数字式直流恒流源系统设计

目 录

目录……................................................................................................................................1 摘要……................................................................................................................................3 第一章 绪论……..................................................................................................................5 第二章 数控直流恒流源系统描述……..............................................................................6 2.1 系统简介……..….........................................................................................................6 2.2 系统总体设计…….......................................................................................................6 2.2.1 主控器..................................................................................................................7 2.2.2 供电电源..............................................................................................................7 2.2.3 恒流源..................................................................................................................8 2.2.4 键盘......................................................................................................................9 2.2.5 显示......................................................................................................................9 2.2.6 输出电流检测......................................................................................................10 2.2.7 语言......................................................................................................................10 第三章 系统的硬件设计……..............................................................................................12 3.1 主控电路设计...............................................................................................................12 3.2 供电电源设计...............................................................................................................13 3.2.1主电源……...........................................................................................................13 3.2.2单片机电源（第二级电源）...............................................................................16 3.3 恒流源电路设计……...................................................................................................18 3.4 D/A转换电路设计…….............................................................................................19 3.5 电流检测电路设计…...................................................................................................20 3.6 键盘电路设计...............................................................................................................21 3.7 显示电路设计...............................................................................................................22 3.8 语音电路设计...............................................................................................................23 第四章 系统的软件设计......................................................................................................25 4.1 软件结构设计…….......................................................................................................25 4.1.1系统软件的结构...................................................................................................25 4.2.2总体流程...............................................................................................................25 4.2 程序设计.......................................................................................................................26 第五章 总结……..................................................................................................................27 参考文献……........................................................................................................................28 附录1 数控直流恒流源系统总体电路图 附录2 数控直流恒流源系统程序设计

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摘 要

本系统以直流电流源为核心，ATS52单片机为主控制器，通过键盘来设置直流电源的输出电流，设置步进等级可达1mA，并由液晶显示（LCD）显示出实际输出电流值和电流设定值。本系统由单片机程控输出数字信号，经过D/A转换器（TLV5638）输出模拟量，再经过运算放大器隔离放大，控制输出功率管的基极，随着功率管基极电压的变化而输出不同的电流。在通过键盘设定好需要输出电流值后，单片机对设定值按照一定的算法进行处理。经D/A输出电压控制恒流源电路输出相应的电流值。单片机系统还兼顾对恒流源进行实时监控，输出电流经过电流/电压转变后，通过A/D转换芯片，实时把模拟量转化为数据量，再经单片机分析处理，通过数据形式的反馈环节，使电流更加稳定，这样构成稳定的压控电流源。实际测试结果表明，本系统与传统稳压电流源相比，具有操作方便、输出电流稳定度高的特点。

关键字：直流电流源，单片机，压控电流源

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ABSTRACT

In this system the DC source is center and S52 version single chip 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 LCD. In the system, the digitally programmable signal from SCM is converted to analog value by DAC (TLV5638), 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. Using the keyboard to set the needed output current value, The SCM based on some specific algorithm to deal the certain settings for processing. Corresponding voltage output by the ADC output voltage-controlled current source circuit.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. The test results have showed that this system, compared with the traditional regulated current source, has easy to operate and features high output current stability.

KEY WORDS:DC Current Source, single chip microcomputer(SCM), Voltage-controlled -current source

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第一章 绪论

随着电子技术的发展，数字电路应用领域的扩展，现今社会，产品智能化、数字化已成为人们追求的一种趋势，设备的性能，价格，发展空间等备受人们的关注，尤其对电子设备的精密度和稳定度最为关注。性能好的电子设备，首先离不开稳定的电源，电源稳定度越高，设备和外围条件越优越，那么设备的寿命更长。基于此，人们对数控恒定电流器件的需求越来越迫切．当今社会，数控恒压技术已经很成熟，但是恒流方面特别是数控恒流的技术才刚刚起步有待发展，高性能的数控恒流器件的开发和应用存在巨大的发展空间。

目前恒流电流源是科研、航天航空、半导体集成电路路生产领域以及计量领域中一种很重要的电子设备。随着技术的发展，对恒流电流源的稳定性、精度等要求越来越高，而传统的模拟恒流源由于模拟电路的复杂性，将越来越难满足高稳定性的应用场合。随着数字电子技术的发展，在计量领域、电量和非电量测量的仪表、工业控制系统中应用数控直流恒流源。数控直流恒流源与传统稳压电流源相比，具有操作方便、输出电流稳定度高的特点。

本数控直流恒流源系统在模拟恒流电流源技术的基础上，以51系列单片机为控制核心，设计操作方便、输出电流稳定度高的数字控制直流恒流源系统。以满足技术发展的实际需要。

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第二章 数控直流恒流源系统描述

2.1 系统简介

本系统包括电源交换处理及分配模块、恒流源模板、单片机主控模板、键盘输入模块、LCD显示模块、模数转换（A/D）模块、数模转换（D/A）模块、语音模块和实时时钟模块9个部分。在通过键盘设定好需要输出电流值后，单片机对设定值按照一定的算法进行处理。经D/A输出电压控制恒流源电路输出相应的电流值。单片机通过采样恒流源电路上串接的采样电阻的电压，计算出此时恒流源电路的输出电流值并与设定值进行比较，以控制D/A的输出从而实现对恒流源的输出电流进行调节，使输出电流能实时跟随设定值。

数控直流恒流源可以实现以下功能：

1.可手动设定输入电流值（范围为20mA～2A） 2.有输出电流值数字显示，输出电流范围为20mA～2A。 3.直接用220V市电供电。

4.输出电流恒定，改变负载电阻，输出电压在24V以内变化时，输出电流变化的绝对值≤输出电流值的0.1%=1mA。 5.纹波小，纹波电流≤0.2A。

6.步进电流值，步进的分辨率高,步进1mA。

7.输出电压范围为0～24V。

2.2 系统总体设计

数控直流恒流源的总体原理框图如图2-1所示。

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图2-1 数控直流恒流源的总体原理框图

包括主控器、供电电源、恒流源、键盘、显示、语言、输出电流检测7个部分，图

1-1中的负载是指恒流源的负载，不属于恒流源的系统组成。下面将介绍各个部分的总体设计与选型。

2.2.1 主控器

主控器采用51系列单片机，负责控制与协调其他各个模块工作，并进行简单的数字信号处理。在整个数控直流恒流源系统中，主控器是系统的控制中心，其工作效率的高低关系到系统效率的高低以及系统运行的稳定性。而51系列单片机具有成本低，稳定性好，且运行速度基本能满足该系统的要求。在本系统中，将采用Atmel公司的ATS52。

2.2.2 供电电源

在数控直流恒源源中，对供电电源的要求很高，需要大功率的电源来供电。而单纯采用一般的线性稳压器件很难完成该部分的功能。随着开关电源技术的飞速发展，开关电源的工作效率越来越高，同时能提供高功率大电流的输出。在本系统中，首先设计一个基于支持大电压输入输出，大电流输出的开关稳压器的主电流，然后利用普通开关稳压器来降压为单片机系统提供电源。

在系统中，主电源采用凌特（Linear）公司的LT3724,第二级开关稳压器采用LM2576-5来实现为单片机系统的供电。

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2.2.3 恒流源

恒流源的实现方式有多种，有运算放大器组成的恒流源，三极管组成的镜像电流源、运算放大器加达林顿管组成的恒流源等。 （1）运算放大器组成的恒流源

运算放大器组成的恒流源是利用了运算放大器的两个基本特性：虚短路和虚断路，其典型原理图如图2-2所示。

图2-2 运算放大器组成的恒流源典型原理图

(2)三极管组成的镜像电流源

由三极管组成的镜像电流源的典型电路图如图2-3所示。

图2-3 三极管组成的镜像电流源典型电路

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（3）运算放大器加达林顿管组成的恒流源

运算放大器加达林顿管组成的恒流源的典型电路如图2-4所示。

图2-4 运算放大器加达林顿管组成的恒流源的典型电路

在本数控直流恒流源中，采用了运算放大器加达林顿管组成的恒流源电路，运算放大器采用LM358，加达林顿管采用TIP142，同时利用D/A转换器TLV5638作为电压输入控制。

2.2.4 输出电流检测

对恒流源输出的电流进行实时的测量，以便显示实际输出电流的大小以及通过一定的算法来调整控制端的电压，从而实现高精度的横流输出。

在本数控直流恒流源系统中，采用ADI公司生产的AD977A对恒流源的采样电阻两端的电压进行采样来实现，采样电阻采用阻值收温度影响很小的康铜丝电阻。

2.2.5 键盘

比较常用的键盘有两种，一种是矩阵式键盘，另一种是采用专用的按键扫面控制芯片实现的键盘。下面将分别介绍矩阵式键盘和专用按键扫描控制芯片键盘。 （1）矩阵式键盘

矩阵式键盘，其将键盘排列成矩阵形式，需要通过软件对按键进行判断和定义，且接

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口电路由单片机系统直接访问和控制，键盘的扫描、去抖动、判断和编码等操作都需要单片机完成，这样会使得单片机的工作量非常大，使单片机的效率降低。 （2）专用按键扫描控制芯片键盘

专用的按键扫描控制芯片能够的完成对键盘中按键的扫描与管理，并且通过简单接口与微控制器进行连接。使用按键扫描控制芯片来完成微控制器的键盘管理，可以大大的提高微控制器的工作效率。

在本数控直流恒流源中，采用周立功公司生产的ZLG72键盘扫描控制集成芯片。

2.2.6 显示

一般情况下，显示单元可以采用一般的数码管显示，因为数码管具有接线简单，成本低廉，配置简单灵活，编程容易，对外界环境要求较低，易于维护等特点。但是，考虑到普通数码管能够显示的信息量有限，并且一般情况下要显示较多的信息所占用的系统I/O资源较多。

在本系统中，考虑到显示的内容以及系统的实用性，采用液晶显示（LCD）。液晶显示具有功耗低、体积小、质量轻、无辐射危害、平面直角显示以及影响稳定不闪烁、画面效果好、分辨率高、抗干扰能力强等优点。点阵式LCD不仅可以显示字符、数字，还可以显示各种图形、曲线及汉字，并且可以实现屏幕上下左右滚动、动画、闪烁、文本特征显示等功能。

本系统采用的点阵式LCD型号为FYD128。 2.2.7 语言

在本数控直流恒流源中，考虑到具有更高的智能化，还设计了语言播报电流值的功能，出于设计的成本与复杂性的考虑，采用了ISD公司生产的集成语音芯片ISD1420来完成该功能。

综合上述，数控直流恒流源的设备选型如表2-1所示。

表2-1 数控直流恒流源的设备选型

器 件 编 号 1 2 3 4 5

器 件 名 称 单片机 稳压器 运算放大器 达林顿管 D/A转换器 9

型 号 ATS52 LT3724，LM2576-5 LM358 TIP142 TLV5638 器 件 编 号 6 7 8 9 10

器 件 名 称 康铜丝 A/D转换器 按键扫描控制芯片 点阵LCD 语音集成芯片 型 号 0.25 AD977A ZLG72 FYD128 ISD1420

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第三章 系统硬件设计

系统的总体硬件框图如图3-1所示，主要有ATS52单片机系统、LM358与TIP142组成的恒流源电路、D/A转换器TLV5638电路、采样电阻与A/D转换器AD977A组成的电流检测电路、ZLG72键盘、FYD128组成的显示电路、ISD1420语音电路等。

图3-1 系统的总体硬件框图

3.1 主控电路设计

主控电路即为一个51系列单片机的最小系统，单片机选择了Atmel公司的ATS52,主控电路如图3-2所示。

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图3-2 主控电路

3.2 供电电源设计

3.2.1 主电源

主电源需要为系统提供30V，3A以上的电源，系统中，采用了LT3724开关稳压器。LT3724是凌特（Linear）公司生产的一款面向中等功率、低元件数目、低成本和高效电源的DC/CD控制器。它提供了一个4V~6V的输入电压范围，其中，最小启动电压为7.5V，

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能够实现降压、升压、反相的SEPIC拓扑结构。LT3724具有突发模式操作功能，能将静态电流降至100μA以下，并可以在轻负担的条件下维持搞的效率。一个内部的高电压偏置稳压器为进行简单的偏置创造条件，并可以被反向驱动以提高效率。 （1）LT3724的基本特性 LT3724的基本特性参数如下：

※宽输入范围：4V 至 60V ※输出电压高达 36V (降压)

※突发模式 (Burst Mode®) 操作：电源电流 <100µA ※10µA 停机电源电流 ※基准精度达 ±1.3% ※200kHz 固定频率 ※驱动 N 沟道 MOSFET ※可编程软起动 ※可编程欠压闭锁

※用于栅极驱动的内部高电压稳压器 ※热停机

※电流限值不受占空比的影响 (2)LT3724的引脚配置

LT3724的引脚配置如图3-3所示

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图3-3LT3724的引脚配置

表3-1 LT3724的引说明

引脚编号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 引脚编号 10 11 12 13 14 15 16

引脚名称 VIN NC /SHDN CSS BURST_EN VFB VC SGND SENSE－ 引脚名称 SENSE＋ PGND VCC NC SW TG BOOST 悬空 功 能说 明 电压输入端，需要一个低ESR的电容器接至SGND 该引脚有一个1.35V的精准IC使能门限和120mV迟滞，用来实现欠压闭锁电路 软启动引脚，设置电源软启动功能 控制突发模式操作的使能与否，为低时，使能；为高时，无效 输出电压反馈引脚，需要通过一个电阻分压器从外连至电源输出电压 误差放大器的输出端 低噪声的基准 电流检测放大器的负输入端 功 能 说 明 电流检测放大器的正输入端 内部低压侧开关和VCC稳压器电路的高电流的基准 内部偏置电源去耦节点 悬空 降压中被连接到外部肖特基二极管的负极、MOSFET的漏极和电感器 该引脚用于上端N沟道MOSFET的自举栅级驱动器 该引脚用于自举栅级驱动器的电源 (3)LT3724电路设计

基于LT3724的主电源电路如图3-4所示。其中，采用220V、50Hz的市电来提供电源，经过变压器降压，然后经过全桥整流成直流，最后经过LT3724稳压输出。

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图3-4 基于LT3724的主电源电路

3.2.2 单片机电源（第二级电源）

单片机系统的供电电源采用了LM2576-5对主电源的输出进行再一次的降压。LM2576系列是美国国家半导体公司生产的3A电流输出降压开关型集成稳压器件，内置固定频率的振荡器和1.23V基准稳压器，并具有完善的保护电路，具有电流及热关断电路。使用时，只需少量的外围器件就可以实现高效的稳压电路。LM2576系列具有两个最大电压输入等级的器件，包括LM2576（最高输入电压为40V）和LM2576HV(最高输入电压为60V），具有多个输出电压等级的器件。 (1)LM2576的基本特性

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LM2576的基本特性参数如下。 ※最大输出电流：3A。

※最高输入电压：LM2576为40V,LM2576HV为60V。 ※输出电压：3.3V、5V、12V、15V和ADJ(可调）等可选。 ※震动频率：52kHz。

※转换效率：75%-88%（不同电压输出时的效率不同）。 ※控制方式：PWM。

※工作模式：低功耗/正常两种模式可外部控制。 ※工作模式控制：TTL电平兼容。

※所需外部元件：仅4个（不可调）或6个（可调）。 ※器件保护：热关断及电流。 (2)LM2576的引脚配置

LM2576的引脚配置如图3-5所示。

图3-5 LM2576的引脚配置

LM2576的引脚说明如表2-2所示。

表3-2 LM2576的引脚说明

引 脚 编 号 1 2 3 4 5

引 脚 名 称 VIN VOUT GND FB /ON_OFF 功 能 说 明 电压输入端 稳压输出端 地 反馈端 模式控制器 (3)LM2576电路设计

基于LM2576的单片机系统供电电源电路设计如图3-6所示。其输入即为主电源的输出，选择了LM2576-5器件，其输出为+5V.

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图3-6 基于LM2576的单片机系统供电电源电路

3.3 恒流源电路设计

恒流源由运算放大器LM2576以及达林顿管TIP142构成，如图3-7所示。其中，TIP142中的几个关键指示如下。

最大集电极——发射极电压：VCEOM = 100V。 最大集电极——基极电压：VCBM = 100V。 最大发射极——基极电压：VEBM = 5.0V.

最大集电极电流：稳态值，ICM = 10A；瞬时峰值，ICMP = 15A。 最大基极电流：IBM = 0.5V。 最大承受功率：PD = 125W。

从上述指标可以看出，TIP142可以满足整个系统的输出电流要求。

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图3-7 恒流源电路

说明，图20-12中的0.25Ω电阻R7同时也为采样电阻，采用康铜丝绕制而成，在接下来的电流检测电路设计中将详细介绍。

3.4 D/A转换电路设计

恒流源的输出电流由恒流源输入控制电压来决定。采用了D/A转换器TLV5638的输出来满足次要求。TLV5638是TI公司的12位D/A（数/模）转换器，具有两个输出通道，数据传输接口为3线制接口为3线制的串行接口，该接口能够与常用的微控制器或者微处理器直接连接。同时内置片上电压参考源，该参考源最大能达到1mA的电流，因此也可以将其作为整个系统的参考源，减少了系统设计的复杂性。 TLV5638组成的D/A转换器电路如图3-8所示。

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图3-8 TLV5638组成的D/A转换电路

3.5 电流检测电路设计

为了提高电流输出地精度，需要引入一个反馈回路，用来指示当前输出地电流大小，完成该功能的电路即为电流检测电路。利用A/D转换器采集采集采样电阻两端的电压值，从而测量输出电流，因此，对采样电阻的要求比较高，同时采样电阻上需要交流过的最大电流比较大（0A-2A），这样在采样电阻上的功耗比较高，就需要用受温度等外部因素影响比较小的电阻，在本系统中，采用了康铜丝作为采样电阻，即为图20-12中的电阻R7。 电流检测电路如图3-9所示，其中A/D转换器采用AD977A，其是ADI(Analog Devices)公司推出的一款高速16位A/D转换器，低功耗，只需要单个+5V供电，其采样速率为200KSPS。

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图3-9 电流检测电路

3.6 键盘电路设计

键盘电路采用按键扫描管理集成芯片ZLG72,在本系统中需要用到“0-9”、“确认”“取消”、“+”、“-”等14个按键，设计16个按键即可满足要求，ZIG72键盘电路如图3-10所示。

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图3-10 ZLG72键盘电路

3.7 显示电路设计

显示采用的是点阵LCD，型号为FYD128，它是一种具有4位/8位并行、2线/3线串行多种接口方式，内部含有国际一级、二级简体中文字库的点阵图形液晶显示模块；其显示分辨率为128×，内置8192个16×16点汉字和128个16×8点ASCH字符集。利用该模块灵活的接口方式和简单、方便的操作指令，可构成全中文人机交互图形界面。可以显示8×4行16×16点阵的汉字。也可完成图形显示，另外低电压低功耗是其又一显著特点。

显示电路如图3-11所示。

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图3-11 点阵LCD显示电路

3.8 语音电路设计

语音播报功能由集成语音芯片ISD1420来完成，手动将“0~9”、“毫安”、“点”、“设定值”等分别记录不同地址的13段中，在系统自动运行时，就可以根据需要来回放需要的段。

由ISD1420组成的语音电路如图3-12所示。

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图3-12 ISD1420组成的语音电路

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第四章 系统软件设计

4.1 软件结构设计

4.1.1 系统软件的结构

数控直流恒流源的软件结构如图4-1所示，包括顶层文件、键盘管理、D/A转换处理、语音管理、A/D转换处理、LCD显示管理6个部分。

图4-1 数控直流恒流源的软件结构

4.1.2 总体流程

数控直流恒流源的总体流程如图4-2所示。

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图 4-2

4.2 程序设计

见附录2

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第五章 总结

在设计制作数控直流恒流源系统的过程中，我深切体会到，实践是理论运用的最好检验，培养了自己综合运用所学知识和技能分析和解决本专业的技术问题，建立正确的设计思想和工程设计的一般程序和方法，以及培养研发的能力，进而对学生进行工程实践能力的综合训练，为学生走向社会参与工程技术活动打下良好的基础。

本次设计是对我们四年所学知识的一次综合性检测和考验，无论是动手能力还是理论知识运用能力都得到了提高，同时加深了我们对网络资源认识，大大提高了查阅资料的效率，使我们有充足的时间投入到电路设计当中。

本系统的研制主要应用到了电子技术、传感器与检测技术、自动控制系统、计算机控制技术、AVR单片机技术、C语言或汇编语言、电路CAD等知识和技能，所设计的基于单片机程序控制的压控恒流源，达到了题目要求。进一步熟悉了设计所需要具有计算机和单片计算机软硬件开发条件的环境。

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参考文献

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