數(shù)控直流電流源

一、設計方案工作原理

1、預期實現(xiàn)目標及系統(tǒng)工作原理

本題要求設計并制作一臺數(shù)控直流電流源。輸出電流可通過按鍵進行設定，利用A/D轉(zhuǎn)換器采集輸出電流與負載電壓，通過顯示器顯示設定電流值、實際電流值、實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，所以進行多種方案的比較。

方案1：使用TPS5430開關電源芯片構(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：電路結(jié)構(gòu)簡單，自帶閉環(huán)控制，電路效率高達90%左右；

缺點：其輸出電壓最小為1.221V，電源紋波較大。

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

優(yōu)點：所構(gòu)成的電流源屬于線性電源，輸出紋波低；

缺點：電路效率低。

綜合考慮，因題目并沒有對電源效率做要求，故最終采用方案2，利用三極管、運算放大器等分立器件構(gòu)成一個可調(diào)穩(wěn)壓電源，由于單獨的一只三極管對功率的放大作用有限，所以使用2只NPN三極管構(gòu)成NPN型達林頓管。利用單片機對D/A轉(zhuǎn)換器進行控制，D/A轉(zhuǎn)換器的信號進過放大后加至達林頓管基極，經(jīng)過測試，滿足系統(tǒng)的設計要求。

（2）輔助電源的論證與選擇

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

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

優(yōu)點：輸出紋波低，電源質(zhì)量高；

缺點：電路效率低。

方案2：采用開關電源芯片構(gòu)成穩(wěn)壓電源，作為輔助電源。

優(yōu)點：電路效率高，重量輕；

缺點：電源紋波與噪聲較大，對系統(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。通過實驗，滿足系統(tǒng)設計要求。

（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，對系統(tǒng)進行控制及運算處理。

優(yōu)點：功耗低；

缺點：MSP430屬于16位單片機，運算速度較慢。

方案2：采用STM32F103作為主控芯片，對系統(tǒng)進行控制及運算處理。

優(yōu)點：運算速度快，內(nèi)部外設豐富；

缺點： 功耗較大。

綜合考慮，最終選用方案2，因為題目并沒有對功耗做要求，所以使用已有芯片，控制較好，滿足系統(tǒng)設計要求。

（3）電流檢測論證與選擇

由于本電路需要精準的電流控制，因此精準的電流檢測是必不可少的。

方案1：康銅絲作為檢流器件，使用TI的電流檢測器IN28X進行放大，再加入電壓跟隨器。

優(yōu)點：電路簡單，檢測精度高；

缺點：對檢流電阻、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行采樣，使用OP177進行采樣信號放大，將放大后的信號送入A/D轉(zhuǎn)換器。

優(yōu)點：成本低，檢測精度高；

缺點：對檢流電阻精度要求高，電路相對復雜。

綜合考慮，最終選用方案2，通過實驗，滿足系統(tǒng)設計要求。

（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：參考源可精確設定，轉(zhuǎn)換精度高；

缺點：成本高，外加了電路模塊。

方案2：使用單片機內(nèi)部的A/D、D/A。

優(yōu)點：不需要外加設備，控制精度較高；

缺點：無法設定精準的基準源。

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，通過實驗，滿足系統(tǒng)設計要求。

二、核心部件電路設計

1、關鍵器件性能分析

（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)成達林頓管，D1047功率可達100W。

（4）D/A轉(zhuǎn)換器：D/A轉(zhuǎn)換器在本系統(tǒng)當中非常重要，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)絡主要是對輸入電源的電磁噪聲及雜波信號進行抑制，防止對電源干擾，同時也防止電源本身產(chǎn)生的高頻雜波對電網(wǎng)干擾。當電源開啟瞬間，要對后級濾波電容充電，由于瞬間電流大，加RT1（熱敏電阻）就能有效的防止浪涌電流。因瞬時能量全消耗在RT1電阻上，一定時間后溫度升高后RT1阻值減?。≧T1是負溫系數(shù)元件），這時它消耗的能量非常小，后級電路可正常工作。

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3300μF的電容構(gòu)成低頻濾波，同時降低了ESR值，采用一個100pF的電容做高頻濾波；電源變換模塊由D882與D1047構(gòu)成達林頓做調(diào)整管，TL082構(gòu)成硬件反饋回路，實現(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）信號調(diào)理電路

信號調(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，這個信號不足以完全控制調(diào)整管，將信號進行2倍放大即可。

圖（7）信號調(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)軟件設計

1、程序功能描述

本系統(tǒng)使用STM32F103C8T6作為主控芯片，對硬件電路的相關參數(shù)進行測量，接收A/D送入的信號并進行處理，實現(xiàn)電流、電壓的檢測，通過TFT液晶顯示器顯示電流、電壓及相關參數(shù)的顯示；通過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、整體實物圖