1、 目 錄1 選題介紹111 指選題背景1 11.1 電流源簡介1 11.2 數(shù)控電流源的重要性1 11.3 數(shù)控電流源的可行性1 12 指導(dǎo)思想2 13 方案論證3 14 基本設(shè)計任務(wù)32 電路設(shè)計42.1 總體方框圖42.2 工作原理43 各主要電路及部件工作原理53.1 555單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)電路53.2 D/A轉(zhuǎn)換器63.3 恒流源電路73.4 譯碼器及顯示電路8 3.4.1總電路圖8 3.4.2 數(shù)碼管9 3.4.3 CD4511104 原理總圖135 元器件清單136 調(diào)試過程及測試數(shù)據(jù)136.1 測試儀器136.2.指標(biāo)測量137 小結(jié)148 設(shè)計體會及今后的改進(jìn)意見148.1 體會14

2、8.2 本方案特點(diǎn)及存在的問題158.3 改進(jìn)意見15附：參考文獻(xiàn)161 課題介紹 1.1 選題背景 1.1.1電流源簡介 所謂恒流源就是輸出電流極其穩(wěn)定不隨負(fù)載變化。為了保證電流不變，輸出電壓必須始終符合V=I*R。即負(fù)載需要多大電壓，恒流源就必須輸出多大電壓，“無條件”予以滿足。從外部看，就是R=。如果R，那么V。所以理想恒流源都不允許輸出開路。對于實(shí)際電路，當(dāng)R大到一定程度，電壓輸出能力就會不夠，輸出電流必然下降，不再恒定。在一般恒流電路中大多采用電流負(fù)反饋來恒定電流負(fù)反饋的作用就是“使之穩(wěn)定”。通過時刻“檢查”控制對象的狀態(tài)，并進(jìn)行調(diào)整。發(fā)現(xiàn)小了，就設(shè)法使之增大，發(fā)現(xiàn)大了，就設(shè)法使之減

3、小。形象地說，電流負(fù)反饋電路則是采樣輸出電流，計算誤差，據(jù)此調(diào)節(jié)自身狀態(tài)，使輸出電流穩(wěn)定，因而，輸出特性接近恒流源。衡量“接近”程度的指標(biāo)就是輸出電阻R遠(yuǎn)大于零。一般希望R。（只能接近，不可能完全達(dá)到）。 1.1.2數(shù)控電流源的必要性作為常用的電子儀器在學(xué)校和研發(fā)和檢測部門都有者相當(dāng)廣泛的應(yīng)用，特別在電路原理實(shí)驗(yàn)和電子元件老化測試中都離不開電流源。隨著電子技術(shù)的不斷進(jìn)步對電子儀器的要求不斷提高，電源作為電路的動力源泉更是扮演著越來越重要的角色，不論是學(xué)校實(shí)驗(yàn)室還是維修中心都離不開實(shí)驗(yàn)電源，然而傳統(tǒng)的電源不論是在控制精度還是輸出特性上都無法滿足要求。首先從精度上來看傳統(tǒng)電流源的調(diào)整大多采用旋轉(zhuǎn)電

4、位器的方式，在調(diào)整時電流值主要從電位器的刻度讀出，容易產(chǎn)生讀數(shù)誤差。從可操作性來看傳統(tǒng)電流原電位器上的刻度有限，不可能非常精細(xì)，僅僅靠電位器的幾個刻度對操作者的技巧要求比較高，同時誤差也比較大。傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)電源亟待改進(jìn)電源。1.1.3數(shù)控電流源的可行性 由于單片機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展和D/A，A/D元件的普及使得數(shù)控電源成為可能，數(shù)控電源不論是在控制精度還是在可操作性上都有傳統(tǒng)電源無法比擬的優(yōu)勢，由于單片機(jī)的平民化，使得數(shù)控電源與傳統(tǒng)電源的成本日益接近。另外，SMT技術(shù)也是飛速發(fā)展，使得數(shù)控電源體積和重量都大大減小，為其在特殊領(lǐng)域的應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。在現(xiàn)實(shí)生活中，人們經(jīng)常要用到電子器件，而電子器件要正常

5、工作，電源的作用是不可忽視的，電源性能的好壞，對電路、電子儀器和電子設(shè)備的使用壽命、使用性能等影響很大，尤其在帶感性負(fù)載的電路和設(shè)備中，對電源的性能要求更高。在做畢業(yè)設(shè)計時主要完成的任務(wù)是熟悉設(shè)計題目，查閱相關(guān)文獻(xiàn)和科技資料。熟悉題目過后完成系統(tǒng)的總體方案設(shè)計，其中包括方案論證與確定、技術(shù)可行性分析、技術(shù)經(jīng)濟(jì)性分析等內(nèi)容。在設(shè)計控制電路時先學(xué)習(xí)相關(guān)單片機(jī)，了解單片機(jī)的工作原理。再進(jìn)行整個系統(tǒng)的硬件設(shè)計和軟件設(shè)計，這其中的工作包括理論分析、設(shè)計計算、芯片及元器件選型等內(nèi)容。在完成以上工作時就進(jìn)行畫程序流程圖和程序的編寫。最后撰寫設(shè)計說明書，繪制電路硬件接線圖在現(xiàn)實(shí)生活中，人們經(jīng)常要用到電子器件，

6、而電子器件要正常工作，電源的作用是不可忽視的，電源性能的好壞，對電路、電子儀器和電子設(shè)備的使用壽命、使用性能等影響很大，尤其在帶感性負(fù)載的電路和設(shè)備中，對電源的性能要求更高。在做畢業(yè)設(shè)計時主要完成的任務(wù)是熟悉設(shè)計題目，查閱相關(guān)文獻(xiàn)和科技資料。熟悉題目過后完成系統(tǒng)的總體方案設(shè)計，其中包括方案論證與確定、技術(shù)可行性分析、技術(shù)經(jīng)濟(jì)性分析等內(nèi)容。在設(shè)計控制電路時先學(xué)習(xí)相關(guān)單片機(jī)，了解單片機(jī)的工作原理。再進(jìn)行整個系統(tǒng)的硬件設(shè)計和軟件設(shè)計，這其中的工作包括理論分析、設(shè)計計算、芯片及元器件選型等內(nèi)容。在完成以上工作時就進(jìn)行畫程序流程圖和程序的編寫。最后撰寫設(shè)計說明書，繪制電路硬件接線圖1.2指導(dǎo)思想本課題通

7、過努力設(shè)計出一款高精度的數(shù)控電流源，科學(xué)儀器和電子設(shè)備中經(jīng)常用到穩(wěn)定性好、精度高、輸出可預(yù)置的直流電流源。高性能的數(shù)控直流電流源步進(jìn)能夠提高科學(xué)儀器的穩(wěn)定性，本設(shè)計電流源能夠很好的降低因元器件老化、溫漂等原因造成的輸出誤差，輸出電流在20mA2000mA可調(diào)，輸出電流可預(yù)置、具有“+”、“-”步進(jìn)調(diào)整、輸出電流信號可直接顯示等功能。硬件電路以AT89C52單片機(jī)為控制核心器，構(gòu)成閉環(huán)控制電路，采用壓控電流方式實(shí)現(xiàn)穩(wěn)流輸出，步進(jìn)為10mA，通過D/A控制壓控電流步進(jìn)，A/D采樣電壓值，軟件算出電流的測量值。系統(tǒng)主要由鍵盤輸入，控制處理、壓控電流輸出、液晶顯示等功能模塊組成。13方案論證方案一：采

8、用以89C52為核心的單片機(jī)系統(tǒng)來控制D/A的數(shù)據(jù)的輸入并將其轉(zhuǎn)換成模擬量輸出同時單片機(jī)把輸入的預(yù)值電流送數(shù)碼管顯示，再改變輸出的電壓量來控制電流的變化，此方案的優(yōu)點(diǎn)是成本低，電路簡單，可升級性強(qiáng)，缺點(diǎn)是涉及到軟件方面，難度較高。方框圖如圖所示。 方案一方框圖 方案二：采用集成器件，通過按鍵產(chǎn)生脈沖信號，計數(shù)器（74LS192）的二進(jìn)制數(shù)字輸出分兩路運(yùn)行：一路用于驅(qū)動數(shù)顯電路，指示電源輸出電流的大小值，LED輸出（0、1、2、3、4、5、6、7）七個數(shù)字；另一路進(jìn)入/轉(zhuǎn)換電路，/轉(zhuǎn)換器（DAC0832）將數(shù)字量按比例轉(zhuǎn)換成模擬電流，再經(jīng)過(NE5532)，一個運(yùn)放、三極管組成的恒流源部分，使其

9、輸出（0、100、200、300、400、500、600、700,800,900）mA八個檔位的電流。優(yōu)點(diǎn)為原理簡單易懂。綜上，故采用方案二。1.4 基本設(shè)計任務(wù)（1） 電流源設(shè)有“電流增”（UP）和“電流減”（DOWN）兩個鍵，按UP時輸出電流步進(jìn)增加，按DOWN時輸出電流步進(jìn)減小。 （2） 電流設(shè)置范圍為100mA800mA ，設(shè)置分辨率為100mA； （3） （3）輸出電流誤差1%； (4) 當(dāng)電子負(fù)載兩端電壓變化10V時，輸出電流的絕對誤差小于變化前電流值的10。2 電路設(shè)計 2.1 總體方框圖比例運(yùn)算D/A轉(zhuǎn)換器 恒流源電路采樣按鍵 計數(shù)器 譯碼電路 負(fù)載 顯示電路 2.2工作原理給

10、系統(tǒng)提供經(jīng)蒸餾得到的5V的直流電壓，計數(shù)器工作在技術(shù)狀態(tài)，沒按一次見，給計數(shù)器家一個脈沖，。計數(shù)器得到二進(jìn)制數(shù)，再進(jìn)過譯碼器輸出七路二進(jìn)制數(shù)，驅(qū)動LED數(shù)碼管顯示，在一路計數(shù)器輸出的二進(jìn)制數(shù)經(jīng)DA轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成模擬的電流量，在經(jīng)過云芳和電流源部分得到理想的結(jié)果。按8次鍵議息顯示0.1，2.3，4，5，6，7，8，9相應(yīng)會得到電流8個值、3 各主要電路及部件工作原理 3.1 計數(shù)器74LS192是同步十進(jìn)制可逆計數(shù)器，它具有雙時鐘輸入，并具有清除和置數(shù)等功能，其引腳排列及邏輯符號如下所示： （a）引腳排列 (b) 邏輯符號 74LS192的引腳排列及邏輯符號 圖中：為置數(shù)端，為加計數(shù)端，為減計數(shù)端

11、，為非同步進(jìn)位輸出端， 為非同步借位輸出端，P0、P1、P2、P3為計數(shù)器輸入端，為清除端，Q0、Q1、Q2、為數(shù)據(jù)輸出端。其功能表如下： 輸入 輸出MRP3P2P1P0Q3Q2Q1Q01000000 dcbadcba011加計數(shù)011 減計數(shù)表5-2 74LS192的功能表3.2 D/A轉(zhuǎn)換器DAC0832是一個8位D/A轉(zhuǎn)換器芯片，單電源供電，從+5V+15V均可正常工作，基準(zhǔn)電壓的范圍為10V，電流建立時間為1s，CMOS工藝，低功耗20mA。其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖3.8所示，它由1個8位輸入寄存器、1個8位DAC寄存器和1個8位D/A轉(zhuǎn)換器組成和引腳排列如圖所示。 圖3.8 0832內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖

12、 圖3.9 DAC0832管腳圖該D/A轉(zhuǎn)換器為20引腳雙列直插式封裝，各引腳含義如下：(1)D7D0轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)輸入。(2)CS片選信號（輸入），低電平有效。(3)ILE數(shù)據(jù)鎖存允許信號（輸入），高電平有效。(4)WR1第一信號（輸入），低電平有效。該信號與ILE 信號共同控制輸入寄存器是數(shù)據(jù)直通方式還是數(shù)據(jù)鎖存方式：當(dāng)ILE=1和XFER=0時，為輸入寄存器直通方式；當(dāng)ILE=1和WR1 =1時，為輸入寄存器鎖存方式。(5) WR2 第2寫信號(輸入),低電平有效.該信號與信號合在一起控制DAC寄存器是數(shù)據(jù)直通方式還是數(shù)據(jù)鎖存方式:當(dāng) WR2=0和XFER=0時,為DAC寄存器直通方式; 當(dāng)W

13、R2=1和XFER=0時,為DAC寄存器鎖存方式。 (6)XFER數(shù)據(jù)傳送控制信號(輸入),低電平有效 。 (7)Iout2電流輸出“1”。當(dāng)數(shù)據(jù)為全“1”時，輸出電流最大；為全“0”時輸出電流最小。(8)Iout2電流輸出“2”。 DAC轉(zhuǎn)換器的特性之一是：Iout1 +Iout2=常數(shù)。(9)Rfb反饋電阻端 即運(yùn)算放大器的反饋電阻端，電阻（15K）已固化在芯片中。因?yàn)镈AC0832是電流輸出型D/A轉(zhuǎn)換器，為得到電壓的轉(zhuǎn)換輸出，使用時需在兩個電流輸出端接運(yùn)算放大器，Rfb 即為運(yùn)算放大器的反饋電阻，運(yùn)算放大器的接法如圖9.3所示。(10)Vref基準(zhǔn)電壓，是外加高精度電壓源，與芯片內(nèi)的電

14、 阻網(wǎng)絡(luò)相連接，該電壓可正可負(fù)，范圍為-10V+10V.(11)DGND數(shù)字地(12)AGND模擬地DAC0832利用WR1 、 WR2 、ILE、XFER 控制信號可以構(gòu)成三種不同的工作方式。1) 直通方式 WR1= WR2 =0時，數(shù)據(jù)可以從輸入端經(jīng)兩個寄存器直接進(jìn)入D/A轉(zhuǎn)換器。2)單緩沖方式 兩個寄存器之一始終處于直通，即WR1=0或WR2=0，另一個寄存器處于受控狀態(tài)。3)雙緩沖方式 兩個寄存器均處于受控狀態(tài)。這種工作方式適合于多模擬信號同時輸出的應(yīng)用場合。 3.3 恒流源電路 恒流源電路圖 本次恒流源由運(yùn)放，電阻，以及0805，tip41l倆種類型的三極管組成。運(yùn)放OP07的同相輸

15、入端從DAC得到基準(zhǔn)電壓信號，由于它工作在閉環(huán)狀態(tài)，通過負(fù)反饋使三極管Q1的發(fā)射極電壓精確固定在與基準(zhǔn)電壓相同，因而三極管的發(fā)射極電流就被固定，從而集電極電流（IcIe）也就被控制在恒定狀態(tài)。當(dāng)Ie由于任何原因（例如RL阻抗減小、Vcc升高等）趨于增大時，三極管發(fā)射極電位會升高，這時連接到三極管發(fā)射極的運(yùn)放反相輸入端電位也同樣升高，使運(yùn)放輸出電壓降低，而這樣一來就會使三極管的基極電壓降低，使三極管趨于截止，這就抑制了Ie的增大，穩(wěn)定了輸出電流。 當(dāng)Ie由于任何原因（例如RL阻抗增大、Vcc降低等）趨于減小時，三極管發(fā)射極電位會降低，這時連接到三極管發(fā)射極的運(yùn)放反相輸入端電位也同樣降低，使運(yùn)放輸

16、出電壓升高，而這樣一來就會使三極管的基極電壓升高，使三極管趨于更加導(dǎo)通的狀態(tài)，這就抑制了Ie的減小，穩(wěn)定了輸出電流。3.4 譯碼器及顯示電路 3.4.1 電路圖3.4.2數(shù)碼管 本次課設(shè)采用的是共陰數(shù)碼管 a.七段發(fā)光二極管LED數(shù)碼管 LED數(shù)碼管是目前最常用的數(shù)字顯示器下圖為共陰管的電路為兩種不同出線形式的引出腳功能圖。 一個LED數(shù)碼管可用來顯示一位0-9十進(jìn)制和一個小數(shù)點(diǎn)。小型數(shù)碼管0.5寸和0.36寸每段發(fā)光二極管的正向壓降隨顯示光通常為紅、綠、黃、橙色的顏色不同略有差別通常約為2-2.5V每個發(fā)光二極管的點(diǎn)亮電流在5-10mA。LED數(shù)碼管要顯示BCD碼所表示的十進(jìn)制數(shù)字就需要一個

17、專門的譯碼器該譯碼器不但要完成譯碼功能還要有相當(dāng)?shù)尿?qū)動能力。 LED數(shù)碼管 3.4.3 CD4511 本電路采用CCD511碼鎖存七段譯碼驅(qū)動器。驅(qū)動共陰極LED數(shù)碼管。 顯示譯碼器CD4511 CD4511是一個用于驅(qū)動共陰極 LED （數(shù)碼管）顯示器的 BCD 碼七段碼譯碼器，特點(diǎn)如下：具有BCD轉(zhuǎn)換、消隱和鎖存控制、七段譯碼及驅(qū)動功能的CMOS電路能提供較大的拉電流?？芍苯域?qū)動LED顯示器。 CD4511引腳圖 其功能介紹如下 BI：4腳是消隱輸入控制端，當(dāng)BI=0 時，不管其它輸入端狀態(tài)如何，七段數(shù)碼管均處于熄滅（消隱）狀態(tài)，不顯示數(shù)字。 LT：3腳是測試輸入端，當(dāng)BI=1，LT=0

18、時，譯碼輸出全為1，不管輸入 DCBA 狀態(tài)如何，七段均發(fā)亮，顯示“8”。它主要用來檢測數(shù)碼管是否損壞。LE：鎖定控制端，當(dāng)LE=0時，允許譯碼輸出。 LE=1時譯碼器是鎖定保持狀態(tài)，譯碼器輸出被保持在LE=0時的數(shù)值。A1、A2、A3、A4、為8421BCD碼輸入端。a、b、c、d、e、f、g：為譯碼輸出端，輸出為高電平1有效。 CD4511的內(nèi)部有上拉電阻，在輸入端與數(shù)碼管筆段端接上限流電阻就可工作。 CD4511具有鎖存、譯碼、消隱功能，通常以反相器作輸出級，通常用以驅(qū)動LED。其引腳圖如所示。 各引腳的名稱：7、1、2、6分別表示A、B、C、D；5、4、3分別表示LE、BI、LT；13

19、、12、11、10、9、15、14分別表示 a、b、c、d、e、f、g。左邊的引腳表示輸入右邊表示輸出，兩個引腳8、16分別表示的是VDD、VSS。 4原理總圖5 元器件清單 74LS192CD4511,DAC0832,NE5532,0805,TIP41,共陰數(shù)碼管，電阻若干，電容若干，按鍵。6 調(diào)試過程及測試數(shù)據(jù)6.1測試儀器雙蹤示波器，數(shù)字示波器，萬用表 6.2指標(biāo)測試輸出電流范圍：100mA-900mA可以通過按鍵設(shè)置電流值，并且實(shí)際輸出值與給定值之間的偏差=給1%+10mA。具有“+”“-”步進(jìn)調(diào)整功能，步進(jìn)電流10mA。本設(shè)計要求輸出電流范圍為100mA1000mA，根據(jù)圖恒流源模塊

20、可知，將模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量送給模數(shù)轉(zhuǎn)換電路；然后輸出模擬量。下面列出部分電流值及其對應(yīng)的理論和實(shí)際的數(shù)字量如表所示表5.1 預(yù)值測量值電流值 （mA）實(shí)際值（mA）偏差（mA）顯示值（mA）偏差（mA）100102210002001973200030028812300040037921400050047525500060058614600070072121700080079648000900884169000注：數(shù)字萬用表的型號為VC9801A+7 小結(jié) 在參考傳統(tǒng)電流源以及普通數(shù)控電流源的基礎(chǔ)上，在充分考慮性價比的同時極大的提高了數(shù)控電流源的準(zhǔn)確性，在采用軟件修正以后在使用普通元件的情況下電流源的性能也達(dá)到了比較高的水平，同時高分辨率的參考電壓源也為系統(tǒng)的進(jìn)一步擴(kuò)展提供了一個良好的硬件平臺。但是也應(yīng)為采用軟件修正的緣故，該設(shè)計在軟件編寫的時候需要測量大量的數(shù)據(jù)，給批量生產(chǎn)帶來了一定的不便，在今后的設(shè)計中將考慮設(shè)計該款電流源的數(shù)據(jù)自動生成系統(tǒng)，以利于批量生產(chǎn)同時在條件允許的情況下，加入溫度探頭在不同的溫度下采用不同的修正方案使得該系統(tǒng)的熱穩(wěn)定性將進(jìn)一步提高。8 設(shè)計體會及今后的改進(jìn)意見8.1 體會在本次設(shè)計數(shù)控電流源的這個過程中，我再次體會到理論運(yùn)用與實(shí)踐的重要性，也意識到實(shí)踐是理論的最好經(jīng)驗(yàn)。本次課題設(shè)計涵蓋了模擬電子電