2.硬件设计
经初步分析设计要求，得出总体电路由以下几部分组成：电源模块，MCU微控制器、键盘、显示模块、D/A转换模块、恒流源模块、数据采集模块，以下就各电路模块给出设计方案。
2.1 MCU控制方案
采用单片机作为控制模块核心。单片机最小系统简单，容易制作PCB，算术功能强，软件编程灵活、可以通过ISP方式将程序快速下载到芯片，方便的实现程序的更新，自由度大，较好的发挥C语言的灵活性，可用编程实现各种算法和逻辑控制，同时其具有功耗低、体积小、技术成熟和成本低等优点。
利用STC89C52单片机将电流步进值或设定值通过换算由D/A转换，驱动恒流源电路实现电流输出。输出电流经处理电路作A/D转换反馈到单片机系统，通过补偿算法调整电流的输出,以此提高输出的精度和稳定性。
2.4 键盘设计方案
单片机输入设备通常有键盘、拨码开关、触摸液晶屏等，也可以采用红外遥控的方法进行输入。鉴于本设计的输入设备主要用于设定电流，采用键盘作为输入设备。
单片机常用的键盘有全编码键盘和非编码键盘两种。全编码键盘能由硬件逻辑自动提供与被按键对应的编码，如BCD码键盘、ASCII码键盘等。价格一般较高，故一般单片机应用系统中比较少采用。非白尼玛式键盘分为独立式键盘和矩阵式键盘，在硬件上只提供通、断两种状态，其他工作都靠软件来完成，经济适用，在单片机系统中使用的较多。
方案1.独立式键盘
独立式按键是直接用I/O口线构成的单个按键电路。每个独立式按键单独占用一根I/O口线，每根I/O口线的工作状态不会影响其他I/O口线的工作状态，是一种简单的键盘结构。当有任何一个按键按下时，与之相连的输入数据线即被置为逻辑“0”。而平时该数据线上保持为逻辑“1”，单片机程序中只要通过查询与键盘相连的I/O引脚位即可方便地实现按键处理。独立式按键键盘电路配置灵活，硬件结构简单，但每个按键必须占用一个I/O口线，在按键数较多时，I/O 口线浪费较大。对于此次的数控电流源系统的设计，要求键盘能够方便的置入电
流给定值，故至少需要设计0至9共10个数字按键。此外还要有步进键“+”、“—”和“菜单”键等。按键较多，所以不适合采用本方案。
方案2，矩阵式键盘
为了减少键盘与单片机接口时所占用I/O口线的数量，在按键较多时，通常都将键盘设计成行列矩阵式。在本系统的设计中由于需要有10个数字键、步进键“+”、“—”和“菜单”等，故采用16键的键盘。可以设计成4*4的矩阵行列式键盘。
2.3 显示模块设计方案
方案一：使用LED数码管显示。
LCD具有轻薄短小，可视面积大，方便的显示汉字数字，分辨率高，抗干扰能力强，功耗小，且设计简单等特点。但本系统的设计只需要显示电流的数值，对其他的没有什么要求，故不采用本方案。
方案二：使用LED数码管显示。
由于LED数码管具有显示清晰、亮度高、使用电压低寿命长等特点，因此在单片机应用系统中，通常使用它显示各种数字和字符。在本系统的设计中，只需要显示电流的数值，使用多位LED数码管能够满足要求，故采用LED数码管显示器。
2.2 D/A转换模块设计方案
方案一：采用并行D/A转换芯片
采用并行数/模转换芯片DAC0832来构成D/A转换模块。DAC0832是8-bit分辨率的D/A转换集成芯片。与微处理器完全兼容。这个D/A芯片以其价格低廉、接口简单、转换控制容易等优点，在单片机应用系统中得到广泛的应用。但由于其分辨率只有8-bit，太低，达不到本系统的设计要求，不采用本方案。
方案二：采用串行D/A转换芯片
采用串行数/模转换芯片TLC5618来构成D/A转换模块。TLC5618是带有缓冲基准输入的双路12位数模转换器，通过CM0S兼容的3线串行总线，可对TLC5618实现数字控制。器件接收的用于编程的16位字的前4位产生数据的传送模式，后12位产生模拟输出。输出电压为基准电压的两倍．且单调变化。数字输入端带有斯密
特触发器，具有较高的噪声抑制能力。TLC5618在5v电源下工作，功耗极低，并具有上电复位功能。此外TLC5618不仅与单片机接口电路简单，而且外围电路也十分简单，故采用本方案。
2.2恒流源模块设计方案
方案一：基于LM134的可调节的恒流源电路
LM134是三端可调电流源，电流调节仅需要利用一个外部电阻，可编程电流范围为1μA ~10 mA ,电流精度为±3%，电流调节能力为0.02%/V。
ISET=(VR/RSET)*1.059
由于本系统的设计要求电流的输出范围为1 ~200mA 故不采用本方案。
方案二：采用电压跟随器和达林顿管实现恒流源模块
2.5 数据采集模块设计方案
由于本系统设计的数控直流电流源输出的是直流电流，是一个模拟量。我们需要将输出的电流值转化成一个数字量在显示模块上显示相应的数值。所以数据采集模块本质上是一个模/数转化电路。
方案一：采用ADC0809芯片实现数据采集模块
ADC0809是CMOS工艺8通道，8位逐次逼近式A/D模数转换器。其内部有一个8通道多路开关，它可以根据地址码锁存译码后的信号，只选通8路模拟输入信号中的一个进行A/D转换。由于ADC0809的分辨率只有8-bit,达不到本系统的设计精度的要求，故不采用本方案。
方案二：采用MC14433芯片实现数据采集模块
MC14433是美国Motorola公司推出的单片3位半A/D转换器，其中集成了双积分式A/D转换器所有的CMOS模拟电路和数字电路。具有外接元件少，输入阻抗高，功耗低，电源电压范围宽，精度高等特点，并且具有自动校零和自动极性转换功能，只要外接少量的阻容件即可构成一个完整的A/D转换器。
采用模/数转换芯片MC14433和电压跟随器实现数据采集模块。为了能够更好地实现电路隔离，电压跟随器用运算放大器来构成，使得其输入阻抗高，几乎不从信号源吸收电流，输出阻抗低，可视为电压源。MC14433芯片的最大输出电压
有199.9mV和1.999V两档，本系统设计选择1.999V档位。
2.5 辅助电源、主电源设计方案
系统需要多个电源，单片机、D/A使用+5V稳压电源，运放需要+15V稳压电源。此外，主电源+VCC要为负载提供电流与电压，需要具有较大输出功率。
方案一：分立元件构成直流电压源
典型的串联型稳压电路见下图2所示。是由调整环节，比较放大环节，基准环节和取样环节所组成的电压负反馈闭环系统。
取样环节：由R1、R2和R
P
组成的分压电路。它将输出电压U0的变化取回
一部分U
F
（称取样电压）送刀比较放大器的基极。
基准环节：由限流电阻R3和稳压管D
Z
组成，为比较放大器T2的发射极提
供一个稳定的基准电压U
Z
。
比较放大环节：由T2、R4组成，R4为T2的集电极负载电阻。比较放大器
对取样电压U
F 和基准电压U
Z
的差值进行放大，去控制T1的基极。
调整环节：由基极偏置电阻R4及调整管组成。实际它是一个射极输出器调整管T1起电压调节作用，其C，E极间的管压降U
CE1
受比较放大器误差电压的控制，由于起电压调节作用的调整管T1与负载是串联的，故称为串联型稳压电路。
分立元件串联型稳压电路
采用分立元件设计直流稳压电源，制作和调试都比较复杂，故不采用本方案。方案二：采用集成稳压器设计直流电压源
集成稳压器又叫集成稳压电路，将不稳定的直流电压转换成稳定的直流电压的集成电路，用分立元件组成的稳压电源，固有输出功率大，适应性较广的优点，但因体积大焊点多可靠性差而使其应用范围受到限制。集成稳压器具有体积小、外接线路简单、使用方便、工作可靠和通用性强等优点。近年来，集成稳压电源已得到广泛应用，其中小功率的稳压电源以三端式串联型稳压器应用最为普遍。三端集成稳压器的输出电压是固定的，是预先调好的，在使用中不能进行调整。根据系统设计的要求，需要输出电压为+/-5V和+15V的辅助电源两个，可以采用LM317H和LM337三端集成稳压芯片。此外，还要一个输出电压为+15V的主电源。由于系统对主电源的电流要求高达2A，而集成稳压芯片LM317的最大输出电流的典型值为1.5A，故主电源中采用三端集成稳压芯片LM338。特别注意的是，由于主电源的功率较大，LM338需要配上大散热片。
系统硬件设计与实现
4.1 主电源、辅助电源电路
在本系统的设计中，单片机、D/A和数据采集模块需要±5V稳压电源，运放需要+15V稳压电源。故需要输出电压分别为±5V和+15V的两个直流稳压辅助电源。LM317是应用最为广泛的电源集成电路之一，它不仅具有固定式三端稳压电路的最简单形式，又具备输出电压可调的特点。此外，还具有调压范围宽、稳压性能好、噪声低、纹波抑制比高等优点。lm317是可调节3端正电压稳压器，在输出电压范围1.2伏到37伏时能够提供超过1.5安的电流，此稳压器非常易于使用。在应用中，为了电路的稳定工作，在一般情况下，还需要接二极管作为保护电路，防止电路中的电容放电时的高压把317烧坏。由LM317构成的电压分别为+5V和+15V的辅助电源的电路图如下。
±5V辅助电源的电路图
+15V辅助电源的电路图
主电源+VCC为负载提供电压和电流，是一种具有较大输出功率的直流稳压电源。当负载电阻取最大值5Ω、输出电流去最大值2A时，负载电阻分压为10V，采样电阻分压为2V，而达林顿管管集电极与发射极之间的压降至少要有约3V，所以主电源的输出电压至少要为15V，而且要能够提供至少2A电流的能力。
LM338是大电流可调集成稳压器，最大输出电流为5A，可调输出范围1.25V—25V。由LM338构成的电源的滤波电容要大，并且要关联一个小的电容
器以便对高频进行滤波，电容尽量靠近管脚。此外，LM338是串联调整型的稳压电源，所以它在输出小电压大电流的时候管压降很大，管子功耗相应也大，温度会很高，所以使用时要加大的散热器。以三端集成稳压芯片LM338为核心的+15V 的直流稳压电路如下图所示：
主电源的电路图
4.1 MCU控制器电路图
通过键盘模块输入给定的电流值或是步进调整信号传送给单片机，单片机在接受到信号后进行处理运算，并显示其给定的电流值，然后经D/A转换以输出电压，驱动恒流源电路实现电流输出，并将采样电阻上的电压经过A/D转换输入单片机系统，通过补偿算法进行数值补偿处理，调整电流输出。
最小系统的核心为STC89C52，为了方便单片机引脚的使用，我们将单片机的引脚用接口引出，电路下图所示：
4.5 键盘电路设计
在设计中，使用标准的4x4键盘，的可以实现0～9数字输入，键盘对单片机输入数据，键盘为 4*4 矩阵键盘，用 AT89S51 的并行口 P1 接 4×4 矩阵键盘，以P1.0 ~P1.3作输入线，以P1.4 ~P1.7 作输出线 4×4 矩阵键盘识别处理每个按键有它的行值和列值行值和列值的组合就是识别这个按键的编码。矩阵的行线和列线分别通过两并行接口和MCU通信。每个按键的状态同样需变成数字量“0”和“1”，开关的一端（列线）通过电阻接 VCC，而接地是通过程序输出数字“0”实现的。键盘处理程序的任务是：确定有无键按下，判断哪一个键按下，键的功能是什么；还要消除按键在闭合或断开时的抖动。两个并行口中，一个输出扫描码，使按键逐行动态接地，另一个并行口输入按键状态，由行扫描值和回馈信号共同形成键编码而识别按键，通过软件查表，查出该键的功能。其电路图如图7所示。
图7 键盘电路原理图
4.6 显示电路设计
显示模块要显示通过键盘置入的数值和数据采集模块采集后送回的电流值。在本系统的设计中，采用8位LED数码管。其中LED1 ~LED4用于显示电流给定值，LED5 ~LED8用于显示输出电流的测量值。数码管显示的电流值单位为mA，由AT89C52的内部串行口来控制数码管的显示工作。数码管的显示则由74LS164构成的电路来驱动。74LS164 是高速硅门 CMOS 器件，与低功耗肖特基型 TTL (LSTTL) 器件的引脚兼容。74LS164是 8 位边沿触发式移位寄存器，串行输入数据，然后并行输出。数据通过两个输入端（DSA 或 DSB）之一串行输入；任一输入端可以用作高电平使能端，控制另一输入端的数据输入。显示电路如下：
4.2 D/A 转换电路设计
根据设计基本要求，电流的输出范围为20mA ～2000mA ，将最高输出电流2000mA 进行十进制～二进制转换有
102(2000)(11111010000)
由于满足步进为1mA 的要求，可以确定D/A 转换器的分辨率为11-bit ，需选用十二位的D/A 转换器，TLC5618是较好的选择。TLC5618是带有缓冲基准输入(高阻抗)的双路12位电压输出DAC 。其数字输入端带有施密特触发器，具有很强的噪音抑制能力。TLC5618有两个输出端口OUTA 和OUTB ，且它们可以同步刷新。此外，该器件还包含上电复位功能。TLC5618与单片机的接口电路非常简单，单片机通过3线串行总线可对TLC5618实现控制，另外再接5V 电源对TLC5618进行供电。DAC 输出电压范围可编程为基准电压的两倍，其输出电压为V out =2×V ref ×D/4096。其中V ref 为TLC5618的输入参考电压，参考电压设为典型值2.048V 。
由于系统要求能够输出稳定的电流，故必须在系统中实现精密的数/模转换，所以对数/模转换器的参考电源质量要求较高。可以采用精密基准电压源MC1403为TLC5618提供参考电压。MC1403是低压基准芯片。一般用作8～12bit 的D/A 芯片的基准电压等一些需要基本精准的基准电压的场合。其输出电压:为2.5 V ，输出电流:为10 mA ， 输入电压范围: 4.5 V ~ 40 V 。当输入电压范围在4.5～15V 范围内变化时，输出电压的变化不超过3mV 。为了能够满足TLC5618参考电压为2.048V 的要求，可以通过在MC1403的输出端外接可调电阻RP1的方式满足。D/A 转换模块的电路如下：
D/A转换电路
4.4恒流源电路设计
恒流源电路的设计是本系统设计的核心，它采用电压来控制电流的变化。为了能产生恒定的电流，我们采用电压闭环反馈控制。恒流源电路原理图如下图所
示，该电路主要由运算放大器、大功率达林顿管、采样电阻R
S 、负载R
L
等组成。
取样电阻R23从输出端进行取样，再与基准电压比较，并将误差电压放大后反馈到调整管，使输出电压能够较好的保持稳定。电路中调整管采用大功率达林顿管TIP122，既能满足输出电流最大达到2A的要求，也能较好地实现电压近似线性地控制电流。R23选用热稳定性好的康铜丝，并选取较大值（2Ω），使得在电流较低时也能获得较大的电压值。运算放大器采用LM358芯片。LM358 内部包括有两个独立的、高增益、内部频率补偿的双运算放大器，适合于电源电压范围很宽的单电源使用，也适用于双电源工作模式，在推荐的工作条件下，电源电流与电源电压无关。它的使用范围包括传感放大器、直流增益模块和其他所有可用单电源供电的使用运算放大器的场合。其输出电压大小即为输入电压Ui,当Ui一定
时，运算放大器的Ui=U
S ,I
=I
L
=I
S
=Ui/R
S
,即I
不随R
L
的变化而变化，从而实现压
控恒流。由此得到恒流源输出电流的大小为：I
0= Ui/R
23
。而R
23
的大小可以设计
为1Ω，则电流源输出电流的大小就为Uc的大小。
恒流源电路原理图
4.4数据采集模块设计
在本系统的设计中，数据采集模块要用来完成实时测量电流源的输出电流。由恒流源模块的原理可知电流源输出电流的大小就为Uc的大小。由MC14433把被测电压值转化为数字量，通过MCU的外部中断0向单片机申请中断响应。在中断服务程序中，MCU接收MC14433送来的数字量，进行处理，然后通过串行口发送到显示模块。这样就能将实时输出电流显示在LED数码管上。数据采集模块电路图如下：
系统测试
总结
附录
参考文献
设计要求；设计一可调恒流源电路，输出电流范围2mA～20mA,最小刻度0.5mA,波动小 于0.1 mA 可调恒流源设计 摘要 本系统以直流电流源为核心，MC34063为主控制器，通过电位器来设置直流电源的输出电流，并可由数码管显示实际输出电流值和电流设定值。本系统由单片机程控输出数字信号，经过D/A转换器（AD0804）输出模拟量，再经过运算放大器隔离放大，控制输出功率管的基极，随着功率管基极电压的变化而输出不同的电流。单片机系统还兼顾对恒流源进行实时监控，输出电流经过电流/电压转变后，通过A/D转换芯片，实时把模拟量转化为数据量，再经单片机分析处理，通过数据形式的反馈环节，使电流更加稳定，这样构成稳定的压控电流源。 关键字:MC34063，恒流源，单片机，A/D
Adjustable constant current source design Abstract In this system the DC source is center and MC34063 is main controller, output current of DC power can be set by a potentiometer which step level reaches 1mA, while the real output current and the set value can be displayed by LED. In the system, the digitally programmable signal from SCM is converted to analog value by DAC (AD0804), then the analog value which is isolated and amplified by operational amplifiers, is sent to the base electrode of power transistor, so an adjustable output current can be available with the base electrode voltage of power transistor. On the other hand, The constant current source can be monitored by the system real-timely, its work process is that output current is converted voltage, then its analog value is converted to digital value by ADC, finally the digital value as a feedback loop is processed by so that output current is more stable, so a stable voltage-controlled constant current power is designed.. Key wards:MC34063, constant current source, single chip microcomputer, A/D
数控恒流源 1.任务 设计并制作数控直流电流源。输入交流200～240V，50Hz；输出直流电压≤10V。其原理示意图如下所示。 、要求
基本要求 （1）输出电流范围：200mA～2000mA； （2）可设置并显示输出电流给定值，要求输出电流与给定值偏差的绝对值≤给定值的 1％+10 mA； （3）具有“+”、“-”步进调整功能，步进≤10mA； （4）改变负载电阻，输出电压在10V以内变化时，要求输出电流变化的绝对值≤输出电流值的1％+10 mA； （5）纹波电流≤2mA； （6）自制电源。 发挥部分 （1）输出电流范围为20mA～2000mA，步进1mA； （2）设计、制作测量并显示输出电流的装置(可同时或交替显示电流的给定值和实测值)，测量误差的绝对值≤测量值的％+3个字； （3）改变负载电阻，输出电压在10V以内变化时，要求输出电流变化的绝对值≤输出电流值的％+1 mA； （4）纹波电流≤； （5）其他。 总体设计方案 经初步分析设计要求，得出总体电路由以下几部分组成：电源模块，控制模块（包括AD、DA转换）恒流源模块，键盘模块，显示模块。以下就各电路模块给出设计方案。 控制部分方案 方案一：采用FPGA作为系统的控制模块。FPGA可以实现复杂的逻辑功能，规模大，稳定性强，易于调试和进行功能扩展。FPGA采用并行输入输出方式，处理速度高，适合作为大规模实时系统的核心。但由于FPGA集成度高，成本偏高，且由于其引脚较多，加大了硬件设计和实物制作的难度。 方案二：采用单片机作为控制模块核心。单片机最小系统简单，容易制作PCB，算术功能强，软件编程灵活、可以通过ISP方式将程序快速下载到芯片，方便的实现程序的更新，自由度大，较好的发挥C语言的灵活性，可用编程实现各种算法和逻辑控制，同时其具有功耗低、体积小、技术成熟和成本低等优点。 基于以上分析，选择方案二,利用STC89C52单片机将电流步进值或设定值通过换算由D/A转换，驱动恒流源电路实现电流输出。输出电流经处理电路作A/D转换反馈到单片机系统，通过补偿算法调整电流的输出,以此提高输出的精度和稳定性。在器件的选取中，D/A转换器选用12位优质D/A转换芯片 TLV5618，直接输出电压值，且其输出电压能达到参考电压的两倍，A/D转换器选用高精度12数转换芯片AD7896。. 恒流源模块设计方案 方案一：由三端可调式集成稳压器构成的恒流源。
数控直流电流源
三、评分标准 四、说明 1、需留出输出电流和电压测量端子； 2、输出电流可用高精度电流表测量；如果没有高精度电流表，可在采样 电阻上测量电压换算成电流； 3、纹波电流的测量可用低频毫伏表测量输出纹波电压，换算成纹波电流。
数控直流恒流源的设计与制作 发表日期：2006年5月1日出处：本站原创【编辑录入：zouwenkun】 指导老师:王贵恩博士制作人:彭浦能、梁星燎、林小涛 《数控直流恒流源》《数控恒流源获奖证书》 摘要：本系统以直流电流源为核心，AT89S52单片机为主控制器，通过键盘来设置直流电源的输出电流，设置步进等级可达1mA，并可由数码管显示电流设定值和实际输出电流值。本系统由单片机程控设定数字信号，经过D/A转换器
基于单片机的恒流源设计 摘要 恒流源在日常生活中扮演着重要的角色，很多电子设备需要工作时候的电流处于稳定状态。我们把可以保证给工作中负载供给恒定电流的电源叫做恒流源。恒流源的用途很丰富，它能够在脉冲或者差动放大电路中产生作用，同样也能够作为它的有源负载，又可以提供给放大电路偏流用来使它的静态功能工作点处于稳定。 本文介绍了一种基于AT89C52单片机的数控恒流源的研制，该系统主要是由单片机系统电路、DAC转换电路﹑恒流电路。设计的恒流系统具有精度高、稳定性高的特点。在数字输入信号部分主要是利用单片机输出的数字量同时配有按键数字键控功能。DAC转换模块将单片机输出的数字量转换为模拟量，以作为恒流电路的基准电压。恒流电路部分以集成运放和达林管组成的电流负反馈电路来实现电流的恒定输出。 本设计为了增加人机交互采用数码管显示，可以使得数控恒流的效果更加直观。本文阐述了精确实现恒流源的原理设计、完整的硬件原理图和软件流程图，并对部分软件模块的设计思想进行分析。与此同时，也对生活中的可实现性进行仔细测试和仿真。 关键词：AT89C51;单片机;DA转换;恒流源。
Abstract Constant current source in everyday life plays an important role in many electronic devices need to work in a stable state when the current. We can guarantee that the work load to a constant current power supply is called the constant current source.Constant current source uses a very rich,it can in the differential amplifier circuit in the pulse or an effect, it also can be used as an active load, and can be used to provide bias current to the amplification circuit of the static function of the operating point so that it is stable. This paper introduces a numerical constant current source AT89C51 microcontroller development, the system is dominated by single-chip system circuit, DAC converter circuit﹑constant current circuit. Designed constant current system with high precision,high stability characteristics.In the main part of the digital input signal is digital output using the same chip with digital keying function keys. DAC conversion module microcontroller digital output is converted to analog,as the reference voltage constant current circuit. Part of an integrated constant current circuit op amp tubes and Darling current negative feedback circuit to achieve a constant current output. The design of human-computer interaction in order to increase the use of digital tube display, you can make the effect more intuitive numerical constant. This paper describes the precise design principles to achieve a constant current source, a complete hardware schematics and software flow chart, and part of the software module design ideas for analysis.At the same time, but also the life of the realization careful testing and simulation. Key words:AT89C51；SCM; DA conversion; constant current source
几种简单的恒流源电路 恒流电路应用的范围很广，下面介绍几种由常用集成块组成的恒流电路。 1.由7805组成的恒流电路，电路图如下图1所示： 电流I＝Ig＋VOUT/R，Ig的电流相对于Io是不能忽略的，且随Vout，Vin及环境温度的变化而变化，所以 这个电路在精度要求有些高的场合不适用。 2.由LM317组成的恒流电路如图2所示，I＝Iadj＋Vref/R
（数控加工）数控恒流源系统 设计
毕业设计 题目: 学院名称：班级：学生姓名：学号：指导教师：教师职称：
20 年06月13
一：概述 1.1选题背景和意义 电源为保障系统的安全性与稳定性都起到有至关重要的作用，本篇我们主要研究恒流源。而恒流电源由于它体积特别小、损耗相对低、而效率较高、还有它简洁的电路都比较受欢迎，在我们平时用的计算机设备、通信设备，仪器仪表上面，还有航空航天上面通信设备等都需要恒流源系统。近年来电子信息的产业是发展相当快的，恒流电源也更多的被运用到我们生活中，因此，对恒流电源的研究就显得更有意义以及价值。 数控恒流源技术是一种对实践性要求很高的工程技术，它存在与各个行业中，我们在日常会经常看到。电源技术还和电气电子、控制理论等一些其它科学领域相互交叉融合，促进了现在信息技术和电源技术的发展。这也预示着在系统上面对电源技术的要求更高。普通的电源系统在工作时候容易产生误差，这样会对整个系统的精确度产生影响，更严重的是会带来很多严重的后果。世界各国为了解决这个问题便对电源产品制定了不同要求和一系列产品精度标准，只要达到要求达到标准后才可以进入市场。经济全球化的发展让电源产品流通更加方便，但是必须满足国际标准才可以有通行证。数控电源发展的比较晚，从八十年代才开始，那个时候电力电子的理论就开始建立。电力电子理论为今后的电源产品的发展奠定了很好的理论基础，随之，数控电流源技术得到了快速蓬勃的发展。但是市场上的很多产品还是输出精度低，带负载能力较差，体积相对大等缺点。当然这也给了数控电流源的发展指明方向就是不断完善上面的缺点不足。数控直流电流源对精度的要求会越来越高。单片机，新的控制理论，这些都为精确数控电源的发展提供基础。从组成上，数控电流源分为器件、主电路和控制电路三部分。
编号 毕业设计 （2013 届本科） 题目：数控恒流源的设计与制作 学院：物理与机电工程学院 专业：电子信息科学与技术 作者姓名： 指导教师：职称： 完成日期：2013 年月日 二〇一三年六月
目录 河西学院本科生毕业论文（设计）诚信声明 (1) 河西学院本科生毕业论文（设计）开题报告 (2) 摘要 (5) Abstract (5) 1 绪论 (6) 1.1恒流源的意义及研究价值 (6) 1.2恒流源的发展历程 (6) 1.2.1 电真空器件恒流源的诞生 (6) 1.2.2 晶体管恒流源的产生和分类 (6) 1.2.3 集成电路恒流源的出现和种类 (6) 1.3数控恒流源的研究现状和发展趋势 (7) 2 系统设计 (8) 2.1设计要求 (8) 2.1.1 题目要求 (8) 2.2 总体设计方案 (8) 2.2.1 设计思路 (8) 2.2.2 方案论证与比较 (8) 2.2.3 系统组成 (11) 3 单元电路设计 (11) 3.1 单片机控制电路 (11) 3.2 A/D接口电路 (12) 3.3 D/A接口电路 (13) 3.4 恒流源电路 (13) 3.5 LCD显示电路 (14) 3.6 系统电源电路 (15) 4 软件设计 (16) 4.1主程序 (16) 4.2时基中断服务子程序 (17) 4.3 A/D转换程序 (18) 5 系统的抗干扰设计 (18) 5.1 硬件抗干扰设计 (18) 5.2 软件抗干扰设计 (18) 6 系统测试 (19) 6.1 数控恒流源实物图 (19) 6.2 测试使用的仪器 (19) 6.3 测试方法 (19) 6.4 测试数据及结果分析 (19) 7 结束语 (22) 参考文献 (23) 致谢 (24) 附录 (25) 河西学院本科生毕业论文（设计）题目审批表 (32)
随着电子技术的发展，数字电路应用领域的扩展，现今社会，产品智能化、数字化已经成为人们追求的一种趋势，设备的性能、价格，发展空间等备受人们关注，尤其对电子设备的精密度和稳定度最为关注。性能好的电子设备，首先离不开稳定的电源，电源稳定度越高，设备和外围条件就越优越，那么设备的寿命就更长。基于此，人们对数控恒定电流器件的需要越来越迫切。 电源技术尤其是数控电源技术是一门实践性很强的工程技术，服务于各行各业。电力电子技术是电能的最佳应用技术之一。当今电源技术融合了电气、电子、系统集成、控制理论、材料等诸多学科领域。随着计算机和通讯技术发展而来的现代信息技术革命，给电力电子技术提供了广阔的发展前景，同时也给电源提出 了更高的要求。随着数控电源在电子装置中的普遍使用，普通电源在工作时产生的误差，会影响整个系统的精确度。电源在使用时会造成很多不良后果，世界各国纷纷对电源产品提出了不同要求并制定了一系列的产品精度标准。只有满足产品标准，才能够进入市场。随着经济全球化的发展，满足国际标准的产品才能获得进出的通行证。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，己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。数字化智能电源是针对传统电源的不足设计的，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。 当今社会，数控恒压技术已经很成熟，但是恒流源方面特别是数控恒流源的技术菜刚刚起步有待发展，高性能的数控横流器件的开发和应用存在巨大的发展空间。本数控直流恒流源系统输出电流稳定，不随负载和环境变化，并且有很高的精度，输出电流误差范围很小，输出电流可在一定范围内任意设定，因而可实际应用于需要稳定度小功率横流源的领域。
数控恒流源 ?基于8051单片机的数控电源设计方案 ?2010年12月18日9:52:07 来源:《半导体器件应用》2009年12月刊作者：李好，陈晓利
Html文件格式可能无法显示特殊符号及公式，阅读全文，请点击下面按钮以Pdf文件格式浏览阅读 1 引言 目前所使用的直流可调电源中，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。 利用数控电源，可以达到每步0.1V的精度，输出电压范围0V~15V，电流可以达到2A。其系统结构如图1所示。 2 芯片选用 DAC0832是一款常用的数摸转换器，它有两种连接模式，一种是电压输出模式，另外一种是电流输出模式。为了设计的方便，选用电压输出模式，引脚如图2所示，Iout1和Iout2之间接一参考电压，VREF 输出可控制电压信号。它有三种工作方式：不带缓冲工作方式，单缓冲工作方式，双缓冲工作方式。该电路采用单缓冲模式，由图2可知，由于/WR2 =/XFER=0，DAC寄存处于直通状态。又由于ILE=1，故只要在选中该片(/CS=0)的地址时，写入(/WR=0)数字量，则该数字信号立即传送到输入寄存器，并直通至DAC寄存器。经过短暂的建立时间，即可以获得相应的模拟电压。一旦写入操作结束，/WR1和/CS 立即变为高电平，则写入的数据被输入寄存器锁存，直到再次写入刷新。 AT24C02是一款常用的可掉电保存数据的ROM，2K比特容量，采用I2C总线操作，关于它的具体操作方法参考相关资料。 3 硬件电路设计 采用常用的AT89C51芯片作为控制器，P0口和DAC0832的数据口直接相连，DA的/CS和/WR1连接后接P2.0，/WR2和/XEFR接地，让DA工作在单缓冲方式下。DA的11脚接参考电压，参考电压电路如图2所示，通过调节可调电阻调节LM336的输出电压为5.12V，所以在DAC的8脚输出电压的分辨率为5.12V/256=0.02V，也就是说DA输入数据端每增加1，电压增加0.02V。 DA的电压输出端接放大器OP07的输入端，放大器的放大倍数为R8/(R8+R9)=1K/(1K+4K)=5，输出到电压模块LM350的电压分辨率=0.02V×5=0.1V。所以，当MCU输出数据增加1的时候，最终输出电压增加0.1V，当调节电压的时候，可以以每次0.1V的梯度增加或者降低电压。 本电路设计三个按键，KEY1为翻页按键，最近设置的电压大小保存在EEROM里面。比如10个电压，按一下KEY1，电压变为下一个，省去了反复设置电压的麻烦。KEY2为电压+，KEY3为电压-，按一下KEY2，当前电压增加0.1V，按一下KEY3，当前电压减小0.1V。 限于篇幅原因，未画出数码管显示电路。该系统使用3个数码管，可以显示三位数，一个小数位，比如可以显示12.5V，采用动态扫描驱动方式。本主电路的原理是通过MCU控制DA的输出电压大小，通过放大器放大，给电压模块作为最终输出的参考电压，真正的电压，电流还是由电压模块LM350输出。 为了达到2A的输出电流，LM350必须选用金属外壳封装，并且带稍大面积的散热片。 4 软件系统 软件的设计主要完成三方面的功能： (1)设置电压并且保存，主要是对EEROM的操作； (2)把设置的电压送到DA，主要是对DA的操作； (3)中断显示，把设置的电压显示到LED数码管上。 该数控电压源实现保存最近10个电压功能，当打开电源的时候，它显示和输出的必须是上次使用电压大小，所以在EEROM中使用11个地址保存数据，第一个地址保存当前电压编号，大小为1~10。第2个地址~第11个地址连续保存10个电压大小数据。电压编号的大小分别对应到相应地址电压大小。 软件流程如图4所示：当电源打开的时候，MCU进行复位，寄存器清零。接着电源应该显示和输出上次关机前的电压大小，这时候MCU先读取EEPROM中保存的电压编号，根据电压编号读出对应电压，把该数据送到DA，再转换成BCD码送到显示部分。这时候程序循环检测是否有按键信号，如果KEY1按下，电压编号指向下一个，保存该电压编号，读对应电压，把他送到DA并且显示。如果KEY2按下，当前电
摘要：本方案采用AT89S52单片机作为系统控制核心，实现数控恒流源方案。设计采用大功率双极型三极管2SC3997以及仪表放大器等构成闭环恒流源控制电路，配以8位A/D,D/A 芯片完成单片机对输出电流的实时检测与实时控制，实现了0mA~1500mA 范围内步进20mA 恒定电流输出的功能，保证了纹波电流小于1mA,达到了较高的稳定度。人机接口采用4*4键盘以及LCD1602液晶显示器，控制界面直观简洁，具有良好的人机交互性。 一 作品完成功能 1.输出电流范围：0mA ～1500mA ； 2.可设置并显示输出电流给定值，输出电流与给定值偏差的绝对值≤给定值1％+10 mA ； 3.具有“+”、“-”步进调整功能，步进≤20mA ； 4.纹波电流≤2mA ； 5.自制电源 二 系统方案论证 1.系统总设计模块 2.方案论证 本系统设计关键在于恒流源模块方案，关于恒流源模块方案 电压控制的电流源模块，可采用的方案有以下三种： ① 功率集成运放，如OPA501、OPA541、PA05等； ② 运放＋晶体三极管放大； ③ 可调集成稳压模块，如LM317。 方案一：直接使用功率集成运放。特点：使用容易、性能稳定可靠。常用 的功率集成运放一般能够输出±40V ，10～15A 的功率，性能指标也较高，完全能够满足本题要求。功率集成运放还可以双极性输出，但本题只需单极性输出，却需要为功率集 DA 转换模块
成运放配置正负双电源。 方案二：利用三端可调直流稳压集成芯片，通过调整其输出电压来实现负载的恒流特性。特点：直接利用稳压片提供所需功率，只需要添加相应控制电路即可实现本题的大部分要求，但是，其电流调整率指标只能达到0.5%～0.15%，不满足题目要求， 方案三：采用“运放＋功率三极管”的结构构成恒流源。特点：性能满足本题要求，同时可以通过选用功率三极管的不同容量来满足不同的应用要求。 鉴于上述原因，我们选用方案三。 另外，本方案中涉及AD,DA芯片。AD,DA芯片的选择直接关系到系统的精度以及方案的成本。综合考虑精度与成本，我们选择了常用的8位DA芯片DAC0832与8位AD芯片ADC0832. 三硬件结构设计及实现 1.压控恒流源电路及电路分析 电压控制的电流源电路如图所示。压控电流源模块主要由给定与比较放大单元、功率放大单元和电流反馈单元组成。给定与比较放大单元由U1（OP07）及其外围阻容器件组成，起着计算给定电流与实际输出电流偏差并进行放大的作用。与R2并联的电容器C9起加速反馈的作用，与运放反馈电阻并联的电容器C10起滤波作用，二极管D1起电压钳位作用，用以保护运算放大器；功率放大单元由Q1、Q2和Q3及其配套阻容器件组成，为满足最大输出容量（10V，2000mA）的要求，选取最严重工况（负载端短路且输出2000mA）计算Q3的功率损耗：（10＋5）V×2A＝30W式中，5V是考虑电流源输出10V 电压，输出2A电流时，为Q3留出的ce极间电压。为可靠起见，留有足够的功率裕量和安全系数，选择Q3的型号为2SC3997.其主要技术参数如下:800V,20A,允许管耗250W。 C14起纹波抑制作用，二极管D3用以保护功率三极管Q3，防止其承受反压而损坏；电流反馈单元由仪用放大器AD620和低噪声运放OP07构成，前者对串联在负载回路的康铜丝两端电压进行取样，康铜丝是一种温度特性佳的阻性元件，其两端电压正比于流过的电流，因此该电压的反馈就是负载电流的反馈。仪用放大器具有极强的抗共模干扰的能力，特别适合对小信号进行放大。OP07作为二级放大且其输入端设置一个反馈系数调节用的精密电位器，起着输出电流校正之功用。
数控直流恒流源设计报告 本系统以直流电流源为核心，AT89s52单片机为主控制器，通过键盘来设置直流电源的输出电流，设置步进等级可达1mA，并可由液晶显示电流设定值和实际输出电流值。本系统由单片机程控设定数字信号，经过D/A转换器（tlv5618）输出模拟量，再经过运算放大器隔离放大，控制输出功率管的基极，随着功率管基极电压的变化而输出不同的电流。单片机系统还兼顾对恒流源进行实时监控，输出电流经过电流/电压转换后，通过A/D转换芯片，实时把模拟量转化为数据量，再经单片机分析处理，通过数字量形式的反馈环节，使电流更加稳定，这样构成稳定的压控电流源。实际测试结果表明，本系统能有效应用于需要高稳定度的小功率恒流源的领域 关键字 压控恒流源智能化电源闭环控制 设计任务与要求 1.1设计任务 设计并制作一个数控直流电流源。输入的交流电压220～240V,50Hz；输出的直流电压≤10V。其原理示意图1如下所示。 图1 设计任务示意图 1.2技术指标 基本要求： （1）要求电压输出范围：200～2000mA； （2）可设置并输出电流给定值，要求输出电流和给定电流的偏差的绝对值≤给定值的1%+10mA；
（3）具有“+”、“-”步进调整功能，步进≤10mA； （4）改变负载电阻，输出电压在10V以内变化时，要求输出电流的变化的绝对值≤ 输出电流的1%+10mA； （5）纹波电流≤ 2mA； （6）自制电源。 发挥部分： （1）输出电流范围为20~2000mA，步进为1mA； （2）设计、制作测量并显示输出电流的装置（可同时或交替显示电流的给定值或实测值），测量误差的绝对值≤测量值的0.1%+3个字； （3）改变负载电阻，输出电压在10V以内变化时，要求输出电流变化的绝对值≤ 输出电流的0.1%+1mA； （4）纹波电流≤0.2mA; （5）其他。 2．方案比较与论证 2.1.1各种方案比较与选择 方案一：采用中小规模集成电路构成的控制电路。由三段可调式集成稳压器构成的恒流源。 以W350为例，其最大的输出电流为3A，输出电压Uo′为1.2～33V。其典型的恒流源电路如图2所示。
WMZD系列专门为LED照明做温度补偿的电阻，采用热敏电阻补偿法的LED恒流源，具有电路简洁，可靠性好,组合方便，经济实用，适用各种LED头灯，日光灯，路灯；车船灯,太阳能LED庭院灯；LED显示屏等对恒流的需求。是专门针对LED照明出现的由于温度引起的LED PN结电压VF下降，即-2mV/℃,称为PN结的负温效应。该特性在发光应用上是个致命的缺陷，直接影响到LED器件的发光效率、发光亮度、发光色度。比如，常温25℃时LED最佳工作电流20mA，当环境温度升高到85℃时，PN结电压VF下降,工作电流急剧增加到35mA～37mA,此时电流的增加并不会产生亮度的增加，称为亮度饱和。更为严重的是，温度的上升，引起光谱波长的偏移，造成色差。如长时工作在此高温区还将引起器件老化，发光亮度逐步衰减。同样，当环境温度下降至-40℃时，结电压VF上升，最佳工作电流将从20mA减小到8mA~10mA，发光亮度也随电流的减少而降低，达不到应用场所所需的照度。 为了避免上述特性带来的不足，一般在LED灯的相关产品上，通常采用如下措施：1.将LED装在散热板上，或风机风冷降温。2.LED采用恒流源的供电方式，不因LED随温度上升引起使回生电流增加，防止PN结恶性升温。或这两种方法并用。实践证明，这两种方法用于大功率LED灯（如广告背景灯、街灯）。确实是行之有效的措施。但当LED灯进入寻常百姓家就碰到如下问题了：散热板和风冷能否集成在一个普通灯头的空间内；采用集成电路或诸多元器件组成的恒流源电路，它的寿命不取于LED，而取决整个系统的某块“短板”；有没有吸引眼球的价格。用热敏电阻补偿法来解决LED恒流源问题，既经济又实用。 我公司采用具有正温度系数的热敏电阻(+2mV/℃)与负温度特性的LED(-2mV/℃)串联，互补成一个温度系数极小电阻型负载。一旦工作电压确定后，串联回路中的电流，将不会随温度变化而变化，通俗地讲，当LED随温度升高电流增加时，热敏电阻也随温度升高电阻变大，阻止了回路电流上升，当LED随温度下降电流减小时，热敏电阻也随温度下降电阻变小，阻止了回路电流的减少，如匹配得当，当环境温度在-40℃-85℃范围内变化时，LED的最佳工作电流不会明显变化，见图1电流曲线Ⅱ。 2:应用: 从图1可见，采用热敏电阻温度补偿方法与采用集成电路等元件组成的恒源相比，热敏电阻温度补偿法只用1个热敏电阻元件就可解决LED恒流源问题，其价格、体积、寿命等优势不言而喻。我们采用的这种正温度热敏电阻WMZD，专为LED应用而研制的，其常用规格见表1，下面介绍一下该热敏电阻的应用特性。 20mA LED恒流源WMZD-5A20的应用 我们可以用1只WMZD-5A20与5只LED（20mA）串联组成一个标准单元，它的LED恒流源电流20mA，工作电压U=3V+5×3.4V=20.0V。3V是WMZD-A20电阻压降，3.4V是LED的正向导通电压(或2.8V~4.2V),它的恒流特性见图1中的电流曲线II。
摘要：本方案采用AT89S52单片机作为系统控制核心，实现数控恒流源方案。设计采用大功率双极型三极管2SC3997以及仪表放大器等构成闭环恒流源控制电路，配以8位A/D,D/A芯片完成单片机对输出电流的实时检测与实时控制，实现了0mA~1500mA范围内步进20mA恒定电流输出的功能，保证了纹波电流小于1mA,达到了较高的稳定度。人机接口采用4*4键盘以及LCD1602液晶显示器，控制界面直观简洁，具有良好的人机交互性。 一作品完成功能 输出电流范围：0mA～1500mA； 可设置并显示输出电流给定值，输出电流与给定值偏差的绝对值≤给定值1％+10 mA； 具有“+”、“-”步进调整功能，步进≤20mA； 纹波电流≤2mA； 自制电源 二系统方案论证 系统总设计模块 人机界面
方案论证 本系统设计关键在于恒流源模块方案，关于恒流源模块方案 电压控制的电流源模块，可采用的方案有以下三种： ① 功率集成运放，如OPA501、OPA541、PA05等； ② 运放＋晶体三极管放大； ③ 可调集成稳压模块，如LM317。 方案一：直接使用功率集成运放。特点：使用容易、性能稳定可靠。常用的功率集成运放一般能够输出±40V ，10～15A 的功率，性能指标也较高，完全能够满足本题要求。功率集 DA 转换模块 恒流源模块
成运放还可以双极性输出，但本题只需单极性输出，却需要为功率集成运放配置正负双电源。 方案二：利用三端可调直流稳压集成芯片，通过调整其输出电压来实现负载的恒流特性。特点：直接利用稳压片提供所需功率，只需要添加相应控制电路即可实现本题的大部分要求，但是，其电流调整率指标只能达到0.5%～0.15%，不满足题目要求， 方案三：采用“运放＋功率三极管”的结构构成恒流源。特点：性能满足本题要求，同时可以通过选用功率三极管的不同容量来满足不同的应用要求。 鉴于上述原因，我们选用方案三。 另外，本方案中涉及AD,DA芯片。AD,DA芯片的选择直接关系到系统的精度以及方案的成本。综合考虑精度与成本，我们选择了常用的8位DA芯片DAC0832与8位AD芯片ADC0832. 三硬件结构设计及实现 压控恒流源电路及电路分析 电压控制的电流源电路如图所示。压控电流源模块主要由给定与比较放大单元、功率放大单元和电流反馈单元组成。给定与比较放大单元由U1（OP07）及其外围阻容器件组成，起着计算给定电流与实际输出电流偏差并进行放大的作用。与R2并联的电容器C9起加速反馈的作用，与运放反馈电阻并