恒流源16组
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设
计
报
告
设计题目：数控直流电流源
摘要：本设计主要以PIC16F877A为核心,由数字控制电路、直流电流源、扩流电路和采样
电路组成。
在一定的基准电压下，由PIC16F877A控制数字控制电路中数字电位器的阻值而达到控制输出电压的目的。
输出的电压经过由运放构成的恒流源电路转化成一定值的电流，
为了输出较大的电流，使电流经过扩流电路。
最后再对电流进行采样，通过单片机内部的A/D转换器转换后显示出来。
关键词:PIC16F877A 数字电位器恒流源
目录
1. 系统设计 (4)
1.1设计要求 (4)
1.1.1 基本要求 (4)
1.1.2 发挥部分 (4)
1.2设计方案 (4)
1.2.1 设计思路 (4)
1.2.2 方案论证与比较 (4)
2. 单元电路设计 (5)
2.1D/A转换模块 (5)
2.1.1 电路组成 (5)
2.1.2 工作原理 (6)
2.2恒流源模块 (6)
2.2.1 电路组成 (6)
2.2.2 工作原理 (6)
2.2.3 参数选择 (7)
2.3采样电流模块 (7)
2.3.1 电路组成 (7)
2.3.2 工作原理 (7)
2.3.3 参数选择 (7)
3 软件设计 (8)
3.1软件平台和开发工具 (8)
3.2软件实现的功能 (8)
3.3主程序设计 (8)
4. 系统测试 (9)
4.1测试仪器 (9)
4.2数据测量 (9)
4.2数据分析 (10)
5. 结论 (10)
6. 参考文献 (10)
7.附录 (11)
7.1元器件清单 (11)
7.2原理图和PCB图 (11)
1. 系统设计
1.1 设计要求
1.1.1 基本要求
（1）输出电流范围:200mA～2000mA；
（2）可显示设置及输出电流值,要求输出电流与设置值偏差的绝对值≤给定值的1﹪+10mA；（3）具有实时“+”、“-”步进调整功能，≤10mA；
（4）改变负载电阻(1～5Ω)，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﹪+10mA；
（5）纹波电流≤2mA。
1.1.2 发挥部分
要有自动跟踪电流变化的反馈系统。
1.2 设计方案
1.2.1 设计思路
系统的设计框图如图1所示,系统以PIC16F877A为核心，由数据电位器MCP41010构成D/A转换电路，运放实现电压到电流的转换和电流的采样，达林顿管实现电流扩流，同时，电路中还包含了按键模块和显示模块。
通过单片机控制D/A输出电压，使输出电压经过恒流源电路，将电压转化成恒定的电流。
恒定电流经过达林顿管后放大了电流，使负载电流可达设计要求的最大值。
按键模块可以对输出电流按每次10mA进行加减，显示模块分别显示设定的电流和采样电流值。
1.2.2
（1）单片机控制模块
图1 系统设计框图
方案一:采用ATMEL公司的AT89C51单片机作为系统的控制器。
89系列单片机算术运算功能强，软件编写灵活、自由度大，可用软件编程实现各种算法和逻辑控制，并
有功耗低、体积小、技术成熟和成本低等优点。
但89C51单片机外围资源少，指
令多为双周期，抗干扰能力不强。
方案二: 采用PIC16F877A单片机作为系统控制器。
PIC单片机具有89C51单片机的上述优点。
PIC系列单片机指令系统设计精炼，且具有性能完善、功能强大、开发应
用方便以及人机界面友好等突出优点，系统具有更高的性价比。
基于以上分析采用方案二。
（2）数字控制模块
方案一: 采用数字电位器MCP41010实现A/D转换，数字电位器MCP41010是一种常用的数模转换器件。
它采用SPI接口技术,而且直接采用数字式电子器，只需要用到一
个差动电压放大电路，不用再用其它的硬件设备，数据传输时所需要的I/O口仅
3个。
在静态工作时功率损耗小、转换精度及速度适中，产生的纹波较小，基本
可以满足本次设计的需求。
方案二: 采用DAC0832进行A/D转换，它是8位并行的D/A转换器，可同时输出8位数据，具有输出速度快、产生纹波小、编程简单的特点，但其需要多个I/O口作为输入
口，虽然在设计中用到的PIC16F877A作为控制单片机，I/O口资源较为丰富，
但考虑到硬件的可扩展性，故不把其列入考虑范围。
基于以上分析采用方案一。
（3）恒流源模块
方案一: 可用稳压管与电阻并联构成恒流电路，电流等于稳压管的稳压值与电阻的比值，此恒流电路虽简单但电流不可调，因为电阻两端电压被稳压管稳定为一个定值。
方案二: 由同相放大组成的恒流电源电路。
只要通过控制同相放大器的同相端输入电压，就可以控制恒流的大小，结构简单，控制方便，可以达到较理想的恒流效果。
基于以上分析采用方案二。
2. 单元电路设计
2.1 D/A转换模块
2.1.1 电路组成
该模块的电路原理图如图1所示。
2.1.2 工作原理
MCP41010中的PW0、PBO 、PAO 实为一电位器，PAO 接基准电压，PW0为中间的抽头，PBO 接地。
其输出的电压值受单片机的控制，输出电压值256
56.2V
D V IN ⨯=
（D 为单片机的输出
值，2.56V 为基准电压），输出电压经过电压跟随器减少电路的干扰，并提高电路的带负载能力。
经过此电路，便完成了数字信号到模拟信号的转换。
2.2 恒流源模块
2.2.1 电路组成
恒流源电路原理图如图4所示。
2.2.2 工作原理
恒流源电路由运放构成，根据运放虚短的特点，有-+=U U 。
由图4可知+U 的电压为
in V U =+ (1)
-U 的电位为
O O IR U U ==-1 (2)
由公式（1）、（2）可知
R V I in
=
……………………………………(3) 由公式（3）可知L R 的电流只取决于输入的电压大小，因此当电压值恒定时输出的电
流便恒定了。
此电路输出的电流在10mA 以下，为了使电流达到设计要求的2A ，因此，加入了达林顿管（TIP122）进行扩流。
2.2.3 参数选择
1．流过o R 的最大电流为2A ，最大的功率为4W ，所以选取1Ω/5W 。
2.若取L R =5Ω，流过L R 的电流为2A ，则三极管所要承受的功率为16W,因此选用TIP122，其可承受的功率为65W ，电流为8A 。
2.3 采样电流模块
2.3.1 电路组成
采样电流模块的原理图如图5所示。
2.3.2 工作原理
因为电流信号不能被单片机采样，故将电路经过同向运放电路转化成电压信号。
将放大后的结果微调后送给单片机进行A/D 转换。
2.3.3 参数选择
本设计将电路的放大倍数可在1倍左右微调，考虑到电阻本身阻值不是很精确,因此实际电路采用一电位器调节放大倍数,使放大倍数比较精确，所以取W R =5k ，1R =2k ，2R =4k7。
3 软件设计
3.1 软件平台和开发工具
本系统采用的开发平台是MPLAB IDE，开发工具为MPLAB ICD2。
PIC16F877A单片机指令系统共有35条指令，PIC16F877A采用哈佛结构设计，两级流水线取指令方式，具有开发容易，周期短，高速，低功耗，且功能强等特点，给阅读和使用都带来了极大的方便。
本设计采用的时钟晶振为4MHZ,故每条指令周期为1us。
3.2 软件实现的功能
系统的软件设计采用PIC的汇编语言进行编写，对单片机进行编程实现各项功能。
软件实现的功能是：
1.通过编程，实现由单片机控制MCP41010的输出电压值；
2.通过按键控制步进数，实现控制MCP41010输出电压的步进值，步进值为10mA每步；
3.使数码管动态显示设定的电流和采样输出的电流值；
3.3 主程序设计
总流程图采用模块化结构。
按模块编程，便于对程序进行修改。
软件模块按功能划分，是以函数的形式设计的，程序分别对各个功能进行调用，各个模块功能清晰明了。
当2.5mS 为奇次时进行显示扫描，当为偶次时进行显示扫描和键扫描,ANO模块显示采集,并根据状态值处理相应的模Array块，实现了按功能分
块。
流程图如图6
所示。
4. 系统测试4.1 测试仪器
4.2 数据测量
系统测量各个模块的电流值如表1所示。
表1 电流测量数据表
4.2 数据分析
由表1中的数据可知，输出电流与给定值偏差的绝对值小于给定值的1﹪+10mA，符合要求。
5. 结论
本设计主要完成了设计的基本要求和基本指标，能通过按键调整电流步进值，按每步10mA进行加或减；能预置输出电流值并同时显示预置值和实测值，可很好的达到数控恒流源的目的，但纹波较大，电路还须进一步改进，以消除纹波。
6. 参考文献
[1]周小方. 张华林.电子设计竞赛实训教程[M].北京: 北京航空航天大学出版社,2007,7
[2]华成英. 童诗白.模拟电子技术基础[M].北京:高等教学出版社,2006
7.附录
7.1 元器件清单
7.2 原理图和PCB图。
