數(shù)控直流電流源設(shè)計(jì)

1、數(shù)控直流電流源設(shè)計(jì)電源技術(shù)數(shù)控直流電流源設(shè)計(jì)Thedesignofdigitaldirectcurrentsource(山東交通學(xué)院)張吉衛(wèi)李瑞霞丁曉東ZHANJIWEILlRUIXIADINGXIAODONG摘要:介紹了一種數(shù)控直流電流源的硬件電路和工作原理以及軟件設(shè)計(jì).該電流源通過輸出電流反饋構(gòu)成了閉環(huán)控制系統(tǒng).其輸出電流精度高,穩(wěn)定性好,具有良好的負(fù)載特性.關(guān)鍵詞:單片機(jī);電流源;閉環(huán)控制中圖分類號(hào):TN86文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:BAbstract:Thispaperdescribesthehdwalecircuitandtheoperatingprincipleofadigitaldirectc

2、urrentsottrce.aswellasitssoft-waredesigning.Thecurrentsotlrceconstitutesacloseloopcontrolsystemthroughoutputeta-rentedback.Itsoutputeta-rentnoton-lyishighstabilityandprecision,butalsohasgoodloadcharacteristic.Keywords:singlechipmicrocomputer,currentsource,close-loopcontrol1引言直流電流源在電子儀器,設(shè)備中應(yīng)用廣泛.本文設(shè)計(jì)的

3、直流電流源輸出直流電壓10V;輸出電流范圍為20mA2000mA;能夠設(shè)置并顯示輸出電流設(shè)定值;具有”+”,”一”步進(jìn)調(diào)整功能,步進(jìn)lmA;能夠測(cè)量并顯示輸出電流值.本系統(tǒng)以單片機(jī)為核心.通過改變PWM信號(hào)占空比.在電壓轉(zhuǎn)換電路中得到控制電壓,控制電壓利用運(yùn)算放大器特性,控制負(fù)載電流恒定輸出.實(shí)現(xiàn)了電壓控制電流源.為保證電流源輸出電流穩(wěn)定性好,精度高,抗干擾能力強(qiáng).采用反饋閉環(huán)控制系統(tǒng).結(jié)合數(shù)字PI控制算法,取得了較好的控制效果.2數(shù)控直流電流源的系統(tǒng)組成和硬件設(shè)計(jì)數(shù)控直流電流源的系統(tǒng)組成主要包括單片機(jī)與鍵盤,顯示,報(bào)警電路組成的控制系統(tǒng)模塊;PWM信號(hào)電壓轉(zhuǎn)換電路及電壓/電流轉(zhuǎn)換電路組成的電

4、流源模塊;取樣電路和模/數(shù)轉(zhuǎn)換電路構(gòu)成的測(cè)量模塊;電源模塊等.其控制系統(tǒng)模塊,模/數(shù)轉(zhuǎn)換模塊電路如圖1所示.?j圖1數(shù)控直流電流源控制系統(tǒng),模/數(shù)轉(zhuǎn)換電路2.1控制系統(tǒng)模塊(1)鍵盤電路:數(shù)控直流電流源主要有工作,停止,增,減按張吉衛(wèi):副教授碩士鍵,采用并人串出移位寄存器74IS165擴(kuò)展鍵盤接口.單片機(jī)P3.2為數(shù)據(jù)封鎖信號(hào),P3.0為數(shù)據(jù)輸入.P3.1為時(shí)鐘信號(hào).(2)顯示電路:數(shù)控直流電流源需要顯示信息較多,如輸出電流值,設(shè)定電流值以及系統(tǒng)狀態(tài)信息等.為充分明確顯示.采用0CMJ4x8中文液晶顯示模塊.該模塊內(nèi)含點(diǎn)陣國(guó)標(biāo)一級(jí)簡(jiǎn)體漢字和ASClI碼,可實(shí)現(xiàn)文本顯示.其用戶硬件接口采用REQ

5、/BUSY握手協(xié)議.簡(jiǎn)單可靠.BUSY高電平有效.表示OCMJ忙,不能接受命令;BUSY=0時(shí),表示OCMJ空閑.同時(shí)REQ=I時(shí)通知OCMJ處理當(dāng)前數(shù)據(jù)線上的數(shù)據(jù).我們選P1.6和P1.7作為單片機(jī)與液晶顯示器的聯(lián)絡(luò)口.(3)報(bào)警電路:數(shù)控直流電流源有過流保護(hù)功能,即當(dāng)實(shí)際電流輸出超過2050mA.可實(shí)現(xiàn)報(bào)警.并使輸出電流降為0mA.當(dāng)過流保護(hù)時(shí),單片機(jī)驅(qū)動(dòng)聲響報(bào)警,聲響報(bào)警電路由P1.4口驅(qū)動(dòng).2.2電源模塊數(shù)控直流電流源需要輸出20mA2000mA恒定電流.并且要求紋波系數(shù)盡可能要小.而輸出電流恒定的前提是提供電流的直流穩(wěn)壓電源輸出電壓穩(wěn)定.我們選用線性直流穩(wěn)壓電源.其中穩(wěn)壓電路使用LM

6、338大電流可調(diào)電壓輸出穩(wěn)壓管.其輸出電流可達(dá)5A.電壓調(diào)節(jié)范圍1.2-32V,能夠滿足設(shè)計(jì)要求.2-3電流源電路電流源電路如圖2所示.其基本原理是利用占空比可變的PWM信號(hào)取得控制電壓.控制電流源恒流輸出.圖2電流源電路曩直控罔郵局訂閱號(hào):82360元/年一247一一0胄電源技術(shù)中文核心期刊微計(jì)算機(jī)信息>(測(cè)控自動(dòng)化)2007年第23卷第期(1)控制電壓取得原理三極管Q,變壓器T,二極管D,電容C,電阻R組成控制電壓變換電路,其電路波形如圖3所示.圖3控制電壓變換電路波形圖晶體管Q受其基極PWM信號(hào)Ub驅(qū)動(dòng)周期性導(dǎo)通和截止.當(dāng)晶體管導(dǎo)通時(shí),在理想情況下,電源電壓UJ(5v)全部加在電感

7、一變壓器初級(jí)N.上.變壓器初級(jí)感應(yīng)電勢(shì)”.”端為正,次級(jí)”.”端也為正,二極管反偏截止,因此電感變壓器此時(shí)作為電感運(yùn)行.若電感L.是線性的,初級(jí)電感電流變化:I1=(一)=7按線性增長(zhǎng).電源向電感儲(chǔ)能,負(fù)載由電容供電.晶體管截止時(shí),電感能量不能突變,變壓器各線圈感應(yīng)電勢(shì)反號(hào),”.”端為負(fù),迫使二極管導(dǎo)通,電感能量逐步轉(zhuǎn)為電場(chǎng)能量向電容充電和負(fù)載供電.設(shè)電容電壓變化很小,次級(jí)電流變化量:之=(f2一一f2)=旦7在穩(wěn)態(tài)時(shí)轉(zhuǎn)換瞬間變壓器應(yīng)滿足:一NI=2和l=2因此,l=2式中N,N2分別為變壓器初,次級(jí)匝數(shù).L和分別為變壓器初,次級(jí)電感量,設(shè)變壓器沒有漏感,應(yīng)有:=()2由以上各式聯(lián)立求解,得到

8、:=?U或OFFV1=Dn?Uz式中n=2/變壓器變比,D=為PWM信號(hào)占空比系數(shù).由上式可知.通過改變PWM信號(hào)的占空比系數(shù)可得到連續(xù)變化的U0,進(jìn)一步利用分壓電路可得到連續(xù)變化的控制電壓U.f21恒流原理由運(yùn)算放大器特性,控制電壓:.=一=,則負(fù)載電流=TT,與U負(fù)載阻值RL無關(guān),當(dāng)控制電壓一定時(shí),負(fù)載電流恒定,實(shí)現(xiàn)了恒流.達(dá)林頓三極管BU932起到擴(kuò)大輸出電流作用.我們選擇采樣電阻RFl歐姆,由大線徑康銅絲繞制而成,取其電壓降為采樣電壓進(jìn)行模/數(shù)轉(zhuǎn)換.2.4模,數(shù)轉(zhuǎn)換為實(shí)現(xiàn)輸出電流恒定,采用反饋閉環(huán)控制系統(tǒng),需要采樣輸出電流的變化.將采樣電阻兩端的采樣電壓送到圖l所示模/數(shù)轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換為

9、數(shù)字量,反饋回單片機(jī),實(shí)現(xiàn)了電流變化的采樣.本系統(tǒng)選用12位串行模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片AD7705.從保證轉(zhuǎn)換精度和穩(wěn)定性方面考慮,AD7705的電源由電壓基準(zhǔn)源芯片MC1403產(chǎn)生.為適應(yīng)50Hz工頻的特點(diǎn),提高A/D對(duì)其的抗干擾能力,A/D晶振頻率選用芯片規(guī)定的2.4576MHz.輸出更新率為5OHz.系統(tǒng)中,AD7705的數(shù)據(jù)輸入,輸出口線并接后與單片機(jī)的P1.3相接,SCLK接P1.1,DRED接P1.2.3控制算法和軟件編程3.1位置式PI控制算法在數(shù)控電流源閉環(huán)控制系統(tǒng)中,為保持負(fù)載電流恒定,并且負(fù)載電流隨設(shè)定值變化時(shí)沒有超調(diào),同時(shí)又希望系統(tǒng)有比較好的抗擾動(dòng)性能.我們采用PI調(diào)節(jié)器來改善系統(tǒng)

10、的性能.由于計(jì)算機(jī)控制是一種采樣控制.必須將PI調(diào)節(jié)器中的積分項(xiàng)和微分項(xiàng)進(jìn)行離散化處理.離散化處理的方法是:以T作為采樣周期,k作為采樣序號(hào),則離散采樣時(shí)間kT對(duì)應(yīng)著連續(xù)時(shí)間t.用求和的形式代替積分,因而可得PI位置式增量算式控制量的遞推形式為:(+一式中,uk.?第k次采樣時(shí)刻輸入的偏差值和計(jì)算機(jī)輸出值;e,u?第k1次采樣時(shí)刻的輸入的偏差值和計(jì)算機(jī)輸出值;KP,TI比例系數(shù),積分常數(shù).單片機(jī)編程時(shí).第k次采樣.首先根據(jù)給定值r,測(cè)量值Y計(jì)算偏差:=rY再根據(jù)第k-1次的偏差e”,控制量u計(jì)算ub并換算為PWIVl信號(hào)占空比的增量變化,實(shí)現(xiàn)控制電壓及輸出電流的恒定.3.2控制軟件控制軟件主要

11、包括主程序,按鍵,顯示,采樣,控制算法等子程序.在系統(tǒng)加電后,主程序首先完成系統(tǒng)初始化,其中包括AD77O5初始化,液晶初始化,定時(shí)器初始化,定義變量及其初始化等.根據(jù)是否有鍵按下以及鍵值,執(zhí)行相應(yīng)的功能子程序.當(dāng)工作鍵按下后,根據(jù)設(shè)定值,采樣值,控制算法子程序計(jì)算對(duì)應(yīng)輸出量,并進(jìn)一步改變PWM占空比,實(shí)現(xiàn)電流反饋閉環(huán)控制.限于篇幅,其各程序框圖從略.4結(jié)束語該數(shù)控直流電流源采用反饋閉環(huán)控制的方法,構(gòu)造出了實(shí)用的直流電流源,其電流輸出的預(yù)置級(jí)數(shù)和調(diào)整精度與PWM占空比調(diào)整率,模/數(shù)轉(zhuǎn)換器的位數(shù)有緊密關(guān)系.而本系統(tǒng)PWM占空比調(diào)整率可達(dá)1%o甚至更小,而AD7705為l2位模/數(shù)轉(zhuǎn)換器.因而該電

12、流源精度較高.當(dāng)然,由于本系統(tǒng)采用串行模/數(shù)轉(zhuǎn)換器.系統(tǒng)響應(yīng)速度較慢,若采用并行模/數(shù)轉(zhuǎn)換器以及PID控制算法.電流源的響應(yīng)速度會(huì)進(jìn)一步提高.本文作者創(chuàng)新點(diǎn):以單片機(jī)為核心.通過改變PWM信號(hào)占空比,得到控制電壓,進(jìn)一步控制負(fù)載電流恒定輸出,這種方法由于PWM信號(hào)占空比調(diào)整率可達(dá)l甚至更小,因而輸出電流步進(jìn)可達(dá)lmA.而利用電流以及模/數(shù)轉(zhuǎn)換電路構(gòu)成的反饋閉環(huán)控制系統(tǒng),結(jié)合數(shù)字PI控制算法,保證了電流源輸出電流穩(wěn)定性好,精度高,抗干擾能力強(qiáng).參考文獻(xiàn):(_轉(zhuǎn)第197頁)一248360元,年郵局訂閱號(hào):82-946傳感器與儀器儀表DimThlAsNewThread(AddressOf顯示11建立

13、其他線程建立線程時(shí),其中AddressOf表示兩個(gè)線程執(zhí)行的子程序分別是采集f)和顯示10.ThO.Stan0Th1.Stan0啟動(dòng)上面線程設(shè)置線程的優(yōu)先級(jí).采集數(shù)據(jù)線程優(yōu)先級(jí)高于屏幕顯示線程.優(yōu)先級(jí)線程的更迅速地響應(yīng)請(qǐng)求,代碼如下:ThO.Priority=ThreadPriority.AboveNormalTh1.Priority=ThreadPriority.Normal其他都設(shè)為Normal4結(jié)束語本設(shè)計(jì)中使用DirectX的DirectDraw類在內(nèi)存中繪制圖形,并且不立即顯示在屏幕上,通過翻轉(zhuǎn)再輸出到屏幕上,既提高了圖像數(shù)據(jù)的處理速度,又有效的避免了圖像閃爍;使用多線程技術(shù)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)

14、采集和顯示同時(shí)進(jìn)行,既避免了采集時(shí)丟失數(shù)據(jù),又保證了較高的顯示速度.上面代碼在windowsXP,.Net2003企業(yè)版中調(diào)試通過.設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一個(gè)性能較好的虛擬儀器的圖形顯示面板.本文作者創(chuàng)新點(diǎn):1.使用VB.NET中DirectX的DirectDraw類在內(nèi)存中繪制虛擬儀器的圖形顯示面板,并且圖形不立即顯示在屏幕上,通過翻轉(zhuǎn)再輸出到屏幕上,既提高了圖像數(shù)據(jù)的處理速度,又有效的避免了圖像閃爍:2.使用VB.NET中的多線程技術(shù)實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)采集和顯示同時(shí)進(jìn)行,避免采集過程的丟幀,并能實(shí)現(xiàn)圖形的高速輸出.參考文獻(xiàn):【1史建華,李槐樹,向東.虛擬儀器在系統(tǒng)相關(guān)辨識(shí)中的應(yīng)用J.微計(jì)算機(jī)信息,2006.

15、10:199200I21尚展壘等.VisualBasic.NET程序設(shè)計(jì)技術(shù)【M.北京:清華大學(xué)出版社.2006,3【3馬明建.數(shù)據(jù)采集與處理技術(shù)【M.西安:西安交通大學(xué)出版社.1998,5作者簡(jiǎn)介:陳螈玲(1973一),女(漢族),河南汝州人,鄭州輕工業(yè)學(xué)院計(jì)算機(jī)與通信工程學(xué)院講師,碩士,主要從事軟件工程研究.Biographr:ChenYuanling(1973一),Female(HanNaionality),Ruzhou,HenanProvince,SchoolofComputerandCommunicationEngineering,ZhengzhouUniversityofLight

16、Industry,Lecturer,Master,Majorinsoftwareengineering.(450O02河南鄭州鄭州輕工業(yè)學(xué)院計(jì)算機(jī)與通信工程學(xué)院)陳嫖玲(466000河南周口周口職業(yè)技術(shù)學(xué)院)郜穎(454003河南焦作焦作大學(xué)計(jì)算機(jī)系)邢文生霍曉麗(SchoolofComputerandCommunicationEngineering,ZhengzhouUniversityofLightIndustry,Zhengzhou450002)ChenYuanling(Zhoukouvocationtechnologycollege,Zhoukou466000)GaoYing(Depa

17、rtmentofComputer,JiaozuoUniversity,Jiaozuo454003),XingWensheng3,HuoXiaoli通訊地址:(45OO02南省南省鄭州市東風(fēng)路5號(hào)鄭州輕工業(yè)學(xué)院計(jì)算中心)陳螈玲(收稿日期:2007.1.12)(修稿日期:2007.2.15)(上接第205頁)2.2.5r值顯示電路AT89C2051單片機(jī)與字符型LCD顯示模塊DMC16230采用擴(kuò)展串行方式接口.用串人并出8位移位寄存器74LS164擴(kuò)展一個(gè)8位輸出口.這樣可節(jié)省89C2051的6根I/0線,節(jié)約了單片機(jī)有限的接口資源.單片機(jī)與74LS164,DMC16230的連接方式如圖5所示.

18、2.3軟件設(shè)計(jì)根據(jù)有源網(wǎng)絡(luò)內(nèi)阻測(cè)量?jī)x的功能要求,主要設(shè)計(jì)了初始化程序,測(cè)量程序,零點(diǎn)校正程序,顯示數(shù)據(jù)處理和顯示驅(qū)動(dòng)程序等.軟件流程圖如圖3所示.3結(jié)束語本文作者創(chuàng)新點(diǎn)是實(shí)現(xiàn)了有源網(wǎng)絡(luò)內(nèi)阻的自動(dòng)測(cè)量.作者設(shè)計(jì)和研制的有源網(wǎng)絡(luò)內(nèi)阻測(cè)量?jī)x.實(shí)際應(yīng)用于不同類型有源網(wǎng)絡(luò)內(nèi)阻的測(cè)量,獲得了良好的效果.該測(cè)量?jī)x具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,成本低,性能穩(wěn)定,測(cè)量精度高,使用方便,智能化等優(yōu)點(diǎn).參考文獻(xiàn):1ll曉東,等.數(shù)字式儀表自動(dòng)判讀設(shè)計(jì)與方法研究J微計(jì)算機(jī)信息,2006(41):191193.2吳峰,等.利用雙8051芯片組成的頻率測(cè)量系統(tǒng)J微計(jì)算機(jī)信息,2005f42):6970.【3雷建龍.基于單片機(jī)的模糊控制器的設(shè)計(jì)IJ1微計(jì)算機(jī)信息.2006(62):4951.作者簡(jiǎn)介:秦輝(1962一),男,漢族,高級(jí)工程師,主要從事電子電路的教學(xué)與研究工作.Biography:Qin,Hui,borninHebei