数控电流源的设计综述.docx

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数控电流源的设计综述

测控电路

课程设计

课程设计名称：

数控电流源设计

专业班级：

学生姓名：

学号：

指导教师：

刘建娟

同组人姓名：

课程设计时间：

2013.12.25—2014.01.03

测控电路课程设计任务书

学生姓名

专业班级

学号

题目

数控电流源的设计

课题性质

工程设计

课题来源

参考书

指导教师

刘建娟

主要内容

（参数）

参考期刊、文献等资料设计数控电流源电路，包括以下内容：

（1）D/A转换电路；

（2）U/I显示电路；（3）运算放大器放大电路；（4）显示电路；

根据以上内容要求来设计电路图并具体分析电路图的特性。

任务要求

（进度）

第1-2天：

确定课程设计题目，查阅相关技术资料；

第3-6天：

确定设计内容及方案，并按照确定的方案设计单元电路，对各单元电路进行功能分析；

第7-8天：

进一步修正方案并画出电路图；

第9-10天：

撰写课程设计报告，将各部分内容完整地呈现在报告中，并对本次课程设计进行总结。

主要参考

资料

[1]张国雄.测控电路.北京：

机械工业出版社.，2011.

[2]邓北川.浅谈模拟PID电路的学习与辨识.西安：

西安航空技术高等专科学校学报，2007.

[3]胡寿松.自动控制原理.北京：

科学出版社，2002.

[4]康华光.电子技术基础.北京：

高等教育出版社，1988.

审查意见

系（教研室）主任签字：

年月日

引言

数控电源是从80年代才真正的发展起来的，期间系统的电力电子理论开始建立。

这些理论为其后来的发展提供了一个良好的基础。

在以后的一段时间里，数控电源技术有了长足的发展。

但其产品存在数控程度达不到要求、分辨率不高、功率密度比较低、可靠性较差的缺点。

因此数控电源主要的发展方向，是针对上述缺点不断加以改善。

单片机技术及电压转换模块的出现为精确数控电源的发展提供了有利的条件。

新的变换技术和控制理论的不断发展，各种类型专用集成电路、数字信号处理器件的研制应用，到90年代，已出现了数控精度达到0.05V的数控电源，功率密度达到每立方英寸50W的数控电源。

从90年代末起，随着对系统更高效率和更低功耗的需求，电信与数据通讯设备的技术更新推动电源行业中直流/直流电源转换器向更高灵活性和智能化方向发展。

在80年代的第一代分布式供电系统开始转向到20世纪末更为先进的第四代分布式供电结构以及中间母线结构，直流/直流电源行业正面临着新的挑战，即如何在现有系统加入嵌入式电源智能系统和数字控制。

早在90年代中，半导体生产商们就开发出了数控电源管理技术，而在当时，这种方案的性价比与当时广泛使用的模拟控制方案相比处于劣势，因而无法被广泛采用。

由于板载电源管理的更广泛应用和行业能源节约和运行最优化的关注，电源行业和半导体生产商们便开始共同开发这种名为“数控电源”的新产品。

现今随着直流电源技术的飞跃发展, 整流系统由以前的分立元件和集成电路控制发展为微机控制, 从而使直流电源智能化, 具有遥测、遥信、遥控的三遥功能, 基本实现了直流电源的无人值守。

从组成上，数控电源可分成器件、主电路与控制等三部分。

目前在电力电子器件方面，几乎都为旋纽开关调节电压，调节精度不高，而且经常跳变，使用麻烦。

数字化智能电源模块是针对传统智能电源模块的不足提出的，数字化能够减少生产过程中的不确定因素和人为参与的环节数，有效地解决电源模块中诸如可靠性、智能化和产品一致性等工程问题，极大地提高生产效率和产品的可维护性。

数控直流电流源作为稳定电源的分支，在工程技术和测量领域中有着重要的实用价值，其涉及的应用由稳定电磁场、校正电流表等扩展至激光、超导、现代通信和传感技术等领域。

基于模拟电路的电流源虽然可以实现高精度、宽电流范围输出，但其结构复杂, 调整困难，指示不直观。

随着单片机技术的发展，数字控制电流源开始出现，其以控制灵活、调节方便等特点展示了良好的应用前景。

 一般的恒流电流源往往是电流值固定，或是有限数值档的电流值输出，不便于通用。

数字控制的电流源则通过单片机作为核心控制器，通过键盘设置所需的电流值，电流值取值范围大，使用方便灵活。

数控电流源课程设计

一：

设计总任务：

设计一个8档数字控制电流源，要求在控制按键的作用下，电流源输出电流依次为0、10mA、20mA、30mA、40mA、50mA、60mA、70mA，同时用LED数码管显示这8个电流档位。

二：

设计总目的：

通过本次设计，熟悉运算放大器，计数器，D/A转换器，译码/显示电路的应用，并熟悉负反馈的应用。

三：

设计内容：

第一部分

控制电路与D/A转换电路的设计：

控制电路和D/A转换电路主要有芯片74LS161和DAC0832两个芯片构成，74LS161的

依次循环输出000，001,010,011,100,101,110,111。

采用8位D/A转换器DAC0832完成D/A转换。

当74LS161的

在000-111之间变化时，D/A转换器的理论输出电压U1在

之间变化。

第二部分

U/I转换部分

图一电压放大器

U/I转换电路如下：

图二U/I转换电路

第三部分

设计任务：

为数控电流源设计档位显示电路。

设计目的：

通过本实验，熟悉数字译码器的使用，熟悉CC4511七段锁存译码驱动器的使用。

设计原因：

总的实验目的是要设计一个电流大小可以用数字方式控制的电流源，并可以在控制按键的作用下，电流源输出电流依次为0、10mA、20mA、30mA、40mA、50mA、60mA、70mA，同时用LED数码管显示这8个电流档位，因此要设计一个档位电视电路。

设计电路：

显示电路部分：

图三档位显示电路

显示电路可采用图三所示电路，其中Q2、Q1、Q0为计数器输出信号分别接图中C、B、A处，即芯片CC4511的2引脚，1引脚和7引脚。

工作原理：

一：

数字显示译码器

a.七段发光二极管（LED）数码管

LED数码管是目前最常用的数字显示器，图（a）（b）为共阴管和共阳管的电路，（c）为两种不同出线形式的引出脚功能图。

一个LED数码管可用来显示一位0-9十进制和一个小数点。

小型数码管（0.5寸和0.36寸）每段发光二极管的正向压降，随显示光（通常为红、绿、黄、橙色）的颜色不同略有差别，通常约为2-2.5V，每个发光二极管的点亮电流在5-10mA。

LED数码管要显示BCD码所表示的十进制数字就需要一个专门的译码器，该译码器不但要完成译码功能，还要有相当的驱动能力。

（c）符号及引脚功能

图三LED数码管

b.BCD码七段译码驱动器

此类译码器型号有74LS47（共阳），74LS48（共阴），CC4511（共阴）等，本电路采用CC4511码锁存七段译码驱动器。

驱动共阴极LED数码管。

CC4511是BCD-7段锁存译码驱动器，在同一单片结构上由COS/MOS逻辑器件和n-p-n双极性晶体管构成。

这些器件的组合，使CC4511具有低静态耗散和高抗干扰及源电流高达25mA的性能。

由此可直接驱动LED及其他器件。

输出端分别检测显示、亮度调节、存储或选通一BCD码等功能。

当使用外部多路转换电路时，可多路转换和显示几种不同的信号。

图四为CC4511引脚排列:

图四CC4511引脚排列

其中

A.B.C.D为BCD码输入端

a.b.c.d.e.f.g为译码输入端，输出“1”有效，用来驱动共阴极LED数码管。

为测试输入端。

=“0”时，译码输出全为“1”。

为消隐输入端。

=“0”时，译码输出全为“0”。

LE为锁定端。

LE=“1”时，译码器处于锁定（保持）状态，译码输出保持在=0时的数值，=0为正常译码。

表一为CC4511功能表，内接有上拉电阻，故只需在输出端与数码管笔段串入限流电阻即可工作。

译码器还有拒伪码功能，当输入码超过1001时，输出全为“0”，数码管熄灭。

表一：

实验室只要接通+5V电源和将十进制数的BCD码接至译码器的相应输入端A.B.C.D即可以数字0-9的形式显示出相应要调节的档位。

二.工作特性:

静态特性：

参数

测试条件

规范值

IoH

（mA）

V0

（V）

V1

（V）

VDD

（V）

-55

℃

-40

℃

25

℃

85

℃

125

℃

单位

VOL输出低电平电压

（最大）

-

-

5/0

10/0

15/0

5.0

10.0

15.0

0.05

V

VOH输出高电平电压

（最小）

-

-

5/0

10/0

15/0

5.0

10.0

15.0

4.0

9.0

14.0

4.1

9.1

14.1

4.2

9.2

14.2

V

VIL输入低电平电压

（最大）

-

0.5/3.8

1.0/8.8

1.5/13.8

-

5.0

10.0

15.0

1.5

3.0

4.0

V

VIH输入高电平电压

（最小）

-

0.5/3.8

1.0/8.8

1.5/13.8

-

5.0

10.0

15.0

3.5

7.0

11.0

V

VOH输出高电平驱动电压

（最小）

0

5

10

15

20

25

-

-

5.0

4.0

-

3.8

-3.55

3.4

4.1

-

3.9

-

3.4

3.1

4.2

-

3.9

3.5

-

-

V

0

5

10

15

20

25

-

-

10.0

9.0

-

8.85

-

8.7

8.6

9.1

-

9.0

-

8.6

8.3

9.2

-

9.0

-

8.4

-

0

5

10

15

20

25

-

-

15.0

14.0

-

13.9

-

13.75

13.65

14.1

-

14.0

-

13.7

13.5

14.2

-

14.0

-

13.5

-

IOL输出低电平电流

（最小）

-

0.4

0.5

1.5

5/0

10/0

15/0

5.0

10.0

15.0

0.64

1.6

4.2

0.61

1.5

4.0

0.51

1.3

-3.4

0.42

1.3

2.8

0.36

0.9

2.4

mA

I1驶入电流

-

-

15/0

15.0

±0.1

±1.0

uA

IDD电源电流

（最大）

-

-

-

5.0

10.0

15.0

5.0

10.0

20.0

5.0

10.0

20.0

150.0

300.0

600.0

uA

动态工作条件：

参数

规范值

单位

VDD=5V

VDD=10V

VDD=15V

最小

最大

最小

最大

最小

最大

tWLE脉冲宽度

400

-

160

-

100

-

ns

tH保持时间

0

-

0

-

0

ns

tSU建立时间

150

-

70

-

40

-

ns

动态特性（TA=25℃）：

参数

测试条件

VDD（V）

规范值

单位

最小

最大

tPLH传输延迟时间

A→Y

CL=500pF

RL=200K

tr=20ns

tf=20ns

5.0

10.0

15.0

-

1040

420

300

ns

tPHL传输延迟时间

A→Y

5.0

10.0

15.0

-

800

350

300

tPLH传输延迟时间

→Y

5.0

10.0

15.0

-

700

350

250

tPHL传输延迟时间

→Y

5.0

10.0

15.0

-

300

150

100

tPLH传输延迟时间

→Y

5.0

10.0

15.0

-

500

250

170

tPHL传输延迟时间

→Y

tTHL传输转换时间

5.0

10.0

15.0

-

310

185

160

tTLH传输转换时间

5.0

10.0

15.0

-

100

75

65

tWLE脉冲宽度

5.0

10.0

15.0

400

160

100

-

tSU建立时间

5.0

10.0

15.0

150

70

40

-

tH保持时间

5.0

10.0

15.0

0

0

0

-

C1输入电容（任一输入端）

-

7.5pF

三．逻辑图：

图五逻辑图

第四部分

总体方案设计：

本设计要求一个电流大小可以用数字方式控制的电流源。

一般情况下，对电流直接控制会比较困难，而对电压的控制则要求简单得多，而且容易实现，因此工程上常设计一个电压/电流转换电路，即U/I转换电路，U/I转换电路的输出信号为电流I，输入信号为控制信号电压U，U、I之间的关系为

I=KU

式子中的K为一个不为0的系数。

而后通过对电压的控制实现对电流的控制，其中K由U/I转换电路的结构和元件参数确定。

控制电压U可以通过数字控制方式得到，本设计中的电压U由计数器和按键构成的控制电路控制D/A转换器产生。

本设计中要求产生的电流共有8档，由此可以由8进制计数器控制D/A转换器产生8种不同数值的控制电压。

本次方案的原理框图如下图所示：

图六数控电流源原理框图

本次方案的电路原理图如下图所示

图七总体电路原理图

设计总结：

这次课程设计历时两周，从最开始的选题，查阅与题目相关的技术资料，到后来的分析电路，每一步都有很大的收获，通过做这次课程设计，将电路中一些知识系统地综合起来，将理论知识与实际的项目相结合，可以更好地理解测控电路。

通过对数控电流源电路的分析，得出了数控电流源电路的优点，即：

（1）原理简单，使用方便

（2）适应性强等。

作为在工业控制中最常用的控制方式，数控电流源电路具有强大的生命力，已经可以满足工业控制的需要。

但是，对于一些特殊的行业，例如军事工业、航天工业等，则需要一些复杂的数控电流源电路才能满足控制的需要。

设计心得：

这次单片机课程设计我们历时两个星期，在我们班里算是倒数几组完成的吧，但经过这两个星期的实践和体验下来，我们又怎么会去在乎那个先后问题呢，因为对我来说学到的不仅是那些知识，更多的是团队和合作。

现在想来，也许学校安排的课程设计有着它更深层的意义吧，它不仅仅让我们综合那些理论知识来运用到设计和创新，还让我们知道了一个团队凝聚在一起时所能发挥出的巨大潜能。

在这次课程设计中，我们运用到了以前所学的专业课知识，如：

preteus制图、模拟和数字电路知识等。

虽然过去从未独立应用过它们，但在学习的过程中带着问题去学我发现效率很高，这是我做这次课程设计的又一收获。

短短两周的课程设计已经结束了，通过这次的课程设计锻炼了我们的实践能力，也是对我们以后的实际工作能力的具体训练和考察过程。

现在是一个高科技的时代，单片机已经成为当今计算机应用中空前活跃的领域，在生活中可以说是无处不在的。

因此对于我们这一专业的同学来说，学好单片机，并正确应用单片机是非常重要的。

在整个设计中我懂得了许多东西，也培养了我独立工作的能力，树立了对自己工作能力的信心，相信会对今后的学习工作生活有非常重要的影响。

而且大大提高了动手的能力，使我充分体会到了在创造过程中探索的艰难和成功时的喜悦。

虽然这个设计做的也不太好，但是在设计过程中所学到的东西是这次课程设计的最大收获和财富。

参考文献

[1]张国雄.测控电路.北京：

机械工业出版社.，2011.

[2]邓北川.浅谈模拟PID电路的学习与辨识.西安：

西安航空技术高等专科学校学报，2007.

[3]胡寿松.自动控制原理.北京：

科学出版社，2002.

[4]康华光.电

子技术基础.北京：

高等教育出版社，1988.

数码管显示原理：

数码管按段数分为七段数码管和八段数码管，八段数码管比七段数码管多一个发光二极管单元（多一个小数点显示）；按能显示多少个“8”可分为1位、2位、4位等等数码管；按发光二极管单元连接方式分为共阳极数码管和共阴极数码管。

共阳数码管是指将所有发光二极管的阳极接到一起形成公共阳极（COM）的数码管。

共阳数码管在应用时应将公共极COM接到+5V，当某一字段发光二极管的阴极为低电平时，相应字段就点亮。

当某一字段的阴极为高电平时，相应字段就不亮。

。

共阴数码管是指将所有发光二极管的阴极接到一起形成公共阴极（COM）的数码管。

共阴数码管在应用时应将公共极COM接到地线GND上，当某一字段发光二极管的阳极为高电平时，相应字段就点亮。

当某一字段的阳极为低电平时，相应字段就不亮。

数码管要正常显示，就要用驱动电路来驱动数码管的各个段码，从而显示出我们要的数字，因此根据数码管的驱动方式的不同，可以分为静态式和动态式两类。

　　①静态显示驱动：

静态驱动也称直流驱动。

静态驱动是指每个数码管的每一个段码都由一个单片机的I/O端口进行驱动，或者使用如BCD码二-十进制译码器译码进行驱动。

静态驱动的优点是编程简单，显示亮度高，缺点是占用I/O端口多，如驱动5个数码管静态显示则需要5×8＝40根I/O端口来驱动，要知道一个89S51单片机可用的I/O端口才32个），实际应用时必须增加译码驱动器进行驱动，增加了硬件电路的复杂性。

②动态显示驱动：

数码管动态显示接口是单片机中应用最为广泛的一种显示方式之一，动态驱动是将所有数码管的8个显示笔划"a,b,c,d,e,f,g,dp"的同名端连在一起，另外为每个数码管的公共极COM增加位选通控制电路，位选通由各自独立的I/O线控制，当单片机输出字形码时，所有数码管都接收到相同的字形码，但究竟是那个数码管会显示出字形，取决于单片机对位选通COM端电路的控制，所以我们只要将需要显示的数码管的选通控制打开，该位就显示出字形，没有选通的数码管就不会亮。

通过分时轮流控制各个数码管的的COM端，就使各个数码管轮流受控显示，这就是动态驱动。

在轮流显示过程中，每位数码管的点亮时间为1～2ms，由于人的视觉暂留现象及发光二极管的余辉效应，尽管实际上各位数码管并非同时点亮，但只要扫描的速度足够快，给人的印象就是一组稳定的显示数据，不会有闪烁感，动态显示的效果和静态显示是一样的，能够节省大量的I/O端口，而且功耗更低。

2.1主要思路：

如图2.1

图2.1主流程图

应用光敏三极管组成的传感器进行实时采样，并将采样的信号送入差分电路，经过信号放大送入减法运算放大电路，经过信号调整，送入ADC转换器中，将模拟信号转换为数字信号，送入单片机，对数据进行处理，从而使实时采样的值在数码管显示电路中即时显示出来。

图2.1.2由光敏三极管组成的传感器电路

当具有光敏特性的PN结受到光辐射时，形成光电流，由此产生的光生电流由基极进入发射极，从而在集电极回路中得到一个放大了相当于β倍的信号电流。

不同材料制成的光敏三极管具有不同的光谱特性，与光敏二极管相比，具有很大的光电流放大作用，即很高的灵敏度。

光敏三极管与普通半导体三极管一样，是采用半导体制作工艺制成的具有NPN或PNP结构的半导体管。

它在结构上与半导体三极管相似，它的引出电极通常只有两个，也有三个的。

为适应光电转换的要求，它的基区面积做得较大，发射区面积做得较小，入射光主要被基区吸收。

和光敏二极管一样，管子的芯片被装在带有玻璃透镜金属管壳内，当光照射时，光线通过透镜集中照射在芯片上。

2.2原理图

2.2.1单片机最小系统

图2.2.1单片机最小系统图

5V电源：

给系统供电。

复位电路：

程序跑飞时复位电路可以使程序从新执行，相当于电脑的重启。

晶振：

给单片机运行提供时钟。

比如电脑的2.2GHz频率。

EA接高电平：

表示运行内部程序存储器下载的程序。

P0口接排阻：

P0口开漏结构，使用时一般接排阻拉高电平。

对于一个完整的电子设计来讲，首要问题就是为整个系统提供电源供电模块，电源模块的稳定可靠是系统平稳运行的前提和基础。

51单片机虽然使用时间最早、应用范围最广，但是在实际使用过程中，一个和典型的问题就是相比其他系列的单片机，51单片机更容易受到干扰而出现程序跑飞的现象，克服这种现象出现的一个重要手段就是为单片机系统配置一个稳定可靠的电源供电模块。

此最小系统中的电源供电模块的电源可以通过计算机的USB口供给，也可使用外部稳定的5V电源供电模块供给。

单片机复位电路原理是在单片机的复位引脚RST上外接电阻和电容，实现上电复位。

当复位电平持续两个机器周期以上时复位有效。

复位电平的持续时间必须大于单片机的两个机器周期。

具体数值可以由RC电路计算出时间常数。

单片机晶振的作用是为系统提供基本的时钟信号。

通常一个系统共用一个晶振，便于各部分保持同步。

有些通讯系统的基频和射频使用不同的晶振，而通过电子调整频率的方法保持同步。

ATC89C51使用11.0592MHz的晶体振荡器作为振荡源，由于单片机内部带有振荡电路，所以外部只要连接一个晶振和两个电容即可，电容容量一般在15pF至50pF之间。

2.2.2信号采集及放大电路

图2.2.2信号采集及放大电路

2.2.3数码管显示电路