電子設(shè)計競賽論文范本.doc

數(shù)控直流電流源（F題）摘 要：本系統(tǒng)采用電流采樣反饋調(diào)整控制技術(shù)，控制過程是利用LM741組成恒流源，結(jié)合放大電路，A/D轉(zhuǎn)換電路，單片機(jī)最小控制系統(tǒng)，D/A轉(zhuǎn)換電路等構(gòu)成閉環(huán)系統(tǒng)。通過采樣將實際值輸出到單片機(jī)，由單片機(jī)進(jìn)行比較調(diào)整，控制電流輸出。由于使用了電流采樣反饋調(diào)整控制技術(shù)，該系統(tǒng)具有可靠性好，精度高等優(yōu)點。關(guān)鍵詞：數(shù)控電流源，AT89S52單片機(jī)，反饋控制，LM741 Numerical Control DC Current SourceAbstract: Employing the feedback adjusting technique with current sampling .The closed loop system consists of the constant current source LM741, amplifier circuit, AD574 converting circuit, the processing by One-chip computer, and DAC7513 converting circuit. The One-chip computer is used to compare, adjust, control the current output by the real outputs sampling feedback. The system features good responsibility and high accuracy with the feedback adjusting control technique by current sampling.Key words: Numerical Current Source, AT89S52 , feedback control, LM741一、方案論證與比較數(shù)模轉(zhuǎn)換器D/A與度不高。其右邊部分的電路構(gòu)成恒流源，D/A輸出電壓作為恒流源的參考電壓，運(yùn)算放大器IC與三個晶體管組成達(dá)林頓電路構(gòu)成電壓跟隨器，利用晶體管平坦的輸出特性即可得到恒流源輸出，如圖1所示。該方案硬件電路簡單，容易實現(xiàn)，但其輸出精方案一：采用單片機(jī)作為核心控制器，用鍵盤設(shè)置所需的輸出電流值，圖1 方案一系統(tǒng)設(shè)計框圖方案二：系統(tǒng)主要由放大電路，A/D轉(zhuǎn)換電路，單片機(jī)，D/A轉(zhuǎn)換電路，穩(wěn)壓電源，恒流源等組成，如圖2所示。系統(tǒng)中為了得到穩(wěn)定的恒流輸出，采用閉環(huán)控制的方式進(jìn)行處理。即通過精密電阻將電流信號變成電壓信號，電壓值的大顯示電流預(yù)置放大器A/D轉(zhuǎn)換控制器恒流源負(fù)載穩(wěn)壓電源D/A轉(zhuǎn)換放大器中斷返回I采樣IY圖2 方案二系統(tǒng)設(shè)計框圖小反映了電流的強(qiáng)弱；經(jīng)過電壓放大器將信號進(jìn)行放大，再進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，單片機(jī)根據(jù)電壓值轉(zhuǎn)換為對應(yīng)的電流值，與預(yù)置值比較，調(diào)整D/A轉(zhuǎn)換的輸入數(shù)字量，通過D/A轉(zhuǎn)換的電壓控制輸出電流，從而達(dá)到恒流的目的。同時，系統(tǒng)通過按鍵可以對電流進(jìn)行設(shè)置，并經(jīng)由LED交替顯示預(yù)置的電流值和實測值。綜上所述，在方案二中，由于采用閉環(huán)控制方式，其輸出電流紋波小，精度高、穩(wěn)定性能好，能夠消除器件老化、溫度漂移等原因造成的輸出誤差對測量系統(tǒng)的影響，能夠滿足系統(tǒng)設(shè)計的要求，所以選擇方案二。二、系統(tǒng)設(shè)計與理論分析1 、穩(wěn)壓電源模塊穩(wěn)壓電源電路采用三端固定式穩(wěn)壓器，只要把正輸入電壓Ui加到3025（7812，7912）的輸入端，3025（7812，7912）的公共端接地，其輸出端便能輸出芯片標(biāo)稱正電壓Uo。在電路中，芯片輸入端和輸出端與地之間除分別接大容量濾波電容外，另外我們采用3025還需在芯片引出腳根部接小容量電容到地，分別用于抑制芯片的自激振蕩和壓窄芯片的高頻帶寬，減小高頻噪聲。2、 恒流源模塊恒流源電路如圖5所示，是由運(yùn)算放大器和電阻等組成。輸入運(yùn)算放大器反相端的電壓是輸出電流流過、后產(chǎn)生的電壓降，所以運(yùn)算放大器反相輸入端電壓高低反映了輸出電流的大小。同相端的輸入電壓為基準(zhǔn)電壓。當(dāng)同相端電壓高于反相端電壓時，運(yùn)算放大器輸出高電平，穩(wěn)流電路不起作用，電源處于穩(wěn)壓狀態(tài)。當(dāng)同相端電壓低于反相端電壓時，運(yùn)算放大器輸出低電平，穩(wěn)流電路起作用，電路進(jìn)入穩(wěn)流狀態(tài)。圖4 恒流源電路3 、電壓放大模塊 電壓放大電路如圖5所示，該電路以AD620為核心。 圖5 電壓放大電路我們可以通過改變電阻的阻值來改變電路的放大倍數(shù)。由于恒流源輸出電流范圍需要達(dá)到,導(dǎo)致采樣得到的電信號相差很大，而放大電路增益為定值，所以需要兩路不同增益的放大電路對規(guī)定范圍內(nèi)的電壓信號進(jìn)行放大，使其輸出電壓控制在10V以內(nèi)，可以讓A/D轉(zhuǎn)換電路采到。4、數(shù)據(jù)采集與處理模塊為了提高系統(tǒng)的精度，A/D轉(zhuǎn)換電路如圖6所示，采用12 位逐次逼近型的AD574，該芯片內(nèi)有三態(tài)輸出緩沖器，輸出可直接連到單片機(jī)總線，輸入控制信號有CE、/CS、R/C，A0 及12/8。當(dāng)CE 為1，/CS 為0，R/C 為0時，表示作A/D 轉(zhuǎn)換，R/C 為1時，表示讀A/D 轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)。起動AD574 時，將A0(通常將它和單片機(jī)的最低位地址線A0 相連) 置0，表示設(shè)定AD574為12 位A/D。在A/D 結(jié)束后讀取數(shù)據(jù)時，將A0 置0，表示允許輸出轉(zhuǎn)換結(jié)果12 位中的高8 位，再將A0 為1，表示允許輸出低4 位。引腳12/8如接+5V，表示以一個12 位字的方式輸出數(shù)據(jù)。圖6 A/D轉(zhuǎn)換電路D/A轉(zhuǎn)換電路采用12位緩沖電壓串行輸出的DAC7513芯片，該芯片功耗低，內(nèi)含精密輸出放大器，使軌對軌輸出成為可能，它采用三線串行接口，操作時時鐘頻率高達(dá)30Hz,基準(zhǔn)電壓來自外部，最大值為電源電壓，輸出具有非常寬的動態(tài)范圍。該轉(zhuǎn)換電路的電路圖如圖7所示，1、2腳相連輸出信號；3腳接基準(zhǔn)電源5V，4腳接電源，5腳接地，3腳，4腳分別與地之間接電感，電容慮除紋波；6腳、7腳、8腳與單片機(jī)相連，由單片機(jī)輸給信號。其功能是把單片機(jī)輸出的控制電流輸出數(shù)值的信號通過放大電路放大傳輸?shù)诫娏髟础D7 D/A轉(zhuǎn)換電路5、鍵盤與顯示模塊鍵盤和顯示電路采用芯片8279，可以實現(xiàn)對鍵盤和顯示器的自動掃描，識別閉合鍵的鍵號，完成顯示器動態(tài)顯示，可以節(jié)省處理鍵盤和顯示器的時間，提高工作效率。本系統(tǒng)設(shè)置了一個8279的接口電路，供用戶擴(kuò)展鍵盤和顯示器所用。8279與單片機(jī)的許多信號是兼容的，可直接連接，十分方便。三、主要軟件流程圖1、 主程序流程圖如圖8所示，主要包括AD轉(zhuǎn)換子程序，AD轉(zhuǎn)換處理子程序，調(diào)整DA輸出，鍵盤處理子程序等。2、 外部中斷0中斷程序（鍵盤按鍵中斷）流程圖如圖9所示。3、 定時器/計數(shù)器1中斷程序（顯示中斷）流程圖如圖10所示。當(dāng)定時器/計數(shù)器1計數(shù)滿時溢出進(jìn)入中斷，在中斷程序中對一個存放中斷次數(shù)的寄存器加一，并判斷寄存器的數(shù)值，是否到100次，不到100次不置標(biāo)志位。開始單片機(jī)初始化8279初始化開啟所有中斷50ms到?AD轉(zhuǎn)換AD轉(zhuǎn)換結(jié)果處理調(diào)整DA輸出DA輸出送數(shù)據(jù)有按鍵？鍵盤處理1s到否？加秒計數(shù)器5秒否？調(diào)整延時單元8279顯示YNYNN圖8 主程序流程圖 外部中斷0入口現(xiàn)場保護(hù)置有鍵輸入標(biāo)志現(xiàn)場恢復(fù)中斷返回 定時/計數(shù)置有鍵輸入標(biāo)志器現(xiàn)場保護(hù)1外部中斷0入口入口賦值時間常數(shù)置顯示標(biāo)志位100次否？中斷返回現(xiàn)場恢復(fù)現(xiàn)場保護(hù)YN中斷返回圖9 外部中斷0中斷程序流程圖 圖10 定時器/計數(shù)器1中斷程序（顯示中斷）流程圖四、系統(tǒng)測試1、 測試儀器與設(shè)備基本儀器清單如表1所示。表1 基本儀器清單儀器名稱型號指標(biāo)生產(chǎn)廠家數(shù)量巖崎臺式模擬示波器SS-7802A20Hz日本巖崎1 雙通道數(shù)字示波器TDS100260MHZTektronix公司1雙通道雙指針毫伏表（低頻毫伏表）DF2170B100KHz100KHz 3%10Hz800kHz 10%寧波中策電子有限公司1穩(wěn)壓電源WD-5+5V，+12V， -5V,-12V啟東市斯邁計算機(jī)廠1直流穩(wěn)壓源DF17305B3A50Hz寧波中策電子有限公司1臺式萬用表EDM-3155A位臺灣富貴儀器ESCORT1數(shù)萬用表Vc9806+位深圳市勝高電子科技公司12、指標(biāo)測試在輸入交流200V240V，50HZ；輸出直流電壓10V的條件下，對制作的數(shù)控直流電流源進(jìn)行測試，實驗數(shù)據(jù)如表2所示：表2 電流測量值(每個測試點測量10 次的平均值作為這個點的測量值)序號設(shè)定值（A）測量值（A）標(biāo)準(zhǔn)值（A）測量誤差（A）10.0200.0210.01810.002920.1200.1210.11900.002030.2200.2210.2212-0.000240.3200.3210.3224-0.001450.4200.4210.4223-0.001360.5200.5190.5223-0.003370.6200.6200.6221-0.002180.7200.7210.72100.000090.8200.8210.82030.0007100.9200.9200.9201-0.0001111.0201.0211.01930.0017121.1201.1211.11840.0026131.2201.2211.21730.0037141.3201.3191.31620.0028151.4201.4191.41560.0034161.5201.5211.51220.0012171.6201.6201.61930.0007181.7201.7221.72190.0001191.8201.7821.7838-0.0008201.9201.8661.85580.0102212.0202.0152.01360.0014由上表可以知道，測量值與標(biāo)準(zhǔn)值之間最大的誤差在第15個點，其值為：3.4mA，小于給定值的0.1%+3個字（4.4mA）。故可以滿足題目（發(fā)揮部分）的第二項要求。在不同電流值，輸出直流電壓在10V以內(nèi)變化時，輸出電流變化的絕對值表格如表3所示。表3 不同恒流點的輸出電流變化（改變負(fù)載）序號設(shè)定值（A）顯示最大值（A）顯示最小值（A）10.0200.0200.02020.0800.0810.08030.1000.1010.10040.2000.2000.20050.3000.3000.30060.4000.4010.40170.5000.5000.50080.6000.6000.60090.7000.7000.700100.8000.8010.800110.9000.9010.900121.0001.0001.000131.1001.1001.100141.2001.2011.200151.3001.3001.300161.4001.4011.401171.5001.5011.500181.6001.6001.599191.7001.7001.699201.8001.9011.900211.9002.0001.999由表3可以知道：顯示最大值與最小值之差的絕對值為1mA，滿足題目的發(fā)揮部分（3）的要求。輸出紋波是影響系統(tǒng)穩(wěn)定度的一個重要方面，因此對電流紋波的測量十分必要，本系統(tǒng)得紋波測量值均小于0.2mA，滿足題目要求。3、誤差分析造成誤差的原因有：（1） 運(yùn)放零點漂移由于運(yùn)算放大器的零點漂移，溫度漂移等帶來的誤差，可以通過溫度補(bǔ)償措施來解決此誤差。（2） 采樣電阻自熱效應(yīng)引起的誤差由于電阻在溫度上升時阻值會發(fā)生變化，因此會引起溫度飄移，給系統(tǒng)帶來測量的誤差。（3） A/D，D/A轉(zhuǎn)換誤差受AD轉(zhuǎn)換器精度及基準(zhǔn)源穩(wěn)定程度的限制，不可避免地帶來一定的誤差，為了更精確的輸出恒流電源，必須選用更多位數(shù)的AD、DA芯片。（4） 因外界突發(fā)干擾或儀表顯示值等引起的隨機(jī)誤差或粗大誤差。（5） 紋波對電流輸出的影響。采用屏蔽的方法、遠(yuǎn)離容易產(chǎn)生勢騷動或脈沖工作方式的器件、減少IC供電電源的紋波等可減少由IC外部干擾產(chǎn)生的紋波。對選擇低噪聲的運(yùn)放是解決問題的一種方法，但不幸的是大多數(shù)產(chǎn)品目錄中均未列出噪聲指標(biāo)。根據(jù)少數(shù)運(yùn)放的該項指標(biāo)知道，其低頻噪聲(0.110Hz)電壓的峰-峰值為(0.120V),因此，選擇滿足1x10-6穩(wěn)定度要求的運(yùn)放也不是很容易的。另外，在輸出接近低頻直流時，運(yùn)放的失調(diào)電壓和失調(diào)電流也是產(chǎn)生低頻噪聲的源泉，特別是失調(diào)電流，在選擇運(yùn)放時亦應(yīng)注意。消除高頻噪聲可采用交流負(fù)反饋來提高運(yùn)放的交流放大倍數(shù)和拓寬頻帶，但將造成增益降低。解決的辦法是在運(yùn)放前加一級晶體管或場效應(yīng)管的差分級，由于分離元件便于精選，故可改變整個比較放大器的噪聲指標(biāo)。五、結(jié)論數(shù)控直流電流源可以實現(xiàn)以下功能：1、 輸出電流范圍：20mA2000mA；2、 具有“+”、“-”步進(jìn)調(diào)整功能，步進(jìn)1mA或10mA 。3、 顯示輸出電流的裝置 (交替顯示電流的給定值和實測值)，測量誤差的絕對值測量值的0.1+3個字；4、 改變負(fù)載電阻，輸出電壓在10V以內(nèi)變化時，輸出電流變化的絕對值輸出電流值的0.1+1 mA；5、 紋波電流0.2mA；本設(shè)計制作完成了題目要求的基本部分的全部要求和發(fā)揮部分的大部分要求，而且部分功能大大高于發(fā)揮部分的要求。 目前，在電子儀器，設(shè)備中經(jīng)常要用到直流