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1、数控直流恒流源[2005年电子大赛二等奖]文章来源:凌阳科技教育推广中心作者:浙江大学陈智德徐进陶晶发布时间:2006-6-2817:56:34摘要:本设计采用凌阳十六位单片机SPCE061A作为直流恒流源的控制、显示和输出电流检测核心,实现了-2A到2A数控可调直流恒流源。系统的显示部分采用128×64点阵式液晶显示屏实时显示设定电流值和实测电流值;输出电流控制采用SPCE061A单片机的D/A口输出模拟量;电流测量采用基本没有温度漂移的康锰铜电阻丝作为精密取样电阻,利用SPCE061A的A/D输入口进行电流检测和监控。硬件电
2、路恒流部分的控制端采用多个精密运算放大器OP07接成闭环反馈控制形式,受控部分采用达林顿管进行扩流、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,并且利用大功率达林顿管进行扩流以满足后级功率需求。关键字:SPCE061A 恒流源一、方案论证 如题目要求,系统主要由控制器模块、电源模块、电流源模块、负载模块及键盘显示模块构成,下面分别论证这几个模块的选择。 1、控制模块的选择方案 方案一: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,只需要完成数
3、控部分、键盘输入以及显示输出功能。采用AT89C51进行控制比较简单,但是51单片机资源有限,控制输入输出,需要外接8279之类的芯片进行I/O扩展。 方案二:采用SPCE061A单片机进行控制。SPCE061A凌阳单片机具有强大功能的16位微控制器,它内部集成7路10位ADC和2通道10位DAC,可以直接用于电流测量时的数据采集,以及数字控制输出;I/O口资源丰富,可以直接完成对键盘输入和显示输出的控制;存储空间大,能配合LCD液晶显示的字模数据存储。采用SPCE061A单片机,能将相当一部分外围器件结合到一起,使用方便,抗
4、干扰性能提高。 鉴于上面分析,本设计采用方案二。 2、电源模块的选择方案 由于该题要求输出最大电流达2A,输出最大电压达到10V,且纹波电流要求很小,因此对电源的要求比较高,尤其体现在电源的功率和纹波电压的要求。 方案一:采用全桥整流加电容滤波电路 该电源为正负对称输出,实际输出电压为正负20V左右,100nF、1.0uF用于滤除电源中的高频交流成分。为了满足大电流要求,后级滤波电容选用了10000uF。 这种电路广泛应用于一些要求不太高的电流直流电源中,其驱动能力和后级的滤波电容有关,该电路显著的特点就是能够比较好
5、的满足电流的瞬态相应,而如果负载要求持续的大电流输出,该电路将无能为力。 方案二:采用三端稳压集成电路 一般的三端稳压集成块稳压效果较好,但难以达到2A以上的大电流输出,为了满足本题需要可以采用多块稳压集成块并联的方式来扩流。这种电路理论上输出电流能力为各块集成块输出最大电流的和。要达到比较好的稳压效果,要求并联的各稳压块参数尽量接近。在应用中发现,当电流接近理论值时,稳压效果急剧变差,这是由于器件的不一致性所造成的。因此,要取得好的稳压效果,理论输出最大电流值要大于所需电流值,这必然造成器件的浪费,且器件的选择还必须参数尽
6、量接近。 方案三:采用三端稳压集成电路外接扩流管 这种电路既利用了稳压集成块优秀的稳压性能,又能够有一定的电流输出,在一些高精度的线性稳压电源中被广泛采用,其基本电路图如图1.1所示。采用三端稳压集成电路LM7812驱动达林顿管TIP127,该管最大集电极电流为8A,仿真时当电流为3A左右时,纹波电压仅为几十uV,有着非常优异的性能。 鉴于上面分析,本设计采用方案三。图1.1 加入三端稳压电路和扩流管的电源电路 3、电流源模块的选择方案 方案一:由晶体管构成镜像恒流源 该电路的缺点之一在于电流的测量精度受到两个晶体
7、管的匹配程度影响,其中涉及到比较复杂的工艺参数。另一缺点在于,集电极最大输出电流约为几百毫安,而题目要求输出电流为200~2000mA,因此由晶体管构成的恒流源不适合采用。 方案二:由运算放大器构成恒流电路 运算放大器构成的恒流电路摆脱了晶体管恒流电路受限于工艺参数的缺点。但是只由运放构成的恒流电路,输出电流同样只能达到几十毫安,远远不能满足设计要求,因此必须加上扩流电路。 方案三:由运算放大器加上扩流管构成恒流电路 采用运算放大器加上扩流管构成恒流电路,既能利用运算放大器准确的特性,输出又能达到要求。采用高精度运算放
8、大器OP07,更能增加其准确的性能;采用达林顿管TP127进行扩流,具有很大的扩流能力,两者结合,可以实现比较精确的恒流电路。 鉴于上面分析,本设计采用方案三。 4、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
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