基于单片机的数控恒流源设计

基于单片机的数控恒流源设计内容摘要：

个 模 块 工作，并 进 行 简单 的 数毕业设计（论文） 6 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AT89S52。 此 单 片机的 运 算能力 强 ， 软 件 编 程 灵 活，自由度大，能 够实现对 外 围电 路的智能控制。 供电电 源 通常有 俩 中方案 方案一：采用 线 性恒流 电 路， 该 方案具有噪 声干 扰小， 电 路 简单 ，工作 稳 定的特 点 ，但是由于功率器件工作于 线 性 状态 功率 损 耗大 ，发热较 大，在 满 足 设计 要 求时 在极限下功率管的消耗功率接近 20W。 方案二：采用 开关 恒流方式 进 行 电 流控制，由于功率管只工作于 打开 或者 关闭状态 ，功率管 损 耗 较 低。 发热 量很小，但 是由于 开关 管 对强电 流 进 行 开关 操作，干扰大大高于线 性恒流源。 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LM25765 来实现为单 片机系 统 的 供 电。 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 成的恒流源主要是利用了 运 算放大器 两个 基本特性： 虚 短和 虚断 ，其典型原 理图 如 图 所示。 图 运 算放大器 组 成的恒流源典型原 理图 毕业设计（论文） 7 （ 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。 图 三极管 组 成的 镜 像 电 流源典 型电 路 （ 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 所示。 图 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，采用 运算放大器 OP07，加 达 林 顿 管采用 TIP127， TIP122。 同 时 利用 D/A 转换 器 TLV5638 作为电压输 入控制。 D/A 和 A/D 转换 器的 选 取 数模转换 和模 数转换 一般有串口和并口。 如并口芯片 ADC0809 和 DAC0832,但并口芯片所占的端口 资 源 较 多， 对 埠的利用率低，其优 点 是 转换 速度快。 串口芯片由于接口简单 ，控制方便，系 统稳 定性好， 得到 广泛 的 应 用。 D/A 转换 芯片 DAC0832：典型的 D/A 转换 芯片 DAC0832，是采用 CMOS 工艺制 造的 8 位 单 片 D/A 转换 器。 8 位 D/A，分辨率 为 1/256，不能 够满 足本 设计 的要求。 A/D 转换 芯片： ADC0809 是采 样频 率 为 8 位的、以逐次逼近原理 进 行模 —数转换 的器件。 其 内 部有一 个 8 通道多路 开关， 它可以根据地址 码锁 存 译码后的 信 号 ，毕业设计（论文） 8 只 选 通 8 个单断 模 拟输 入信 号 中的一 个进 行 A/D 转换。 由于本 设计 只有 输 出 电 流的采集， 8 路 输 入通道，但不能 够满 足本系 统 的 设计 精度要求。 本文采用 TLV5638 和 AD977A 都是采用串 口的 ADC 和 DAC 芯片，在 设计 中利用上 两 种芯片 不仅节约单 片机端口 资 源，而且分辨率 较 高，能 满 足 设计 要求。 所以本系 统采 用。 下面 详细 的介 绍 下 TLV5638 和 AD977A 串口芯片。 D/A 转换 芯片 TLV5638： TLV5638 是 TI 公司的 12 位 D/A 转换 器，具 有两个输 出信道， 数 据 传输 接 口为 3 线 的串行接口， 该 接口能 够 与常用的微控制器或者微 处 理器直接相 连。 每次 传输数 据由 16 位的 数 据 组成一帧 ，其中 4 位控制命令字， 12 位 输 出 数 据。 TLV5638 输 出 经过两个缓冲 器， DAC 的可 编 程建立 时间 使得 设计 人 员 能 够 优化速度与功耗分配 的关 系。 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，完全能 够满 足本 设计 的要求。 12345678D I NS C L K/ C SO U T AA G N DR E FO U T BV D D 图 tlv5638 引 脚 配 置图 （ 1） DIN：串 行数 据 输 入 （ 2） SCLK：串行接 口时钟输 入 （ 3） /CS：片 选 信 号输 入，低 电平 效 （ 4） OUTA： A 信道模 拟电压输 出 （ 5） AGND：模 拟 地 （ 6） REF：模 拟电压参考输 入 /输 出 （ 7） OUTB： B 信道模 拟电压输 出 （ 8） VDD： 供电电 源（ ～ ） A/D 转换 芯片 AD977A： AD977A 是一款逐次逼近型 A/D 转换 器， AD977A 具有以下主要特 点 ： 单电 源 5V供电； 最高采 样 速率 为 200Ks/s； 内 部 参数电 源可 选 ；高速串 行数 据接口； 内 部 时钟 可 选 ；低功耗，最大功率 100MW，省 电 模式下 50Uw ；熟人 电压 范 围 ： 单 极性 0~4V， 0~5V 和 0~10V； 双 极性 ~+， 5~+5V 和 10~+10V；采用 20 针 DIP 或者 SOIC 封 装。 AD977A 内 部功 能 框图 如 图 下； 毕业设计（论文） 9 C A PR 1 I NR 2 I NR 3 I NA G N D 2V D I GR E F4 K2 . 5 V参 考 电 压V A N A4 R4 R2 RRR = 2 . 5 KD G N DP W R DR / CC S T A GS B / B T CE X T / I N TS Y N CB U S YD A T A C L KD A T A串 行数 据接 口A D 9 7 7 AA G N D 1时 钟控 制 逻 辑 amp。 内 部校 准 电 路开 关C A P A / D转 换 AD977A 的控制引 脚 的功能描述如下： （ 1） R1IN、 R2IN、 R3IN 为 模 拟 信 号输 入端； （ 2） AGND AGND2 为 模 拟 地； （ 3） DGND 为数 字地： （ 4） CAP 为缓冲输 出 参考 端； （ 5） REF 为基 准 电压； （ 6） SB／ BTC 用于 选择输 出 数 据格式，高 电平为 二 进 制 代码 ，低 电平为 二 进 制 补码 ； （ 7） EXT／ INT 用于 选择 DATACLK 时钟 模式，高 电平选择 外部 时钟 ，低 电平选择内 部 时钟 ； （ 8） SYNC 是外部 时钟 模式下 帧 同步信 号输 出： DATACLK 为串行数 据 时钟 端； （ 9） DATA 用于 输 出 转换结 果； （ 10） TAG 为级联输 入端； （ 11） R/C 用于 读 取／ 转换 控制信 号 ，低 电平时启动 A／ D 转换 ，高 电平时读 取A／ D 转换结 果； （ 12） CS 是片 选 信 号 ； （ 13） BUSY 是工作 状态输 出， 当 AD977A 进 行模 数转换时为 低 电平 ， 转换结 束后恢复高 电平； （ 14） PWRD 为 低 电平输 入端； （ 15） VANA 为 模 拟电压输 出端； （ 16） VDIC 为数 字 电压输 出端； 输 出 电 流 检测 产 生 电 流可以采用在 电阻两 端加 电压 的方法 ，测 量 电 流一般采用的方法 是 测 量 电 流毕业设计（论文） 10 流 经电阻两 端的 电压进 行 间 接 计 算得到的。 因此在 产 生 电 流或者 测 量 电 流值 时 ，取 样电阻 的 选择 非常重要。 方案一：采用普通 电阻。 在 电 流比 较 小的情 况 下，普通的 1/4W 或者 1/8W 的 电阻 可以被用作 电 流 测 量，但是 本题 需要 测 量的是 电 流源的 输 出 电 流，最大需要 达 到 2A。 因此即使是比 较 小的 电阻 ，如 1Ω 电阻 ，通 过 2A 电 流 时 功率也已 经达 到 4W，大大超 过普 通 电阻 的 额 定功率， 电阻将 被 烧断。 因此在本系 统 中 ，测 量 电 流的取 样电阻 不能使用普通 电阻。 方案二：采用大功率 电阻。 为 了 满 足流 过 大 电 流的要求，可以采用大功率 电阻 ，如 1Ω/10W 的 电阻 ，通 过 2A电 流 时 一定不 会被烧断。 但是此 时 流 过 的大 电 流 将会 使 电阻 大量 发热 ， 导 致 电阻温 度急剧 上升。 一般的大功率 电阻 在 温 度很高 时 ， 将产 生比 较严 重的阻值 温 度漂移。 在 产 生 电流的情 况 下，由于 电压 值与 实际 的 电 流值并非一一 对应 ， 将产生错误的电 流；在 测 量 电流的情 况 下 ，测 量 电 流也 会随着 阻值的 温 度漂移而 产 生 严 重的 变 化， 将产 生很大 的测 量误 差。 因此用于 这 些情 况 下的取 样电阻 也不能使用 温 度漂移 严 重的普通大功率 电阻。 方案三：采用康 锰铜电阻丝。 康 锰铜电阻丝 是 电 流 测 量中很常用取 样电阻 ，其特 点 在于 温 度漂移量非常 小。 经过测试 ，在 1Ω 的康 锰铜电阻丝上通过约 2A 电 流，由于 产 生的 热 量引起的升 温 ，只 会 引起 左右的阻值 变 化， 对电 流的 稳 定起了很重要的作用。 另一方面， 1Ω 的康 锰铜电阻丝约长 1m，由于和外界接触面 积 大，即使通 过 大 电 流也能很快的散 热 ， 进 一步的减 小 温 度漂移 带来 的影 响。 在本 数 控直流恒流源系 统 中， 鉴 于上面分析，本 设计 采用方案三。 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。 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 够独 立的完成 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 ZLG7289 键盘扫 描控制集成芯片。 毕业设计（论文） 11 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。