數(shù)控直流電流源

一、設(shè)計(jì)方案工作原理

1、預(yù)期實(shí)現(xiàn)目標(biāo)及系統(tǒng)工作原理

本題要求設(shè)計(jì)并制作一臺(tái)數(shù)控直流電流源。輸出電流可通過(guò)按鍵進(jìn)行設(shè)定，利用A/D轉(zhuǎn)換器采集輸出電流與負(fù)載電壓，通過(guò)顯示器顯示設(shè)定電流值、實(shí)際電流值、實(shí)際電壓值等電源參數(shù)。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖（1）所示，系統(tǒng)分為數(shù)字控制器模塊、按鍵模塊、顯示模塊、功率模塊、信號(hào)處理模塊等。

圖（1）系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

2、技術(shù)方案分析比較

（1）電流源的論證與選擇

由于電流源是本系統(tǒng)的重要核心，其性能的好壞直接影響控制系統(tǒng)的精度，所以進(jìn)行多種方案的比較。

方案1：使用TPS5430開(kāi)關(guān)電源芯片構(gòu)成電流源，利用數(shù)字電位器，控制輸出電流的大小。

優(yōu)點(diǎn)：電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，自帶閉環(huán)控制，電路效率高達(dá)90%左右；

缺點(diǎn)：其輸出電壓最小為1.221V，電源紋波較大。

方案2：使用三極管、運(yùn)算放大器等分立器件構(gòu)成電流源，通過(guò)D/A轉(zhuǎn)換器控制輸出電流大小。

優(yōu)點(diǎn)：所構(gòu)成的電流源屬于線性電源，輸出紋波低；

缺點(diǎn)：電路效率低。

綜合考慮，因題目并沒(méi)有對(duì)電源效率做要求，故最終采用方案2，利用三極管、運(yùn)算放大器等分立器件構(gòu)成一個(gè)可調(diào)穩(wěn)壓電源，由于單獨(dú)的一只三極管對(duì)功率的放大作用有限，所以使用2只NPN三極管構(gòu)成NPN型達(dá)林頓管。利用單片機(jī)對(duì)D/A轉(zhuǎn)換器進(jìn)行控制，D/A轉(zhuǎn)換器的信號(hào)進(jìn)過(guò)放大后加至達(dá)林頓管基極，經(jīng)過(guò)測(cè)試，滿足系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求。

（2）輔助電源的論證與選擇

本系統(tǒng)控制部分需要單獨(dú)的輔助電源，而且對(duì)電源質(zhì)量有嚴(yán)格要求。

方案1：利用變壓器的輔助繞組，經(jīng)過(guò)整流、濾波后，再送入三端穩(wěn)壓器穩(wěn)壓，得到輔助電源。

優(yōu)點(diǎn)：輸出紋波低，電源質(zhì)量高；

缺點(diǎn)：電路效率低。

方案2：采用開(kāi)關(guān)電源芯片構(gòu)成穩(wěn)壓電源，作為輔助電源。

優(yōu)點(diǎn)：電路效率高，重量輕；

缺點(diǎn)：電源紋波與噪聲較大，對(duì)系統(tǒng)干擾大。

綜合考慮，最終選用方案1，利用變壓器的輔助繞組，經(jīng)過(guò)整流、濾波后，再送入三端穩(wěn)壓器穩(wěn)壓，得到輔助電源，而且線性電源本身紋波及噪聲較小，能夠保證質(zhì)量較好的電能提供。通過(guò)實(shí)驗(yàn)，滿足系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求。

（3）系統(tǒng)控制芯片的論證與選擇

方案1：采用MSP430作為主控芯片，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行控制及運(yùn)算處理。

優(yōu)點(diǎn)：功耗低；

缺點(diǎn)：MSP430屬于16位單片機(jī)，運(yùn)算速度較慢。

方案2：采用STM32F103作為主控芯片，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行控制及運(yùn)算處理。

優(yōu)點(diǎn)：運(yùn)算速度快，內(nèi)部外設(shè)豐富；

缺點(diǎn)： 功耗較大。

綜合考慮，最終選用方案2，因?yàn)轭}目并沒(méi)有對(duì)功耗做要求，所以使用已有芯片，控制較好，滿足系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求。

（3）電流檢測(cè)論證與選擇

由于本電路需要精準(zhǔn)的電流控制，因此精準(zhǔn)的電流檢測(cè)是必不可少的。

方案1：康銅絲作為檢流器件，使用TI的電流檢測(cè)器IN28X進(jìn)行放大，再加入電壓跟隨器。

優(yōu)點(diǎn)：電路簡(jiǎn)單，檢測(cè)精度高；

缺點(diǎn)：對(duì)檢流電阻、分壓電阻精度要求高，成本較高。

方案2：采用高精度軍工電阻進(jìn)行采樣，使用OP177進(jìn)行采樣信號(hào)放大，將放大后的信號(hào)送入A/D轉(zhuǎn)換器。

優(yōu)點(diǎn)：成本低，檢測(cè)精度高；

缺點(diǎn)：對(duì)檢流電阻精度要求高，電路相對(duì)復(fù)雜。

綜合考慮，最終選用方案2，通過(guò)實(shí)驗(yàn)，滿足系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求。

（4）A/D、D/A選擇論證與選擇

方案1：使用12位外部A/D、D/A器件。

優(yōu)點(diǎn)：參考源可精確設(shè)定，轉(zhuǎn)換精度高；

缺點(diǎn)：成本高，外加了電路模塊。

方案2：使用單片機(jī)內(nèi)部的A/D、D/A。

優(yōu)點(diǎn)：不需要外加設(shè)備，控制精度較高；

缺點(diǎn)：無(wú)法設(shè)定精準(zhǔn)的基準(zhǔn)源。

綜合考慮，最終選用方案2，STM32F103自帶12位A/D轉(zhuǎn)換器，D/A采用MP4725軌至軌D/A轉(zhuǎn)換器，通過(guò)實(shí)驗(yàn)，滿足系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求。

二、核心部件電路設(shè)計(jì)

1、關(guān)鍵器件性能分析

（1）主控制器：采用STM32F103C8T6作為主控芯片，STM32F103C8T6是一款基于ARM Cortex-M 內(nèi)核STM32系列的32位的微控制器，程序存儲(chǔ)器容量是64KB，需要電壓2V~3.6V，工作溫度為-40°C ~ 85°C。

（2）整流器：主電源其最大工作電流為2A，若采用普通整流橋，損耗較大，發(fā)熱也大，所以主電源采用肖特基二極管構(gòu)成整流橋；輔助電源工作電流較小，采用普通整流橋即可。

（3）三極管：三極管采用D882與D1047構(gòu)成達(dá)林頓管，D1047功率可達(dá)100W。

（4）D/A轉(zhuǎn)換器：D/A轉(zhuǎn)換器在本系統(tǒng)當(dāng)中非常重要，決定了系統(tǒng)的控制精度，根據(jù)系統(tǒng)要求，需要選用12位的D/A轉(zhuǎn)換器，系統(tǒng)所采用的D/A轉(zhuǎn)換器為軌至軌輸出的MP4725。

2、電路結(jié)構(gòu)與工作原理

（1）電源輸入濾波電路

CA1、L1、CA2組成的雙π型濾波網(wǎng)絡(luò)主要是對(duì)輸入電源的電磁噪聲及雜波信號(hào)進(jìn)行抑制，防止對(duì)電源干擾，同時(shí)也防止電源本身產(chǎn)生的高頻雜波對(duì)電網(wǎng)干擾。當(dāng)電源開(kāi)啟瞬間，要對(duì)后級(jí)濾波電容充電，由于瞬間電流大，加RT1（熱敏電阻）就能有效的防止浪涌電流。因瞬時(shí)能量全消耗在RT1電阻上，一定時(shí)間后溫度升高后RT1阻值減?。≧T1是負(fù)溫系數(shù)元件），這時(shí)它消耗的能量非常小，后級(jí)電路可正常工作。

圖（2）電源輸入濾波電路

（2）電流源電路

電流源電路由變壓器、整流模塊、濾波模塊、電源變換模塊構(gòu)成。變壓器使用環(huán)形變壓器，其漏磁少，磁路閉合好；整流模塊采用肖特基二極管構(gòu)成，以降低電路損耗；濾波器采用4個(gè)3300μF的電容構(gòu)成低頻濾波，同時(shí)降低了ESR值，采用一個(gè)100pF的電容做高頻濾波；電源變換模塊由D882與D1047構(gòu)成達(dá)林頓做調(diào)整管，TL082構(gòu)成硬件反饋回路，實(shí)現(xiàn)硬件穩(wěn)壓，如圖（3）、圖（4）所示。

圖（3）主電源整流電路

圖（4）線性電源變換電路

（3）輔助電源電路

輔助電源由變壓器、整流橋、濾波器、三端穩(wěn)壓器構(gòu)成。本系統(tǒng)主要使用+5V、+15V、-15V，所以采用7805、7815、7915既可以實(shí)現(xiàn)，而且線性電源本身紋波及噪聲較小，能夠保證質(zhì)量較好的電能提供，如圖（5）、圖（6）所示。

圖（5）輔助電源整流電路

圖（6）輔助電源穩(wěn)壓電路

（4）信號(hào)調(diào)理電路

信號(hào)調(diào)理電路如圖（7）所示，由TL082構(gòu)成跟隨器，然后送入同相比例放大器進(jìn)行放大，然后再控制調(diào)整管。我們所使用的D/A轉(zhuǎn)換器輸出范圍為0V-3.3V，這個(gè)信號(hào)不足以完全控制調(diào)整管，將信號(hào)進(jìn)行2倍放大即可。

圖（7）信號(hào)調(diào)理電路

（5）數(shù)字控制電路

數(shù)字控制電路由顯示模塊、D/A模塊、主控芯片、按鍵電路組成，如圖（8）所示。

圖（8）數(shù)字控制電路

三、系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

1、程序功能描述

本系統(tǒng)使用STM32F103C8T6作為主控芯片，對(duì)硬件電路的相關(guān)參數(shù)進(jìn)行測(cè)量，接收A/D送入的信號(hào)并進(jìn)行處理，實(shí)現(xiàn)電流、電壓的檢測(cè)，通過(guò)TFT液晶顯示器顯示電流、電壓及相關(guān)參數(shù)的顯示；通過(guò)D/A控制電流源的電流大小。

2、程序流程圖

如圖（9）所示為程序流程圖。

圖（9）程序流程圖

四、實(shí)物展示

    1、環(huán)形變壓器

    1、輸入濾波

3、顯示及其主控

4、恒流電路

5、肖特基整流橋電路

6、輔助電源

7、整體實(shí)物圖