數(shù)控直流電流源設(shè)計和總結(jié)報告

題目名稱：數(shù)控直流電流源設(shè)計和總結(jié)報告摘要：本系統(tǒng)以MSP430單片機為主控制器，通過鍵盤來設(shè)置直流電源的輸出電流，設(shè)置步進等級可達2mA，并可由數(shù)碼管顯示實際輸出電流值和電流設(shè)定值。本系統(tǒng)由單片機程控輸出數(shù)字信號，經(jīng)過D/A轉(zhuǎn)換器（AD7543）輸出模擬量，再經(jīng)過運算放大器隔離放大，控制輸出功率管的基極，隨著功率管基極電壓的變化而輸出不同的電流。單片機系統(tǒng)還兼顧對恒流源進行實時監(jiān)控，輸出電流經(jīng)過電流/電壓轉(zhuǎn)變后，通過A/D轉(zhuǎn)換芯片，實時把模擬量轉(zhuǎn)化為數(shù)據(jù)量，再經(jīng)單片機分析處理， 通過數(shù)據(jù)形式的反饋環(huán)節(jié)，使電流更加穩(wěn)定，這樣構(gòu)成穩(wěn)定的壓控電流源。關(guān)鍵詞：MSP430 壓控電流源 A/D D/A Abstract: in this system MSP430 microcomputer (SCM) is main controller, output current of DC power can be set by a keyboard 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 (AD7543), 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 SCM 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 SCM so that output current is more stable, so a stable voltage-controlled constant current power is designed. Keywords: MSP430 voltage-controlled constant current source AD DA1.方案設(shè)計和論證 系統(tǒng)框圖如圖1所示，它由控制部分、鍵盤、DA轉(zhuǎn)換器、AD轉(zhuǎn)換器、電流源模塊、數(shù)碼管顯示模塊組成； 圖1.直流恒流源系統(tǒng)方框圖1.1 控制部分方案1：采用中小規(guī)模集成電路構(gòu)成控制部分；缺點：外圍器件多，容易出現(xiàn)故障； 優(yōu)點：價格便宜；方案2：采用以單片機為核心的單片機最小系統(tǒng)； 優(yōu)點：價格便宜，外圍器件少，可靠性高； 缺點：沒有FPGA靈活；方案3：采用可編程邏輯器件如(FPGA)構(gòu)成 控制部分； 優(yōu)點：靈活方便操作； 缺點：價格太昂貴；方案選定：由于單片機價格便宜且可靠性高，易控制，所以我們選擇了第二種方案； 1.2 恒流源部分方案1：由三端式集成穩(wěn)壓源構(gòu)成恒流源； 圖1.2.1 穩(wěn)壓源構(gòu)成恒流源說明：此方案是根據(jù)穩(wěn)壓源輸出恒定電壓，如果采樣電阻R不變，則輸出為恒定電壓，從而達到了恒流的功能；優(yōu)點：若穩(wěn)壓源為精密穩(wěn)壓源，則輸出恒定的電流，電路清晰簡單；外圍元件少，價格便宜； 缺點：精密的數(shù)控電位器R難以購買；方案2：由數(shù)控穩(wěn)壓源構(gòu)成恒流源； 圖1.2.2 數(shù)控穩(wěn)壓源構(gòu)成恒流源 說明：穩(wěn)壓源由控制部分控制，讓數(shù)控穩(wěn)壓源輸出恒定電壓，精密電位器R不變時，則獲得恒定電流； 優(yōu)點：原理清楚； 缺點：數(shù)控穩(wěn)壓源的地是浮地，系統(tǒng)不共地，不好處理；方案3：采用電流串聯(lián)負反饋構(gòu)成恒流源； 說明：此方案采取的是電流串聯(lián)反饋的形式，根據(jù)反饋原理達到恒流的目的；優(yōu)點：原理清楚，價格便宜；缺點：對運放的要求高，由于OP07CP有很好的效果，所以此方案有很好的效果；方案選定：根據(jù)以上分析和優(yōu)缺點的比較，我們選擇方案3；2.系統(tǒng)設(shè)計 2.1總體設(shè)計 2.2單元模塊功能介紹及電路設(shè)計2.2.1 MSP430核心控制模塊 說明：MSP430內(nèi)部嵌有12位高精度AD轉(zhuǎn)換器；2.2.2 鍵盤模塊 說明：此鍵盤為4*4矩陣鍵盤模式；2.2.3 數(shù)碼管顯示模塊 說明：此模塊為電流顯示模塊；2.2.4 DA轉(zhuǎn)換模塊 說明：此模塊為DA轉(zhuǎn)換模塊，它的輸出控制恒流源；2.2.5 直流恒流源模塊 說明：此模塊的功能是將通過DA的調(diào)節(jié)作用，運放的反饋調(diào)節(jié)使輸出的電流達到穩(wěn)定功能；2.3電路參數(shù)的計算及元器件的選擇2.3.1 運放同相輸入端電壓的確定 分析：由于采樣電阻是四個1的電阻并聯(lián)；當(dāng)電流達到最大時反饋到運放反相端的電壓最大為500Mv,所以同相端的最大電壓為500Mv ,我們可以根據(jù)此電壓來確定前向電阻和電位器的阻值； 2.3.2 運放的選擇 分析：運放的Vin+=Vin-，在任何正常工作狀態(tài)下，誤差都應(yīng)小，溫度引起的Vin+-Vin-應(yīng)該越小越好；并且要求低噪聲，帶寬比較寬，綜合分析應(yīng)該選擇OP07CP;2.3.3 采樣電阻的選擇 分析：如果采用電阻過大，則會導(dǎo)致采樣功率過高，對采樣溫度要求高，所以為了達到穩(wěn)定性，采樣電阻上的功率不能太大，所以我們選擇了4個1的0.25W功率的電阻并聯(lián)；利用并聯(lián)來分擔(dān)功率；2.3.4 電流放大器三極管的選擇 由于經(jīng)過三極管的電流很大，所以要選擇大功率的三極管，大功率三極管又需要基極驅(qū)動，所以我們選擇了復(fù)合管的形式，利用9013作為TIP3055的驅(qū)動；如下圖所示： 2.4 特殊器件的介紹本次測量最關(guān)鍵的是三極管和負載的選擇，由于本次設(shè)計的功率很大，所以我們要慎重選擇好元器件，要分析好每塊的功率，負載的功率一般也很大，所以我們選擇的是鎳鉻合金，它的承受的功率比較大； 負載：鎳鉻合金 三極管：大功率的三極管3.軟件設(shè)計 流程圖如下所示： 4.系統(tǒng)測試 4.1 測試方法 硬件測試：將學(xué)習(xí)板的DA的電壓提供給運放的前級，通過改變電壓來測試輸出端的電流； 記錄下輸入的DA的數(shù)字量和輸出的電流值； 軟件測試：通過鍵盤設(shè)置電流，并由精密電流表測試電流，通過改變負載，來測試分析此設(shè)計是否正確； 4.2 測試結(jié)果鍵盤設(shè)定值(mv)實際測量值(mv)負載（歐姆）鍵盤設(shè)定值（mv)實際測量值(mv)負載(歐姆）5252.310.3200200.310.35252.48.6200200.28.65252.45200200.0155454.210.3250250.3310.35454.38.6250250.28.65454.25250250.455655.9910.3300300.8910.35655.988.6300300.568.65655.995300300.4555857.910.3320320.310.35857.88.6320320.238.65857.65320320.6756665.5510.3410410.3410.36665.448.6410410.238.66665.555410410.155100100.0910.3450450.2110.3100100.088.6450450.348.6100100.085450450.335112111.5910.350050010.3112111.598.65005008.6112111.595500500.015 4.3 結(jié)果分析 此結(jié)果經(jīng)過軟件修正，基本符合要求，達到了預(yù)定的精度值，但仍然存在誤差，基本誤差原因如下：1. DA轉(zhuǎn)換的量化誤差；2. 取樣電阻R上因溫度影響而引起的量化誤差；3. DA轉(zhuǎn)換器的精度不夠而引起的誤差；4. 精密電位器滑動頭接觸不良而引起的誤差；5.總結(jié) 在設(shè)計制作數(shù)控直流恒流源的過程中，我們深切體會到，實踐是理論運用的最好檢驗。本次設(shè)計是對我們?nèi)晁鶎W(xué)知識的一次綜合性檢測和考驗，無論是動手能力還是理論知識運用能力都得到了提高，同時加深了我們對網(wǎng)絡(luò)資源認識，大大提高了查閱資料的效率，使我們有充足的時間投入到電路設(shè)計當(dāng)中。本系統(tǒng)的研制主要使用到了模擬電子技術(shù)、數(shù)字電子技術(shù)、單片機控制技術(shù)、大功率電源設(shè)計、電子工藝等多方面的知識，所設(shè)計的基于單片機程序控制的壓控恒流源，達到了題目基本要求。由于我們DA芯片的精度不高，我們的測量范圍只能達到500MA，但實際的輸出電流是可以達到2A的，只是在數(shù)控的部分DA器件的限制導(dǎo)致我們不能達到要求；在數(shù)據(jù)測試和調(diào)試方面，由于儀表存在誤差和電路器件因工作時間過長溫度升高而產(chǎn)生的誤差，使得測量數(shù)據(jù)不是很精確，本系統(tǒng)就此通過軟件設(shè)計，減少誤差的存在，使輸出電流的誤差范圍減小到5mA，大大提高了系統(tǒng)的精度。參考文獻： 洪利MSP430單片原理和使用實例.北京航空航天大學(xué)出版社.2010 徐向民Altium Designer 快速入門.北京航空航天大學(xué)出版社.2008 曾波數(shù)控恒流源電子世界，第九期，2005 何希才電子電路北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2003 李義府模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)長沙：國防科技大學(xué)出版社，2004 李朝青單片機原理及接口技術(shù)北京：北京航空航天大學(xué)出版社，1994附錄： 附1：元器件明細表名稱型號規(guī)格數(shù)量電阻1金屬膜電阻4電阻3金屬膜電阻1電阻22K金屬膜電阻1電阻3.3K金屬膜電阻1電位器