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电流测量运用大功率电阻。
硬件电路恒流部分的控制端主要是多个精密运算放大器OP07组成的闭环反馈控制电路,受控部分采用CMOS管IRF640进行扩流、精确输出设定电流。
电源部分采用大功率变压器供电,多级电容滤除纹波干扰;
电源输出采用三端稳压芯片进行稳压.
关键词:
可逆计数,D/A数模转换,压控恒流源
一、系统组成与原理概述
本文所设计的数控直流电源与传统稳压电源相比,具有操作方便、电压稳定度高的特点,其输出电压大小采用数字显示,原理方框组成图见图1。
它共由六部分组成。
输出电压的大小调节通过“+”、“-”两键操作,控制可逆计数器分别作加、减计数,可逆计数器的二进制数字输出分两路运行:
一路用于驱动数显电路,指示电源输出电压的大小值;
另一路进入D/A转换电路,D/A转换器将数字量按比例转换成模拟电压,然后经过压控电路控制电流。
为了实现上述几部分电路的正常工作,需另制±
15V和±
5V的稳压直流电源及一组24V的直流电压。
二.方案设计与论证
2.1控制器的选择
方案一:
采用飞利浦公司生产的LPC900系列SOC芯片作为控制器,这主要是基于PWM技术的开关电源方案。
该方案适合要求高功率输出的交流系统,电源效率高,但需要控制器高频率输出PWM波,必然引入纹波噪声,要经过多级滤波才能接入恒流源电路,实现起来比较复杂,且题目对电流精度及纹波要求很高,该方案难以胜任。
方案二:
采用AT89C51单片机进行控制。
本设计需要使用的软件资源比较简单,采用AT89C51进行控制也就比较简单,但是51单片机资源有限,集成度比较低,控制输入输出,需要外接8279之类的芯片进行I/O扩展,需要的外围电路比较多,再加上DA、AD等,实现起来就比较复杂。
方案三:
通过开关的断开与闭合,控制双时钟74LS192十进制可逆计数器的输入端4、5引脚的高低电位变化,从而使输出端3号、2号、6号、7号引脚的电位发生规律性变化,把输出的数字信号经译码器74LS48的7号、1号、2号、6号引脚,继而实现了数码管从0mA-1000mA的显示。
采用该方案所用的电路原理简单,所用器材比较实用,实现与操控相对简单。
因此,通过三个方案的比较,我们决定选用方案三。
2.2恒流源的选择
由晶体管构成镜像恒流源。
该电路电流的测量精度受到两个晶体管的匹配程度影响,其中涉及到比较复杂的工艺参数。
另一缺点,集电极最大输出电流约为几百毫安,而题目要求最大输出电流为1000mA,因此由晶体管构成的恒流源不适合采用。
采用电压电流转换电路。
如图2.1所示,R0为为采样电阻,负载电流I0=UI/R0,由于运放的输出电流很小,所以该电路也达不到1000mA的要求,需要加上达林顿对管TIP122和127进行扩流。
电路实现起来较复杂。
图2.1电压电流转换电路
由集成运放和场效应管构成的压控恒流源电路。
利用集成运放的电压跟随特性以及场效应管的自动模拟闭环调节能力,使输出电流能够达到要求,且电流易于控制,电路简单,应用广泛,易于实现。
图2.2压控恒流源电路
方案二加扩流和方案三都可以实现恒流源,输出电流也能满足要求,但方案二中的达林顿管的线性度变化较大,控制起来较难,其特性不如场效应管,且采样电路复杂,故采用了方案三。
2.3显示模块的选择方案
方案一:
采用LED数码管显示,简单,方便 并与前面的译码器相互配合,符合要求。
方案二:
采用LCD液晶显示器显示。
采用128×
64点阵LCD液晶显示,可视面积大,画面效果好,抗干扰能力强,调用方便简单,而且可以节省了软件中断资源。
其缺点在于显示内容需要存储字模信息,需要一定存储空间。
鉴于上面分析,本设计采用方案一。
2.4系统总体思路与框图
两按钮开关作为电压调整键与可逆计数器的加计数和减计数输入端相连,可逆计数器采用三片四位十进制同步加/减计数集成块74LS192级联而成,把第一块的进位和借位输出端分别接到下一组的加计数端和减计数端。
数显译码驱动采用三块74LS48集成块,74LS48为四线-七段译码器/驱动器,内部输出带上拉电阻,它把从计数器传送来的二-十进制的8421码转换成十进制码,并驱动数码管显示数码。
数模转换电路采用三块DAC0832集成块,它是一个8位数/模转换器,这里只使用高4位数字量输入端。
输出模拟量经90∶1,9:
1的分流器分流后经过运放求和将其转换成与数字端输入的数值,运放采用具有调零端的低噪声高速率优质运放OP07,
调整管采用大功率达林顿管,确保电路的输出电流值达到设计要求。
数控电源各部分工作所需的±
15V和+5V稳压电源由固定集成稳压器7815、7915和7805、7905提供。
结构框图如图所示:
三.系统模块电路设计
3.1电源模块
由于本系统对纹波电流要求高,故分别设计了给芯片和恒流源供电两套电源。
一套给芯片供电,包括±
5V和±
15V电源,另一套给恒流源供电。
原理图如图3.1:
图3.15V电源原理图
图3.2±
15V电源
另一套给恒流源供电。
由于系统要求输出电流达2A,纹波电流小于2mA,所以需要高精度大电流稳压电源,从根本上减小纹波电流,其电路如图3.3所示。
工频交流电经50W变压器,输出约±
20V交流电压,经过全桥整流和电容滤波,生成直流电压输送给三端稳压集成电路LM338,LM338输出电流最大可达5A能使电源输出电流达到2A以上,且纹波电压很小,满足电流源的需要。
为了尽量减小电路的干扰,除了采用普通的整流滤波外,还可以在电源端加上了有源滤波。
图3.315V电源原理图
测试次数
电源输出电压
负载电流
负载电阻
纹波电压有效值
1
12.14V
0mA
空载
250μV
2
25.14mA
482.9Ω
180μV
3
50.06mA
242.5Ω
140μV
4
100.1mA
121.3Ω
130μV
5
0.509A
23.9Ω
122μV
6
1.114A
10.9Ω
7
12.13V
2.234A
5.4Ω
3.2压控恒流输出及采样部分
采用以IRF640NPN型场效应管为主的压控电流产生电路。
图3.4压控恒流源电路
(1)如图2.4所示,运放的反相端输入端与输出端同样采用负反馈电路,且运放的同相输入端的信号来自与数模转换模块的运放输出,稳定度很高,由于运放的虚短虚断使采样电压跟随D/A输出。
采样电阻的电流
由于场效应管的压控作用,使采样电阻的电流等于负载电流。
这样恒流源的输出电流直接取决于D/A输出电压和采样电阻的比值。
通过测定采样电压确定采样电阻的电流,即流过负载的电流,场效应管起到了控制电流和可变电阻的作用。
(2)电流取样电阻的选择方案产生电流可以采用在电阻两端加电压的方法,测量电流一般采用的方法是测量电流流经电阻两端的电压进行间接计算得到的。
因此在产生电流或者测量电流值时,取样电阻的选择非常重要。
(3)方案一:
采用普通电阻。
在电流比较小的情况下,普通的1/4W或者1/8W的电阻可以被用作电流测量,但是本题需要测量的是电流源的输出电流,最大需要达到2A。
因此即使是比较小的电阻,如1Ω电阻,通过2A电流时功率也已经达到4W,大大超过普通电阻的额定功率,电阻将被烧断。
因此在本系统中,测量电流的取样电阻不能使用普通电阻。
(4)方案二:
采用大功率电阻。
为了满足流过大电流的要求,可以采用大功率电阻,如1Ω/10W的电阻,通过2A电流时一定不会被烧断。
但是此时流过的大电流将会使电阻大量发热,导致电阻温度急剧上升。
一般的大功率电阻在温度很高时,将产生比较严重的阻值温度漂移。
在产生电流的情况下,由于电压值与实际的电流值并非一一对应,将产生错误的电流;
在测量电流的情况下,测量电流也会随着阻值的温度漂移而产生严重的变化,将产生很大的测量误差。
因此用于这些情况下的取样电阻也不能使用温度漂移严重的普通大功率电阻。
3.3D/A转换部分
该部分是将十进制可逆计数器数字控制量转换成模拟量,即生成恒流源的控制电压。
题目要求最高10mA的步进功能,精度要求最少是8位。
方案一:
采用12位D/A7564转换器,7564具有此数模转换器的等效电导值可在较大范围内线性可调,稳定度好,具有精度高、无机械磨损、噪声低等诸多优点,可方便组建实现运算电路增益,偏置和时间常数调节。
但需要增加额外的硬件开销,且价格较昂贵。
方案二:
采用8位DAC0832进行数模转换,后经加法器电路得到转换结果,通过一定的控制算法,其线性度和抗干扰方面都已能满足系统的要求,并节省了成本开销和系统空间,基于以上考虑,采用了方案二。
具体的实现电路如图3.6所示。
图2.6D/A转换部分
3.4保护部分
过压报警模块
本系统是恒流源,采用负载过流保护,其电路图如图2.8所示。
通过测定负载来判断是否过流,若超过限制电流(10V)则二极管发光。
图2.8过压报警电路
四、系统测试
本系统分别经行了步进测试、输出电流测试、负载能力测试、纹波电流测试。
测试仪器包括:
采用UT803型号的数字万用表测试负载两端电压,除以负载电阻得到输出电流值。
4.1步进电流的测试
题目要求具有“+”“-”步进调整功能,步进小于等于10mA,发挥部分要求步进1mA,本设计采用8位D/A转换,精度为2000/2047=0.977mA。
步进可以调整10mA和1mA功能。
具体测试如下:
负载R=10Ω时,
设定值
实际值
设定值
20mA
20.2mA
100mA
100.3mA
30mA
30.2mA
200mA
200.2mA
40mA
40.1mA
210mA
210.3mA
50mA
50.0mA
310mA
310.6A
从测试结果看,当设定值为20-310mA的小电流时步进10mA可以达到。
测试结论:
1、电流输出范围是0-1000mA,题目要求为0mA-1000mA,都可以达到系统要求。
5.电路调试调节步骤如下
1)输入数字00000000,短接RP1、RP2、RP3,调运放调零电位器Rp4,用数字万用表检测,使输出电压Vo=0±
1mV.
2)输入数字10011001,调整RP1、RP2、RP3,使输出电压Vo达到预定的量程值。
3)主要技术指标本文所设计数控直流电源的电流输出范围为0~1000mV,步进值为10mA。
六、改进措施本电源输出电压大小尚受限制,在需要较高输出电压时,在不改变调节精度(即步进值)的前提下,只要增加计数器的级联数和相应D/A转换器的个数,扩大数显指示范围,配合选用高电压输出运放,就能轻易地满足要求。
当需要正负对称输出电压时,只要另增一组电源,对D/A转换器及调整输出电路稍作改动即可达到目的。
七、结束语
本系统主要通过控制器控制算法、D/A转换、A/D转换实现了对恒流源的数字控制,由于采样电阻及放大电路的精度和稳定性较高,场效应管承受能力较强,输出的误差较小。
此外,系统还通过电位器实现了进度调节,是本系统的方案的特别之处。
不足的是可能由于变压器的功率(50w)还不够,恒流源输出电流只能达到1000mA左右。
参考文献
[1]童诗白,华成英编著模拟电子技术基础高等教育出版社2003年
[2]吴志祥,徐磊等编著数控恒流源设计常州工学院院报2006年8月
[3]于海生等编著计算机控制技术机械工业出版社2007年
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