輸出，并在LCD上顯示其輸出電流值。

軟件設(shè)計(jì)的特點(diǎn)

1.為了防止誤操作輸入工作范圍之外的值而引發(fā)不必要的事故，通過(guò)軟件設(shè)定輸入值的大小，只有在其范圍內(nèi)的才可以輸入！

2.畫面顯示有向?qū)崾?，便于明確操作！

3.其他功能的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

（1），配有數(shù)值語(yǔ)音播報(bào)功能

（2）中英文界面的切換功能

4.系統(tǒng)功能測(cè)試及其整體指標(biāo)：

4．1使用的儀器儀表記錄表：

PC機(jī)

DT－2058數(shù)字萬(wàn)用表

MASTECH@MY-65系列萬(wàn)用表

毫伏表（需要注明型號(hào)）

4.2測(cè)試環(huán)境

4.3系統(tǒng)的測(cè)試

4.3.1輸出范圍的確定（20-2000mA）

通過(guò)比較與分析知其正常工作的范圍是：[0.-2.5A]

通過(guò)軟件設(shè)定范圍為[0.2-2A],顯示可以實(shí)現(xiàn)。

偏差分析結(jié)果知平均偏差率基本符合題目要求！4.3.2步進(jìn)調(diào)整檔位測(cè)試記錄分析：

4.3.3，紋波電流的測(cè)定記錄與分析

4.3.4測(cè)試結(jié)果分析

經(jīng)過(guò)測(cè)試基本達(dá)到預(yù)期設(shè)想。以下可能產(chǎn)生誤差的原因有：

1.數(shù)字萬(wàn)用表精度不夠；

2.焊接布線也在一定程度上影響精度；

3.A/D為十二位，精度有待進(jìn)一步提高；

4.在電阻等器件本身存在不可避免的誤差；

5.現(xiàn)有的測(cè)量存在不可避免的誤差；

如果在精度方面要進(jìn)一步的提高，可以：換用十六位AD，進(jìn)一步提高精度。

如果在范圍上擴(kuò)大：可采用N路工作電流并聯(lián)，提供的電流為原來(lái)的N倍，同時(shí)要考慮前端的功率供應(yīng)情況。

5.結(jié)束語(yǔ)

本系統(tǒng)以凌陽(yáng)十六位單片機(jī)為工作核心部分，利用AD轉(zhuǎn)換控制電壓調(diào)制電流輸出模塊電路工作在線形條件下，輸出步進(jìn)一致遞增，實(shí)現(xiàn)前端開(kāi)關(guān)電源供電后在輸出端穩(wěn)恒輸出，同時(shí)DA反饋信息通過(guò)軟件修正使輸出更精確，

經(jīng)過(guò)測(cè)試，本數(shù)控直流電流源可以達(dá)到設(shè)計(jì)要求的功能，同時(shí)還可以：

①電流源輸出電流范圍為:200mA-2000mA本系統(tǒng)仍有擴(kuò)充的余地

②可對(duì)輸出的電流進(jìn)行步進(jìn)輸出，步進(jìn)可為1mA,5mA,10mA,50mA，并通過(guò)LCD液晶實(shí)時(shí)顯示

③可以能夠?qū)崟r(shí)測(cè)量輸出電流并顯示；

④中英文切換，實(shí)現(xiàn)較好的人機(jī)對(duì)話；

⑤聲光報(bào)警