华中科技大学
硕士学位论文
高精度数控恒流技术研究姓名：段士龙
申请学位级别：硕士专业：通信与信息系统指导教师：刘玉
20090523
摘要
现代工业领域大量应用恒流电源。传统的恒流电源采用线性调节和模拟控制方式，具有转换效率低下、抗干扰能力弱、控制精度低、电路复杂、可靠性较低、功能单一，无法提供智能化人机界面等缺点。本文以一种高精度数控恒流源为研究对象，探讨一种开关模式的、全数字化控制的恒流电源结构，该结构与传统恒流电源相比，具有转换效率高、抗干扰能力强、控制精度高、电路简洁、可靠性高的优点，特别是具有智能化的人机界面，可以满足现代工业复杂控制的需要。
本文首先对传统恒流电源的各种结构和控制方式进行了归纳和分析，对比这些方式的优点和缺点，提出一种开关模式、全数字化控制的恒流电源的结构，分析了这种结构的优点，并介绍了该种恒流电源的研究现状。
然后，本文对数控恒流电源的原理进行了细致探讨，特别是分析了在全数字控制方式下数字调制PWM、模数转换器、控制方式以及数字控制器的设计对系统性能的影响，并指出提高系统性能的关键是在硬件上采用高分辨率高频率的数字PWM，高分辨率ADC，在软件上对ADC的精度进行矫正，采用直接数字设计法对数字控制器进行设计和优化。
在理论指导下，详细设计了一台BUCK型拓扑结构、以高速数字信号处理器为控制器的恒流电源。文章对该电源的主体硬件电路各参数进行了计算，对系统进行了精确的建模，利用MATLAB工具对系统进行了仿真，并且采用直接设计法对数字控制器进行了详细设计和优化。
最后，设计了系统的软件部分，制作了一台样机，并对样机进行了测试。测试结果表明，开关模式的、全数字化控制的恒流电源方案可行，且性能优异。
关键词：恒流源开关电源全数字化控制数字控制器直接设计法
Abstract
Nowadays, constant current power supply is extensive used in modern industrial area. The traditional constant current power supply using a linear regulator with analog control method structure has many disadvantages of low conversion efficiency, weak anti-interference ability, low control accuracy, circuit complexity, low reliability, single function; especially it can not provide an intelligent human-machine interface. In this paper, a high-precision digital control current source is studied to explore the structure of a switch-mode, all-digital-controlled constant-current power supply. The constant-current power supply with this structure, compared to the traditional one, has high conversion efficiency, strong anti-interfere ability, high precision, simple circuit, high reliability and the advantages, especially with intelligent human-machine interface to meet the complexity of modern industrial control needs.
First, a variety of traditional constant-current power supply’s structure and control methods were discussed, comparing there strengths and weaknesses. A switch-mode, full digital controlled constant current power structure is introduced, then it analyses this structure advantages and the study of constant-current power supply status.
Next, it studied the principle of digital control constant current source, especially the analysis of digital control in the digital PWM, ADC, control and design of digital controller of the impact on system performance, pointed out things needed to pay attention to in practice.
Under the theory, a detailed design of a BUCK topology, high-speed digital signal processor controlled constant-current power supply controller was given. It calculated the parameters of main part hardware, accurately modeled the system, and simulated it with MATLAB, given the detailed design and optimization of digital controller with direct design method.
Finally, it designed the software of the system, implemented a sample, and tested it. The test results show that the switch-mode, full digital control of the constant current power supply is feasible with excellent performance.
Keyword: Current Source, Switching Power Supply, Digital control, Digital Controller, Direct Design Method
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图目录
图 1-1 基本恒流源原理..............................................................................................................................- 2 -图 1-2 串联线性调节方式恒流源..............................................................................................................- 3 -图 1-3 并联线性调节方式恒流源..............................................................................................................- 4 -图 1-4 开关调节方式恒流源......................................................................................................................- 5 -图 1-5 单环控制方式的控制系统示意图..................................................................................................- 6 -图 1-6 双环控制恒流源结构......................................................................................................................- 6 -图 1-7 内环采用可控恒流源的双环控制系统..........................................................................................- 7 -图 1-8 内环采用可控恒压源的双环控制系统..........................................................................................- 7 -图 1-9 一个模数混合控制式恒流源电路..................................................................................................- 8 -图 1-10 全数字控制式恒流源....................................................................................................................- 9 -图 2-1 全数字控制恒流源工作原理........................................................................................................- 12 -图 2-2 数字调制PWM原理（连续加模式）.........................................................................................- 13 -图 2-3 电感电流波形................................................................................................................................- 13 -图 2-4 开关变换器的基本结构................................................................................................................- 15 -图 2-5 典型二阶系统的伯德图................................................................................................................- 16 -图 2-6 增加延时后的二阶系统的伯德图................................................................................................- 17 -图 2-7 理想ADC和实际ADC的增益曲线...........................................................................................- 19 -图 2-8 AD校正原理..................................................................................................................................- 19 -图 2-9 数字控制恒流系统环路采样原理................................................................................................- 20 -图 2-10 连续增减模式下系统环路电流采样原理..................................................................................- 22 -图 2-11 带反馈的单环系统......................................................................................................................- 23 -图 2-12 氪灯伏安特性曲线......................................................................................................................- 25 -图 2-13 DSP数字激光电源系统框图.......................................................................................................- 26 -图 3-1 斩波式开关型激光电源拓扑........................................................................................................- 27 -图 3-2 BUCK型开关电源结构.................................................................................................................- 28 -图 3-3 驱动波形及输出电压波形............................................................................................................- 29 -图 3-4 电感电流连续模式下工作电流波形............................................................................................- 30 -图 3-5 三种工作方式下电感电流的波形................................................................................................- 31 -图 3-6 全桥整流电路................................................................................................................................- 32 -图 3-7 SKM 100GB124D的内部封装......................................................................................................- 34 -图 3-8 控制电路........................................................................................................................................- 37 -图 3-9电流反馈采样电路.........................................................................................................................- 38 -图 3-10 IGBT驱动电路.............................................................................................................................- 40 -图 4-1 数控恒流源闭环控制系统结构图................................................................................................- 41 -图 4-2 BUCK拓扑开关电源结构.............................................................................................................- 42 -图 4-3 主功率回路伯德图........................................................................................................................- 42 -图 4-4 改进的主功率回路模型................................................................................................................- 43 -图 4-5 改进的主回路模型传递函数的伯德图........................................................................................- 44 -图 4-6 系统闭环控制示意图....................................................................................................................- 44 -图 4-7 连续增模式下数字PWM产生方式.............................................................................................- 45 -图 4-8 对主功率回路离散化....................................................................................................................- 46 -图 4-9 主功率回路离散化后传递函数的伯德图....................................................................................- 47 -图 4-10 系统开环伯德图..........................................................................................................................- 48 -图 4-11 系统闭环伯德图..........................................................................................................................- 48 -图 4-12 连续增/减模式下数字PWM的产生方式..................................................................................- 49 -图 4-13 系统开环伯德图..........................................................................................................................- 50 -图 4-14 系统闭环伯德图..........................................................................................................................- 50 -
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图 5-1 数字环路控制程序的执行时序....................................................................................................- 52 -图 5-2 主程序流程图................................................................................................................................- 54 -图 5-3 上位机程序界面............................................................................................................................- 55 -图 6-1 样机前面板....................................................................................................................................- 56 -图 6-2 样机内部........................................................................................................................................- 56 -图 6-3 上升时间测试图............................................................................................................................- 58 -
表目录
表 6-1 电流纹波测试表............................................................................................................................- 57 -表 6-2 控制精度测试表............................................................................................................................- 58 -表 6-3 电网调整率测试表........................................................................................................................- 59 -表 6-4 负载调整率测试表........................................................................................................................- 59 -
独创性声明
本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。
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日期：年月日
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不保密5。
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学位论文作者签名：指导教师签名：
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1绪论
1.1研究背景及意义
恒流源，顾名思义，就是能够为负载提供恒定电流的电源。恒流源的应用非常广泛，并且与恒压电源一样，在许多场合是不可或缺的。比如，新一代的照明元件白光LED需要恒流电源以控制光亮度，防止过流损坏；许多二次电池的充电需要用恒流电源来提高充电效率；电气触点微电阻测量需要恒流源；电镀行业也需要可调节恒流源来控制电镀过程；许多大型继电器、电磁阀等需要用恒流电源来控制；激光行业的激光器，由于其动态内阻非常小，更是需要恒流电源来驱动。
传统的恒流电源，基本都是模拟的控制方式，效率低、功能单一，即使一些号称数控的恒流电源，也仅仅是对于控制系统的电流参考量进行了离散化，提供一个数字化的人机界面而已。绝大部分所谓数控恒流源，其功率部分仍然是线性控制的方式，效率非常低下。尽管为了提高效率也有少数开关模式的数控电源，但这些数控恒流电源的数字部分要么根本没有参与环路控制，数字化控制的优势尚未充分发挥，要么受到开关模式电源特性的限制，性能指标较差，不能满足较高要求。
在这种背景下，本文将致力研究一种开关模式的、真正完全数字化控制的高精度可调节恒流电源。与线性电源相比，开关模式的电源具有非常大的优势，比如其效率高、成本低等。特别是，采用数控方式后，电源的控制将更加简洁，更加灵活，更加可靠。而且，尽管近年微处理器的速度不断提高，价格不断下降，数字控制方式的成本已经不是问题。未来高精度的、数控的开关模式恒流电源必以其优势逐渐代替传统模拟方式控制的电源，为我国工业现代化的发展出一份力。
尽管数控开关模式的电源与模拟控制方式的线性电源相比具有极大的优势，但是完全数字化控制的方式与传统的模拟方式有很大的不同，数控开关模式电源在许多方面，比如带宽、动态响应等，与模拟电源尚有一定的差距，这也限制了其发展。本文
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将主要研究在数控方式下出现的新问题和解决方案，重点在于数控方式的研究和如何提高数字控制方式下系统的性能指标。本文的研究对于数控开关式电源具有普遍的理论和实践指导意义，在一定程度上会促进数控开关模式电源的发展。
1.2恒流源的研究现状
一个最基本的恒流源如图 1-1所示[1]：
图 1-1 基本恒流源原理
如果一个双端口元件输出电流恒定，且只与自身的参数有关，即称其为一个理想电流源。图中我们假设所有的元器件都是理想的，那么根据运放“虚短”的原则，有：
V f = V S ...............................................................................................(1-1) 那么通过R f的电流为：
I f = V f / R f = V S/R f ..................................................................................(1-2)
由于电阻R f是理想的，阻值恒定，所以I f恒定不变。负载R L和R f串联，理想运放负极输入电流为零，所以通过负载R L的电流就等于通过R f的电流，有
I L = I f = Vs / R f .....................................................................................(1-3)
如果保持Vs不变，则负载电流就不变，且电流大小与负载R L大小无关。改变V S的大小就可以改变负载电流的大小，这样就变成一个可调节的恒流源。
恒流源的实现方式有许多种，按照电流的调节方式，可以分为线性调节方式和开关方式。
华中科技大学硕士学位论文（1）、线性调节方式
线性调节方式是指调整电路（即功率管）工作在线性状态的方式。一般调整管与负载是串联连接的，也有少数是并联连接的。图 1-2是一种串联方式的线性恒流源电路[2]。
图 1-2 串联线性调节方式恒流源
由图可见，功率管G1、负载R L与采样电阻Rs是串联的，因此流过它们的电流是相等的。采样电阻将负载电流Io转换为电压Uo，经过由U1和U2构成的控制电路补偿、放大后，输出电压去调整功率管G1的导通电阻。开环情况下，由于U2的低频增益极高，所以即使Uo有一个微小的变动也会引起U2输出电压的很大变化。闭环负反馈的结果就是控制系统总是力图保证Uo的稳定，这里我们假定Rs是稳定不变的，所以Io也恒定不变，这就构成了一个恒流源。调节Ur的值即可改变输出电流的大小。
图 1-3所示是一种并联调节方式的恒流源。
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图 1-3 并联线性调节方式恒流源 其工作原理与上文所述基本相同，不同的是其功率管与负载是并联的，控制系统通过调整功率管和负载分流的大小来维持输出电流Io 的恒定的。注意到与图 1-2相比，反馈电压Uo 经过U1和U2的补偿、放大后，相位并没有改变，负反馈是通过功率管与负载分流这一特点实现的。
总的说来，线性调节方式的优点是噪声低、速度快（特别是并联调节方式的速度比串联调节方式更快），缺点是功能单一，无法实现智能化的人机界面。
特别是功率管工作在线性方式，造成电源的效率非常低、成本居高不下。以图 1-2为例，假设该恒流源输出电流范围为0～30A ，负载R L 大小为8欧姆，G1的饱和压降为2.5V ，Vcc 为250V （为了保证在输出电流30A 时功率管工作在线性区，该电压已经接近最低值），由于Rs 非常小，一般为几十毫欧姆，在此忽略Rs 。我们来计算一下该电路的效率：
输出电流30A 时：
2308=96%25030
2o L cc o I R V I η×==×...............................................(1-4) 输出电路1A 时： 218= 3.2%2501
2o L cc o I R V I η×==×................................................(1-5)
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可见该电路在输出电流较小时效率非常低，这是由于功率管与负载串联，在小电流时电源电压大部分的压降落在功率管上所致（并联线性调节方式的效率更低）。解决方案是降低功率管的压降，这可以通过降低电源电压来实现，同时为了保证输出电流的范围不变，一般根据输出电流大小对电源电压分段，采用继电器来切换不同输出电流下的输入电源电压。但即使是这样，线性调节方式的电源的平均效率也一般在50%左右。
（2）、开关式
开关式恒流源是指调整电路（功率管）工作在开关状态的一种方式。图 1-4是一种开关方式的恒流源的电路[3]。
图 1-4 开关调节方式恒流源
开关方式与线性方式具有很大的不同。与图 1-2和图 1-3相比，图 1-4在放大器U1和U2之后增加了一个比较器U3，U2的输出接比较器正极，负极输入一个固定频率的锯齿波，这样，比较器U3输出的就是一个方波，使之驱动功率管G1，功率管G1就工作在开关状态。可见，G1的发射极电压波形为方波，将此方波经过由L1和C1组成的滤波器后，输出稳定的电流给负载R L。与负载串联的电流采样电阻Rs将负载电流转换为电压，送给负反馈控制电路以维持输出电流的稳定。改变Ur的大小即可改变U2输出的电压的直流电平，从而控制U3输出的方波的占空比，从而控制G1输出电压的平均值，也就控制了负载R L的平均电流Io。
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由图可见，开关式恒流源的调整管总是工作在开关状态，由于功率管的饱和电压很低（晶体管一般为几伏）或者导通电阻很小（MOS管一般为几十毫欧姆到几欧姆），所以功率管的损耗只有开关损耗这一项，整个电路的效率非常高。开关式的恒流源效率一般都在80%以上，优秀的开关式恒流源一般都在90%以上。
按照控制理论来分类，可以简单分为单环控制式和多环控制式两种。
前文所述图 1-2、图 1-3和图 1-4的恒流源电路都是单环控制方式，整个电源的控制系统只有一个环路，可以简单地描述为图 1-5所示。
图 1-5 单环控制方式的控制系统示意图
其中，G P(s)为功率部分的传递函数，G C(s)为控制系统补偿电路的传递函数，G H(s)为电流采样部分的传递函数。
另一种多环控制式的恒流源结构如图 1-6所示[4]。
图 1-6 双环控制恒流源结构
其中，可控恒压/恒流源构成内环控制，由ADC、MCU和DAC构成外环控制。其控制系统的结构可以描述为图 1-7和图 1-8所示：
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图 1-7 内环采用可控恒流源的双环控制系统
其中虚线方框内为可控恒流源构成的内环，G H2(s)为电流采样电路和ADC一起的增益，Gc2(s)为数字控制器的传递函数。
图 1-8 内环采用可控恒压源的双环控制系统
其中虚线方框内为可控恒压源构成的内环，G k(s)为可控恒压源的输出到负载电流的传递函数，G H2(s)为电流采样电路和ADC一起的增益，Gc2(s)为数字控制器的传递函数。
按照恒流源的控制系统的实现方式，可以分为模拟控制式、模拟+数字控制式、纯数字控制式。
（1）、模拟控制式
此类恒流源的控制系统完全用模拟电路实现，如图 1-2、图 1-3和图 1-4所示的电路均属此类，控制系统完全用运放、比较器等实现，其Ur的调节一般是通过一个可变电位器对一个基准电压分压得到。
模拟控制方式的优点是简单可靠，成本低廉，特别是稳定性、带宽、动态性能等方面的指标较好。但是，由于元器件的离散性、温度漂移等的影响，一致性较差。由
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于模拟控制的方式中参考值Ur是电阻分压得到的一个低电平电压，受电源电压漂移、元器件温漂和老化，以及外界干扰的影响较大，造成控制精度较低。
（2）、模拟+数字控制式
此种控制模式是在上述纯模拟控制方式的基础上改进而来。由于在纯模拟控制方式下，参考电压Ur一般均为电位器对一个基准电压源分压得到，无法精确控制输出电流的值，用户界面也不够友好，由此催生了这种控制方式。它是在模拟控制方式的基础上，使用数模转换器产生一簇步长非常小的电压作为参考电压，从而控制输出电流的大小。图 1-9所示为一个模拟和数字混合控制的恒流源电路[5]。
图 1-9 一个模数混合控制式恒流源电路
此种控制方式由于增加了MCU和DAC，所以可以精确控制Ur的大小，从而精确控制输出电流的大小。特别是MCU可以提供一个数字化的用户界面，电流的设定和显示均被数字化，人机交互便捷准确。还可以通过MCU实现与外界数字通信，实现远程控制等功能。
但是，这种控制方式中数字部分并没有参与真正的环路控制，仅仅是将电流参考值Ur离散化而已，Ur的精度还要受DAC参考电压、DAC分辨率的影响，而且一旦Ur受到干扰，则输出电流就会不准确。即使Ur是精确和稳定的，此种恒流源输出电流的精度和稳定度仍然要受到后级由U1、G1和Rs构成的可调恒流源的影响。也就是说，本质上，此种控制方式也是一种模拟控制方式。
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另一种模拟和数字混合控制的恒流源如图 1-7、图 1-8所示，与图 1-9相比，在这种控制方式中，微处理器参与了真正的环路控制，因此控制可以更加精确。
（3）、全数字控制式
采用此种控制方式的恒流源，其用户界面、控制环路完全数字化[6]。图 1-10是一个此种控制方式的恒流源电路：
图 1-10 全数字控制式恒流源
功率调节部分采用的仍然是开关模式的结构，输出电流Io经过采样后直接送给ADC将其数字化，数字化的采样电流值通过数字化的环路补偿，然后去调制一个数字PWM发生器，输出PWM信号驱动功率开关管的开闭。这样就将直流VCC斩波成方波电压，再经过由L1和C1构成的滤波器滤波后形成平滑的直流电流，供给负载R L。由于采用了高速数字信号处理器做控制器，电路可以十分简洁可靠。而且，由于在整个控制环路中，所有的信号均为数字信号，没有任何误差，也不会被干扰，因此控制十分精确。同样，全数字化控制的方式可以提供无误差的、友好的用户界面，完善的保护，复杂的控制和遥控功能。
在电源领域，全数字控制的电源是研究热点之一。当前业界一般实现的方案有：
（1）、采用高性能的单片机。比如使用高性能51、ARM处理器等等。但这类单片机的运算能力仍然不够强大，在某些需要多路输出，高开关频率，实现复杂控制的场合仍然不够用。
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（2）、采用通用数字信号处理器DSP。DSP是专为数字信号处理而设计的微处理器，它具有强大的运算能力。当前普遍采用TI公司的24XX系列和28XX系列的DSP，它们是专为工业控制而设计的DSP，除了运算能力强大之外，它们还集成了大量的外设，能满足大多数情况的需要。TI公司已经用DSPTMS320C2810 制成了通讯用的48V 输出大功率电源模块。其中PFC 和PWM部分完全为数字式控制。
（3）、采用专用数字化电源控制器。近年来，数字电源的研究势头与日俱增，成果也越来越多[7]。在电源数字化方面走在前面的公司有TI 和Microchip 即德州仪器公司和微芯国际公司。TI 公司已经研发出了多款数字式PWM 控制芯片。主要是UCD7000 系列UCD8000 系列和UCD9000 系列。Microchip 公司推出的dsPIC30F1010 和dsPIC30F2023 是很完善的数字式电源控制芯片，它把MCU 及DSP 用于数字电源控制，实现了目前最专业最完整的电源的数字化。其他还有很多公司也都生产了类似的芯片。总之，它们总体上既要包括硬件部分，还要做软件编程。硬件部分包括PWM的逻辑部分，时钟，放大器环路的模数转换，数模转换以及数字处理，驱动，同步整流的检测和处理等。
数控电源的优势是非常明显的[8]：由于采用开关模式的功率回路，工作效率非常高。而微处理器和监控软件的引入，可以使电源具有自我监控能力，可以实时地监控电源本身的各种运行参数和状态，实现对电源管理的无人职守与远程监控。预警功能和故障诊断功能可以使维护人员远程观察和控制电源设备的运行参数和状态，当出现故障时，可将故障信息及时上报，提高故障排除的效率。而且由于采用全数字化控制技术，可以有效地缩小电源体积，降低成本，采用优异的、智能化的控制策略，可以大大提高备的可靠性和对用户的适应性。
但是，电源数字化后也会引入许多新的问题。离散化会造成精度降低，增加额外的延时，减小带宽，这些都是需要研究和解决的问题。而且控制环路的补偿完全用软件实现，对于研发人员的素质要求较传统模拟电源要高。微处理器在强干扰环境下的抗干扰能力较模拟芯片要弱，因此可靠性也是一个问题。
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1.3本文的研究内容及组织结构
本文通过一个高精度的数控恒流源系统的设计和实现为研究对象，研究恒流源的全数字化控制方法，阐述了数控恒流源中的几个关键技术，特别是这几项关键技术对数控恒流源的控制精度的影响。
本文第一章介绍了研究的背景和恒流源的研究现状，第二章对数控恒流的原理进行了理论分析，特别是数控恒流的几个关键技术，重点分析了这几个关键技术对恒流源的性能的影响。第三章至第五章介绍了一个高精度数控恒流源系统的设计和实现的方法：其中第三章介绍了硬件电路的设计，第四章介绍了数字控制器的设计，第五章介绍了软件设计。第六章对该恒流源进行了测试，并对测试结果进行了分析。第七章对全文做了总结。
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2数控恒流理论
2.1数控恒流原理
一个典型的全数字控制的恒流源工作原理框图如图 2-1所示：
图 2-1 全数字控制恒流源工作原理
其核心是一个数字控制器。输出电流经过电流传感器采样后，由ADC负责将电流值变为数字信号，然后送给数字控制器进行环路补偿，输出占空比（0~1）去直接调制数字PWM模块，输出占空比可变的方波，再经过功率放大、滤波器滤波后变成平滑的直流电流供给负载。UI模块负责向数字控制器传递参数，实现显示、按键、和外界的通信及其它功能，通过UI修改数字控制器的参数即可控制输出电流的大小，UI也可以实时监控数字控制器的参数，通过显示模块、通讯等方式向外输出系统的状态。
目前大多数的高性能微处理器均内置了ADC和PWM模块，数字控制器和UI 模块均可以通过对微处理器编程实现，功率放大用三极管、功率MOS管、IGBT等半导体开关器件实现，滤波器则一般用LC滤波器实现。
2.2数控恒流的关键技术
2.2.1数字调制PWM
一种数字调制PWM的工作原理如图 2-2所示[9]。其核心为一个计数器，在时钟驱动下，计数器的值由计数初值递增。当计数器的值与比较寄存器的值相等时，PWM
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输出状态发生一次翻转。当计数器溢出时，输出状态复位（另一种方式是计数器连续加计数，到周期值时再变为连续减计数，然后连续减计数，到计数初值时再变为连续加计数）。这样改变周期寄存器的值就可以改变PWM的周期，改变比较寄存器的值即可改变输出脉冲的宽度，改变计数初值即可改变初相，实现直接数字调制PWM。
图 2-2 数字调制PWM原理（连续加模式）
数字调制PWM有三个参数直接影响数控恒流源系统的性能：时钟频率、PWM 分辨率和PWM频率。
（1）、时钟频率
由数字调制PWM的工作原理可以看出，计数器是在时钟的驱动下每个时钟周期加或减一个单位。显然时钟的周期即表示输出PWM的最小时间宽度，或者表示输出的PWM的一个步长的宽度。由图 2-1可见，在数控恒流源系统中，输出电流是对PWM功率放大后取平均得到。在LC电路作为滤波器的情况下，电流波形为三角波，如图 2-3所示：
图 2-3 电感电流波形
输出电流的平均值为（电感电流连续模式）：
华中科技大学硕士学位论文 1()21()22o min max L min min on L min on I I I U I I t L
U I t L
=+=++=+.................................................(2-1) 所以，在电压U L 和电感量L 均固定的情况下，PWM 的步长的宽度就决定了输出电流的可控制的最小增量。因此要提高控制精度，数字调制PWM 的时钟周期越短越好，下文也会看到，时钟周期越小，PWM 的频率可以越高。
（2）、PWM 分辨率
PWM 分辨率表示其输出的PWM 的一个周期可以被分成的最多的份数。PWM 分辨率由数字调制PWM 的计数器的位数决定：设一个数字调制PWM 的计数器的位数为b ，则其最大分辨率为2b 。也有不用位数来表示的，则其最大分辨率就等于PWM 的计数器的最大计数值。分辨率直接影响系统的控制精度，即使一个数字PWM 的周期被完全利用，那么其控制精度也不会超过1/2b ，因此要注意选择合适的数字调制PWM 的分辨率。例如一个数控恒流源系统，要求输出的电流需要控制到最小0.01A 精度，满幅度输出电流为30A ，理想情况下假设100%占空比对应30A 输出电流，那么PWM 至少需要被分成30A/0.01A=3000份，即至少需要数字调制PWM 的分辨率为3000，低于这个值控制的精度将会降低。
注意到工作时的PWM 的分辨率并不等于最大分辨率，两者只有在数字PWM 的周期值等于计数器的最大值2b 的情况下才相等。这是由于在系统最大时钟频率固定的情况下，为了获得较高的工作频率，一般周期值都设置的比2b 要小，这样实际就降低了PWM 的分辨率，此时工作分辨率等于周期寄存器的值。
（3）、开关频率
实际上，当时钟频率和PWM 的分辨率确定后，开关频率就确定了。时钟频率、PWM 分辨率和开关频率三者之间的关系是：开关频率=时钟频率/PWM 分辨率。因
6种最常用恒流源电路的分析与比较 恒流电路有很多场合不仅需要场合输出阻抗为零的恒流源，也需要输入阻抗为无限大的恒流源，以下是几种单极性恒流电路： 类型1： 特征：使用运放，高精度 输出电流：Iout=Vref/Rs
类型2： 特征：使用并联稳压器，简单且高精度 输出电流：Iout=Vref/Rs 检测电压：根据Vref不同（1.25V或2.5V） 类型3： 特征：使用晶体管，简单，低精度 输出电流：Iout=Vbe/Rs 检测电压：约0.6V
类型4： 特征：减少类型3的Vbe的温度变化，低、中等精度，低电压检测 输出电流：Iout=Vref/Rs 检测电压：约0.1V～0.6V
类型5： 特征：使用JEFT，超低噪声 输出电流：由JEFT决定 检测电压：与JEFT有关 其中类型1为基本电路，工作时，输入电压Vref与输出电流成比例的检测电压 Vs(Vs=Rs×Iout)相等，如图5所示， 图5 注：Is=IB+Iout=Iout(1+1/h FE)其中1/h FE为误差 若输出级使用晶体管则电流检测时会产生基极电流分量这一误差，当这种情况不允许时，可采用图6所示那样采用FET管
图6 Is=Iout-I G 类型2，这是使用运放与Vref（2.5V）一体化的并联稳压器电路，由于这种电路的Vref高达2.5V，所以电源利用范围较窄 类型3，这是用晶体管代替运放的电路，由于使用晶体管的Vbe（约0.6V）替代Vref的电路，因此，Vbe的温度变化毫无改变地呈现在输出中，从而的不到期望的精度 类型4，这是利用对管补偿Vbe随温度变化的电路，由于检测电压也低于0.1V左右，应此，电源利用范围很宽 类型5，这是利用J-FET的电路，改变R gs 可使输出电流达到漏极饱和电流I DSS，由于噪声也很小，因此，在噪声成为问题时使用这种电路也有一定价值，在该电路中不接R GS，则电流值变成I DSS，这样，J-FET接成二极管形式就变成了“恒流二极管” 以上电路都是电流吸收型电路，但除了类型2以外，若改变Vref极性与使用的半导体元件，则可以变成电流吐出型电路。
数控直流电流源
三、评分标准 四、说明 1、需留出输出电流和电压测量端子； 2、输出电流可用高精度电流表测量；如果没有高精度电流表，可在采样 电阻上测量电压换算成电流； 3、纹波电流的测量可用低频毫伏表测量输出纹波电压，换算成纹波电流。
数控直流恒流源的设计与制作 发表日期：2006年5月1日出处：本站原创【编辑录入：zouwenkun】 指导老师:王贵恩博士制作人:彭浦能、梁星燎、林小涛 《数控直流恒流源》《数控恒流源获奖证书》 摘要：本系统以直流电流源为核心，AT89S52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，并可由数码管显示电流设定值和实际输出电流值。本系统由单片机程控设定数字信号，经过D/A转换器
（数控加工）数控恒流源系统 设计
毕业设计 题目: 学院名称：班级：学生姓名：学号：指导教师：教师职称：
20 年06月13
一：概述 1.1选题背景和意义 电源为保障系统的安全性与稳定性都起到有至关重要的作用，本篇我们主要研究恒流源。而恒流电源由于它体积特别小、损耗相对低、而效率较高、还有它简洁的电路都比较受欢迎，在我们平时用的计算机设备、通信设备，仪器仪表上面，还有航空航天上面通信设备等都需要恒流源系统。近年来电子信息的产业是发展相当快的，恒流电源也更多的被运用到我们生活中，因此，对恒流电源的研究就显得更有意义以及价值。 数控恒流源技术是一种对实践性要求很高的工程技术，它存在与各个行业中，我们在日常会经常看到。电源技术还和电气电子、控制理论等一些其它科学领域相互交叉融合，促进了现在信息技术和电源技术的发展。这也预示着在系统上面对电源技术的要求更高。普通的电源系统在工作时候容易产生误差，这样会对整个系统的精确度产生影响，更严重的是会带来很多严重的后果。世界各国为了解决这个问题便对电源产品制定了不同要求和一系列产品精度标准，只要达到要求达到标准后才可以进入市场。经济全球化的发展让电源产品流通更加方便，但是必须满足国际标准才可以有通行证。数控电源发展的比较晚，从八十年代才开始，那个时候电力电子的理论就开始建立。电力电子理论为今后的电源产品的发展奠定了很好的理论基础，随之，数控电流源技术得到了快速蓬勃的发展。但是市场上的很多产品还是输出精度低，带负载能力较差，体积相对大等缺点。当然这也给了数控电流源的发展指明方向就是不断完善上面的缺点不足。数控直流电流源对精度的要求会越来越高。单片机，新的控制理论，这些都为精确数控电源的发展提供基础。从组成上，数控电流源分为器件、主电路和控制电路三部分。
几种简单的恒流源电路 恒流电路应用的范围很广，下面介绍几种由常用集成块组成的恒流电路。 1.由7805组成的恒流电路，电路图如下图1所示： 电流I＝Ig＋VOUT/R，Ig的电流相对于Io是不能忽略的，且随Vout，Vin及环境温度的变化而变化，所以 这个电路在精度要求有些高的场合不适用。 2.由LM317组成的恒流电路如图2所示，I＝Iadj＋Vref/R
１ 引言 “高精度数控直流电流源”是２００５年全国大学生电子设计大赛的题目。由于题目的要求指标比较高，用普通的模拟直流电流源无法满足，我们构造了以单片机８９ｃ５１为中心控制器的直流电流源系统。因此在要求输出范围不变的前提下，将其他指标提高了近十倍。 ２ 电源系统框架 本文在文献［１￣３］的基础上构造电源系统框架；该系统由单片机数据处理模块、Ａ／Ｄ数据输入模块、Ｄ／Ａ输出模块、恒流源模块及键盘和显示模块（ＬＣＤ）等几部分组成，如图１所示。其中单片机最小系统实现了主要的数控功能， 是本控制电路的核心，由它来控制输出电流值，并 控制步进调节。控制电路的采样信号和控制信号传输通道分别用ＡＤＣ７１３５和ＡＤ７５４１Ａ来实现。３ 硬件电路 ３．１单片机的最小系统 本系统使用的最小系统板是以８９ｃ５１单片机［４］ 为内核，并且具有良好的扩展性。ＣＰＵ接有１１．０５９２ＭＨＺ的晶振，ｘ５０４５看门狗电路［４］，７４ｌｓ３７３锁存电路、７４ｌｓ１３８译码电路以及按键、显示器件、ＡＤＣ７１３５电路板插槽并用８２５５［５］外扩了Ｉ／Ｏ接口［６］。如图２所示。 本系统中通过８２５５外扩了ＰＡ，ＰＢ，ＰＣ共２４个Ｉ／Ｏ口，以便作为系统的输入输出通道。用 ７４ｌｓ１３８的输出作为各个芯片的译码选择端， 除最小系统中使用的Ｙ２外，其余可供其它扩展使用。３．２电流源电路 本系统的电流源电路是一闭环控制电路［７］，根据采样信号与设定值的偏差放大处理实现自校正， 从而使输出电流更稳定，可控性更高，如图３所示。 ３．３ＡＤＣＩＣＬ７１３５信号采集电路 ＩＣＬ７１３５具有低噪音、 无需外部其他器件、长期高精度数控直流电流源 王永德，赵宏才，马石岩，张召友，刘士军 （青岛理工大学自动化工程学院，山东青岛２６６０３３） 摘 要：以单片机８９ｃ５１为中心控制器构成的直流电流源，控制电路的采样信号和控制信号传输通道分别用 ＡＤＣ７１３５和ＡＤ７５４１Ａ来实现。使得控制精度达到了步进１ｍＡ，量程２０ｍＡ￣２０００ｍＡ，纹波电流≤０．２ｍＡ，远远的超过题目要求。 关键词：电流源；单片机；ＩＣＬ７１３５、ＡＤ７５４１芯片中图分类号：ＴＮ４ 文献标识码：Ａ 文章编号：１０００－７１８０（２００７）０２－０１２０－０４ ＨｉｇｈＰｒｅｃｉｓｉｏｎＤｉｇｉｔａｌＣｏｎｔｒｏｌＤＣＣｕｒｒｅｎｔＳｏｕｒｃｅ ＷＡＮＧＹｏｎｇ－ｄｅ，ＺＨＡＯＨｏｎｇ－ｃａｉ，ＭＡＳｈｉ－ｙａｎ，ＺＨＡＮＧＺｈａｏ－ｙｏｕ，ＬＩＵＳｈｉ－ｊｕｎ （ＳｃｈｏｏｌｏｆＡｕｔｏｍａｔｉｏｎ，ＱｉｎｇｄａｏＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｑｉｎｇｄａｏ２６６０３３，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：ＴｈｉｓｐａｐｅｒｉｎｔｒｏｄｕｃｅｓｔｈｅＤＣｃｕｒｒｅｎｔｓｏｕｒｃｅｗｉｔｈｍａｉｎｃｏｎｔｏｌｌｅｒｔｈａｔｉｓｓｉｎｇｌｅ－ｃｈｉｐｃｏｍｐｕｔｅｒ８９ｃ５１．Ｔｈｅ ｔｒａｎｓｐｏｒｔｃｈａｎｎｅｌｓｏｆｓａｍｐｌｅａｎｄｃｏｎｔｒｏｌｓｉｇｎａｌｓｉｓｃｏｎｔｒｏｌｃｉｒｃｕｉｔｓ．ＴｈｅＡＤＣ７１３５ｉｓｕｓｅｄｔｏｔｈｅｓａｍｐｌｅｓｉｇｎａｌｃｉｒｃｕｉｔａｎｄＡＤ７５４１Ａｉｓｕｓｅｄｔｏｃｏｎｔｒｏｌｓｉｇｎａｌｃｉｒｃｕｉｔ．Ｔｈｅｔｅｃｈｎｉｑｕｅｉｎｄｅｘｅｓａｒｒｉｖｅｔｏｃｏｎｔｒｏｌｐｒｅｃｉｓｉｏｎｏｆｓｔｅｐ１ｍＡ，ｍｅａｓｕｒｅｒａｎｇｅｏｆ２０ｍＡ～２０００ｍＡ，ｖｅｉｎｗａｖｅｅｌｅｃｔｒｉｃｃｕｒｒｅｎｔｗｉｔｈｉｎ０．２ｍＡ．Ｔｈｅｓｅｉｎｄｅｘｅｓｈａｖｅｌａｒｇｅｌｌｙｅｘｃｅｅｄｅｄｄｅｍａｎｄｉｎｄｅｘ－ｅｓ． Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：Ｅｌｅｃｔｒｉｃｃｕｒｒｅｎｔｐｏｗｅｒ；Ｓｉｎｇｌｅ－ｃｈｉｐｃｏｍｐｕｔｅｒ；ＩＣＬ７１３５ｃｈｉｐａｎｄＡＤ７５４１ｃｈｉｐ 收稿日期：２００６－０３－１７
数 控 恒 流 源 的 设 计 姓名：王有康 学号：311108001621 指导老师：张新良 所在学院：电气工程与自动化学院
目录 一. 摘要 (3) 二.任务要求 (4) 三.系统框图 (5) 四.电路设计 (6) 4.1直流稳压电路 (6) 4.2恒流源电路 (7) 4.3主控电路模块 (9) 4.4 AD转换模块 (9) 4.5 DA转换模块 (10) 五. 软件部分 (12) 六.结论 (15) 七.体会及总结 (15) 附录一元件清单 (16) 附录二参考文献 (17)
一、摘要 设计利用集成运放、场效应管对电流放大与单片机的自动控制来实现数控直流电流源。系统有控制模块与恒流源模块组成。控制模块使用STC89C51结合按键与1602液晶显示，实现对恒流源的数控和预设值的显示。恒流源模块采用UA741与IRFZ44N组成的反馈放大电路实现对电流的放大。控制到恒流源的信号转换采用DAC0832来实现；实测显示模块有ADC0804组成的显示电路来显示。并使用自制电源进行供电我希望通过这次设计能够学会发现。分析和解决工程实践问题的技能和方法，将所学知识综合应用于工程实践中，培养出严谨的科学态度和一定的实践技能、良好的工程意识。 关键词：STC89C51，恒流源，ADC0804，DAC0832，UA741，闭环控制。
二、任务要求 设计并制作以DC-DC变换器为核心的数控恒流电源，电路框图如图1所示。 图1 电路框图 要求： 在输入电压U i为15V/DC(波动范围12V~18V)及电阻负载条件下，使电源满足： （1）输出电流I o可调范围：200mA～2000mA；最大输出电压U omax：10V； （2）U i从12V变到18V时，电流调整率S I ≤4%（I o＝1000mA，负载为5Ω的条件下测试）； （3）改变负载电阻，输出电压在10V以内变化时，负载调整率S R≤4%（U i=15V， I o＝1000mA，负载在1Ω～5Ω条件下测试）； （4）输出噪声纹波电流≤30mA（U i =15V，U o=10V，I o=2000mA）； （5）整机效率≥70%（U i=15V，U o=10V，I o=2000mA）； (6) 具有输出电流的测量和数字显示功能； (7) 其它；
几种简单的恒流源电路 恒流电路有很多场合不仅需要场合输出阻抗为零的恒流源，也需要输入阻抗为无限大的恒流源，以下是几种单极 性恒流电路： 类型1： 特征：使用运放，高精度 输出电流：Iout=Vref/Rs
类型2： 特征：使用并联稳压器，简单且高精度 输出电流：Iout=Vref/Rs 检测电压：根据Vref不同（1.25V或2.5V） 类型3： 特征：使用晶体管，简单，低精度 输出电流：Iout=Vbe/Rs 检测电压：约0.6V
类型4： 特征：减少类型3的Vbe的温度变化，低、中等精度，低电压检测 输出电流：Iout=Vref/Rs 检测电压：约0.1V～0.6V 类型5：
特征：使用JE FT，超低噪声 输出电流：由JE FT决定 检测电压：与JE FT有关 其中类型1为基本电路，工作时，输入电压Vref与输出电流成比例的检测电压Vs(Vs=Rs×Iout)相等，如图5所 示， 图5 注：Is=IB+Iout=Iout(1+1/hFE)其中1/hFE为误差 若输出级使用晶体管则电流检测时会产生基极电流分量这一误差，当这种情况不允许时，可采用图6所示那样采 用FE T管
图6 Is=Iout-IG 类型2，这是使用运放与Vref（2.5V）一体化的并联稳压器电路，由于这种电路的Vref高达2.5V，所以电源利 用范围较窄 类型3，这是用晶体管代替运放的电路，由于使用晶体管的Vbe（约0.6V）替代Vref的电路，因此，Vbe的温 度变化毫无改变地呈现在输出中，从而的不到期望的精度 类型4，这是利用对管补偿Vbe随温度变化的电路，由于检测电压也低于0.1V左右，应此，电源利用范围很宽类型5，这是利用J-FE T的电路，改变Rgs 可使输出电流达到漏极饱和电流IDSS，由于噪声也很小，因此，在噪声成为问题时使用这种电路也有一定价值，在该电路中不接RGS，则电流值变成IDSS，这样，J-FE T接成二极管形 式就变成了“恒流二极管” 以上电路都是电流吸收型电路，但除了类型2以外，若改变Vref极性与使用的半导体元件，则可以变成电流吐 出型电路。 1.由7805组成的恒流电路，电路图如下图1所示： 电流I＝Ig＋VOUT/R，Ig的电流相对于Io是不能忽略的，且随Vout，Vi n及环境温度的变化而变化，所以
程控高效可调恒流源 发表时间：2016-05-11T17:08:14.920Z 来源：《教育学》2016年3月总第97期作者：周宝宏[导读] 安徽师范大学物理与电子信息工程学院本文采用高性能STC单片机作为控制器，通过ADC芯片采样电流，显示当前电流。 安徽师范大学物理与电子信息工程学院安徽芜湖241000 摘要：设计了一种新型恒流源，利用基于TL494芯片的开关电源电路，配以高精ADC芯片ADS1256和DAC芯片TLC5615，实现了单片机控制下的步进输出；具有调整速度快，输出精度准确，输出效率较高的优点。 关键词：恒流源单片机步进调整一、引言 本文采用高性能STC单片机作为控制器，通过ADC芯片采样电流，显示当前电流。通过单片机控制DA芯片输出电压来调节开关电源芯片的反馈，达到恒流源电流大小可调节的功能。当负载变化时，利用开关电源芯片电路动态调整输出，从而实现恒流。 二、结构与功能 1.整体结构。恒流源整体结构由单片机控制电路、TL494开关电源电路、ADC电流采样电路、DAC输出控制电路组成。基本原理是对原有的开关电源电路，通过采样电流反馈，当负载变化时动态调节输出，实现恒流。再通过MCU控制DA芯片输出电压来调节开关电源芯片的反馈，达到调节恒流源的电流大小的功能。系统结构如图1。 图1.恒流源结构 2.MCU电路。STC12C5A60S2是STC生产的单时钟/机器周期（1T）的单片机，是高速、低功耗、超强抗干扰的新一代8051单片机；指令代码完全兼容传统8051，但速度快8-12倍，完全满足本设计需要。 3.开关电源电路。TL494是一种固定频率脉宽调制电路，它包含了开关电源控制所需的全部功能，广泛应用于桥式单端正激双管式、半、全桥式开关电源。集成了全部的脉宽调制电路。片内置线性锯齿波振荡器，外置振荡元件仅两个（一个电阻和一个电容）。内置误差放大器。内置5V参考基准电压源。可调整死区时间。内置功率晶体管可提供500mA的驱动能力。推或拉两种输出方式（如图2）。 4.DAC输出控制电路。LC5615为美国德州仪器公司1999 年推出的产品，是具有串行接口的数模转换器，其输出为电压型，最大输出电压是基准电压值的两倍。带有上电复位功能，即把DAC寄存器复位至全零。性能比早期电流型输出的DAC要好。只需要通过3根串行总线就可以完成10位数据的串行输入。
第一章引言 随着现代技术的发展,恒定电流源的应用将十分重要，如机器人、工业自动化、卫星通信、电力通讯、智能化仪器仪表以及其它数字控制等方面都迫切需要应用恒定电流器件，因此, 研究和开发恒流器件具有十分重要的意义。许多场合, 尤其是高精度测控系统需要高精度的电压源与电流源。微电子工艺的高度发展, 给我们提供了许多小型化、集成化的高精度电压源, 但电流源, 特别是工作电流大的高精度电流源仍需使用者自行设计实现。 恒流源是能够向负载提供恒定电流的电源,因此恒流源的应用范围非常广泛,并且在许多情况下是必不可少的。例如在用通常的充电器对蓄电池充电时,随着蓄电池端电压的逐渐升高,充电电流就会相应减少。为了保证恒流充电,必须随时提高充电器的输出电压,但采用恒流源充电后就可以不必调整其输出电压,从而使劳动强度降低,生产效率得到了提高。恒流源还被广泛用于测量电路中,例如电阻器阻值的测量和分级,电缆电阻的测量等,且电流越稳定,测量就越准确。 本论文主要概括了恒流源的基本概念，并设计出几种不同要求的恒流源，运用了SPCE061A单片机设计出新型数控恒流源，具有高稳定性和高灵敏性。对以往恒流源进行了改进创新。 第二章基本恒流源电路 2.1恒流源基础知识 基本恒流源电路是恒流源电路的基本组成，是分析恒流源电路的基础。2.1.1恒流源介绍 恒流源,是一种能向负载提供恒定电流之电路.它既可以为各种放大电路提供偏流以稳定其静态工作点,又可以作 为其有源负载,以提高放大倍数.并且在差动放大电路、脉冲产生电路中得到了广泛应用. 过一定的论述.然而,对各种恒流电路之对比分析,各自应用特点,以及需要改进的方面,还有待进一步研究,本文就来探 讨这些问题. 2.1.2恒流源的原理和特点
高精度宽范围恒流源设计 吴茂成 (苏州大学物理科学与技术学院,江苏苏州215006) 摘要:设计了一种由基准电压源、集成运算放大器及复合管等组成的高精度恒流源电路,其输出电流范围为1 A~1A。详细分析了该电路的工作原理,公式推导证明了设计的正确性,并对实际应用中元器件的选取进行了说明。对所设计恒流源电路的性能进行了测试,测试结果表明:该电路精度高、稳定性好,输出电流精度相对误差的最大值为0.152%,输出电流稳定性误差的最大值为0.047%。 关键词:恒流源;高精度;运算放大器;反馈 中图分类号:T M933 文献标识码:B文章编号:1001-1390-(2011)01-0064-03 D esi gn of a H i gh-precision W i de-range Constant-current Source WU M ao-cheng (Depart m ent o f Physics Sc i e nce and Techno logy,Soocho w Un i v ersity,Suzhou215006,Ji a ngsu,Ch i n a) A bstract:A w i d e-range high-precisi o n constant-current source i s presented,wh ic h is m a i n l y co m prised o f a vo lt age reference,so m e operational a mp lifiers and a darli n g ton transistor.The range of the circu itry s output curren t va l u e is fro m1 A to1A.The w orking pr i n ciple o f the designed constant-current circu itry is ana l y zed i n details and deduced m athe m atica lly,and the se lective ru les o f the practica l e le m ents are ill u m i n ated.The perfor m ance o f the designed con stant-current source is tested,and the resu lts i n dicate t h at the circu itry cou l d generate a high-prec ision steady cur ren.t The m ax i m al re lati v e error of precisi o n and m ax i m al error o f stab ility of the ou t p ut current are0.152%and0. 047%respecti v e l y. K ey words:constant-current source,h i g h-prec ision,operati o na l a m plifier,feedback 0 引 言 恒流源是指能够向负载提供恒定电流的电源,在金属薄膜电阻率测量、金属丝杨氏模量测量、磁阻效应、光电效应以及光电池特性测量等大学物理实验中应用广泛。目前市场上较成熟的恒流源产品的输出虽然可达毫安培到百安培量级,但通常并不能完全满足于具体的实验应用需求,对输出电流大小、稳定度及精度等指标有特殊要求的恒流源电路通常仍需要自行研制[1-4]。 本文介绍一种由基准电压源、集成运算放大器及复合管等组成的高精度恒流源电路,其输出电流范围为1 A~1A,精度高,稳定性好。通过简单的元器件参数调整或电路并联等设计后,即可满足多数大学物理实验应用电路的需求。 1 电路设计1.1 工作原理 所设计的高精度恒流源电路,如图1所示。由该原理图可知,整个恒流源电路包括基准电压源V ref、阻抗变换器A1、电压放大器A2与A3、电流放大器Q1~Q3、精密采样电阻R N1~R N7以及反馈信号电压跟随器A4等部分。其中,V r ef为5V基准电压源,Q2、Q3组成复合管,以便输出较大的电流,S1~S7为输出电流切换开关。 本恒流源电路的核心设计原理是:通过负载电压反馈,在高精度采样电阻上产生恒定的压降,则与该精密采样电阻相串联的支路中就可以得到恒定的输出电流。 具体的工作过程简述如下:设开关S1~S7中某一路接通,当负载电阻R x变大时,其上瞬间压降V x随之增大,则运算放大器A3的同相输入端与反相输入端之间的压差减小,输出电压V2小于基准电压V ref, 64
运放电路中的恒流源电路分析方法 普通镜像恒流源、多集电极恒流源、高精度镜像恒流源、高内阻恒流源和镜像微恒流源电路，以及恒流源电路输出电阻的计算等。 分析恒流源电路的方法是： （1）确定恒流源电路中的基准晶体管或场效应管； （2）计算或确定基准电流； &nbbsp; （4）绘制恒流部分的交流通路，确定恒流源的内阻。 由于恒流源的内阻较大，计算恒流源内阻时不能忽略三极管集电极与发射极之间，或场效应管漏极与源极之间的动态电阻。 1、基本镜像恒流源分析 已知基本镜像恒流源电路如图1所示，试计算输出电流的大小和恒流源内阻。 图1 晶体管是基准管，且，工作在放大状态。 当与特性参数完全一致时，由可推得 由基准输入回路得， 所以， 当时，。 恒流输出管的交流通路如图1(b)所示，将晶体管用微变等效模型替代后的电路模型 如图1(c)，显然，恒流源的内阻。 必须注意，应用管的恒流特性时，必须满足，保证始终工作在放大状态。 基本镜像恒流源电路的扩展电路有两种，如图2所示。
图2 图2(b)的管采用多集电极晶体管（图2(a)已将其分散画），以基准管的集电极面积为基准，可得到一组与集电极面积成正比的多个恒流源。 图2(c)中增加管可以进一步减少恒流输出与基准电流之间的近似程度，此时， 所以， 当时，基本镜像恒流值，增加管后，更接近。 2．高内阻（Wilson）恒流源 图3是Wilson恒流源电路，试计算恒流输出值。 图3 管是基准管，，工作在放大状态。 当、、均工作在放大状态时，各电流之间关系为：
整理后可得： 按二极管形式连接的管是管发射极的等效电阻，Wilson恒流源的内阻要大于。 3．微恒流源（Widlar）电路 图4是Widlar微恒流源电路，试计算输出恒流值。 图4 晶体管是基准管，且，工作在放大状态，。 管发射极电流与发射极电压之间的关系为： 所以， （1） 同理，当工作在放大状态时， （2） 由基极回路方程得： （3）
恒流电路 有很多场合不仅需要场合输出阻抗为零的恒流源，也需要输入阻抗为无限大的恒流源，以下是几种单极性恒流电路： 类型1：特征：使用运放，高精度输出电流：Iout=Vref/Rs 类型2：特征：使用并联稳压器，简单且高精度 输出电流：Iout=Vref/Rs 检测电压：根据Vref不同（1.25V或2.5V）类型3：特征：使用晶体管，简单，低精度 输出电流：Iout=Vbe/Rs 检测电压：约0.6V
类型4：特征：减少类型3的Vbe 的温度变化，低、中等精度，低电压检测 输出电流：Iout=Vref/Rs 检测电压：约0.1V ～0.6V 类型5： 特征：使用JEFT ，超低噪声 输出电流：由JEFT 决定 检测电压：与JEFT 有关 其中类型1为基本电路，工作时，输入电压Vref 与输出电流成比例的检测电压Vs(Vs=Rs×Iout)相等，如图5所示， 图5 注：Is=IB+Iout=Iout(1+1/h FE )其中1/h FE 为误差 若输出级使用晶体管则电流检测时会产生基极电流分量这一误差，当这种情况不允许时，可采用图6所示那样采用FET 管 图6 Is=Iout-I G 类型2，这是使用运放与Vref （2.5V ）一体化的并联稳压器电路，由于这种电路的Vref 高达2.5V ，所以电源利用范围较窄 类型3，这是用晶体管代替运放的电路，由于使用晶体管的Vbe （约0.6V ）替代Vref 的电路，因此，Vbe 的温度变化毫无改变地呈现在输出中，从而的不到期望的精度
类型4，这是利用对管补偿Vbe随温度变化的电路，由于检测电压也低于0.1V 左右，应此，电源利用范围很宽 类型5，这是利用J-FET的电路，改变R gs 可使输出电流达到漏极饱和电流I DSS ， 由于噪声也很小，因此，在噪声成为问题时使用这种电路也有一定价值，在该 电路中不接R GS ，则电流值变成I DSS ，这样，J-FET接成二极管形式就变成了“恒 流二极管” 以上电路都是电流吸收型电路，但除了类型2以外，若改变Vref极性与使用的半导体元件，则可以变成电流吐出型电路。 附图方框内的4个电阻其数值是一样的。因此才有公式：Io=(V3-V2)/R 。由公式可看出：当V32幅度与R的数值恒定不变时，Io恒定输出且与负载电阻Load的数值大小无关（在运放的线性工作区域以内）。可以利用负载电阻为0欧姆和负载电压为1V两种状态，推演出上面运放输出端（PIN6）的电压Vo'会随负载电压Vo等比升降，从而保证定流电阻的端压与通过电流幅度恒定不变的和与输入电压的比例结果。供参考。 双运放恒流源有两个显著特点:1.负载可以接地;2.输出电流可以是双向输出或交流输出(通常以双电源供电为前提条件)。单电源供电时，双运放恒流源的第2个特长也就不存在了--即只能输出单向电流，所用运放也必须是单电源运放。当V2为零，即接地时，根据公式可计算得到输出电流的极性与流向；此时输出电流的大小、极性由V3控制(以双电源供电为前提条件) vi转换和恒流源电路图如下所示:
数控恒流源设计与总结报告 摘要：本设计以89C52为主控器件，采用了高共模抑制比低温漂的运算放大器OP07和大功率场效应管IRF640构成恒流源，通过12位A/D、D/A转换芯片，完成了单片机对输出电流的实时检测和实时控制，控制界面直观、简洁，具有良好的人机交互性能，人机接口采用4*4键盘及LCD液晶显示器。该系统电流输出范围为20mA～2000mA的数控直流电流源。该电流源具有电流可预置，1mA步进，同时显示给定值和实测值等功能。 关键词：89C52 恒流源AD DA
1 系统设计 设计并制作数控直流电流源。输入交流200～240V，50Hz；输出直流电压≤10V。其原理示意图如下所示。 图1.1 数控直流电流源原理示意图 1.1设计要求 题目要求设计并制作数控直流电流源。输入交流200～240V，50Hz；输出直流电压≤10V。其要求如下: 1.1.1 基本要求 （1）输出电流范围：200mA～2000mA； （2）可设置并显示输出电流给定值，要求输出电流与给定值偏差的绝对值≤给定值的1％+10 mA； （3）具有“+”、“-”步进调整功能，步进≤10mA； （4）改变负载电阻，输出电压在10V以内变化时，要求输出电流变化的绝对值≤输出电流值的1％+10 mA； （5）纹波电流≤2mA； （6）自制电源。 1.1.2 发挥部分 （1）输出电流范围为20mA～2000mA，步进1mA； （2）设计、制作测量并显示输出电流的装置(可同时或交替显示电流的给定值和实测值)，测量误差的绝对值≤测量值的0.1％+3个字； （3）改变负载电阻，输出电压在10V以内变化时，要求输出电流变化的绝对值≤输出电流值的0.1％+1 mA； （4）纹波电流≤0.2mA； （5）其他。
下图是由TL431及几个三极管组成的高精度恒流源电路,精度和温度特性良好.恒流电源I=2*2.5/R1. R1=2.5/Iout 由集成温度传感器LM334构成的接近于零温漂的恒流源电路
1 恒流源阻值检测电路 恒流源法是指向电阻Rx(电阻式位置传感器阻值)提供恒定电流Is，通过测量输出端电压Ux可以计算出电阻值Rx的方法，如图1所示。输出电压关系式为
恒流源的产生方法很多，本文利用运算放大器OP07产生，如图2所示，由OP07组成负反馈电路，正相输入端为固定电压Ui，则反相输入端也为Ui，由于OP07的输入阻抗极高，输入端可以认为不吸入电流，因此从R电阻上流过的电流大小固定，而且一定等于OP07输出端流过电阻Rx的电流，由此得出电流Is的关系式为 但实际使用中发现，恒流效果并不理想，究其原因是运算放大器正相输入端电压的稳定性不好造成的。解决的办法是利用高精度的恒压源AD581输出稳定电压作为运算放大器正相输入端电压，有效地提高了恒流效果，最终的电阻值测量电路如图3所示。 2 电压转换电路 为了把电阻式位置传感器输出的电压信号转换成-5V～5V范围送入数据采集卡，以满足计算机检测的需要，还需要利用运算放大器OP07设计电压放大器、电压跟随器和减法器组成调理电路。 根据运算放大器工作原理可知，图4中图3电阻值测量电路 由式(3)得闭环电压放大倍数为： 这样就形成了电压放大器，电压放大倍数与运算放大器本身的参数无关。 式(4)中，当R1→∞(断开)或RF=0时，则 这样就形成了电压跟随器，电压跟随器能有效地提高电压输入信号的阻抗。
由图5可列出关系式 根据运算放大器工作原理可知u-≈u+，由式(6)可得出 当R1=R2=R3=RF时，式（7）变为 这样就形成了减法器，减法器的输出电压u0等于两个输入电压的差值。 3 位置检测电路 X2位置检测电路如图6所示，AD581输出的+10V稳定电压经过电阻分压产生+1V的基准电压，根据式(4)将电阻(图6中虚线框电阻)选择为250Ω将会形成4mA的恒定电流。若传感器(图6中的X2)的阻值范围是0～2kΩ，所以4mA恒定电流流过传感器产生0～8V的电压，再加上1V的基准电压，送入由运算放大器OP07制作的减法器的正相输入端是1v～9V范围的电压。另外，AD581输出的+10V稳定电压经过电阻分压产生+5V的电压经过电压跟随器送入减法器的负相输入端。根据减法器的原理，其输出电压范围在-4v～4v，该电压通过放大倍数为1．25的放大器最终形成-5V～5V范围的电压信号，经过稳压二极管限压后，送入数据采集卡的7通道。 4 位置检测电路实验 某型发动机位置检测电路的精度要求是±1‰，同时要求输入一输出严格呈线性关系。下面利用精密电阻模拟X2传感器对X2位置检测电路进行实验，在0～2kΩ范围内每隔250Ω模拟X2传感器阻值，同时测量检测电路输出。实验重复进行三次，然后对三次测量数据取平均值作为实际输出值，并与理论输出值比较，如表1所示。
数控恒流源 1.任务 (2) 2. 单元电路设计 (5) 2.1 稳压电源电路 (5) 2.2.1 单片机最小系统设计 (5) 2.2.2 A/D、D/A电路设计 (6) 2.3 键盘电路设计 (7) 2.4 显示器电路设计 (8) 3. 软件设计 (9) 3.1 软件设计流程图 (10) 3.2 软件功能、算法及源程序： (11) 4. 系统测试 (18) 4.1 测试使用的仪器 (18) 4.2 指标测试和测试结果 (18) 4.2.1 输出电流范围测试 (18) 4.2.2 步进调整测试 (18) 4.2.3 输出电流测试 (18) 4.2.4 结论 (19) 参考文献 (19) 附录1原理图 (19) 单片机最小系统原理图： (19) 矩阵键盘原理图： (20) 附录2 PCB图 (22) 单片机最小系统PCB (22) 4*4矩阵PCB图： (23) 电源模块PCB图： (23) DA转换PCB图： (24) AD转换模块原理图： (24)
1.任务 设计并制作数控直流电流源。输入交流200～240V，50Hz；输出直流电压≤10V。其原理示意图如下所示。 1.1、要求 1.1.1基本要求 （1）输出电流范围：200mA～2000mA； （2）可设置并显示输出电流给定值，要求输出电流与给定值偏差的绝对值≤给定值的1％+10 mA； （3）具有“+”、“-”步进调整功能，步进≤10mA； （4）改变负载电阻，输出电压在10V以内变化时，要求输出电流变化的绝对值≤输出电流值的1％+10 mA； （5）纹波电流≤2mA； （6）自制电源。 1.1.2发挥部分 （1）输出电流范围为20mA～2000mA，步进1mA； （2）设计、制作测量并显示输出电流的装置(可同时或交替显示电流的给定值和实测值)，测量误差的绝对值≤测量值的0.1％+3个字； （3）改变负载电阻，输出电压在10V以内变化时，要求输出电流变化的绝对值≤输出电流值的0.1％+1 mA； （4）纹波电流≤0.2mA； （5）其他。 1.2 总体设计方案 经初步分析设计要求，得出总体电路由以下几部分组成：电源模块，控制模块（包括AD、DA