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数控直流电流源
作品功能简介：
在电子作品的设计、应用或测试中，一个稳定、精度高的电源尤为重要，为直流电源的应用更是广泛。本作品就是为其它设计的应用或测试提供一个稳定性高、精度高的直流电流源。
本组的作品的设计方向就是稳定性高、精度高、纹波小、驱动能力强。
本作品有两个个主要功能：
功能一：输出20到2000mA的稳定电流，并且步进值可调（1mA、5mA、10mA、100mA）。
功能二：可实时测试并显示负载上的电流值。
功能三：有相应的提示功能。
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（一） 方案论证与比较
从控制论的角度来看，某一系统要达到较高的控制精度，必须采用闭环控制。闭环的电流控制系统可以由如下的原理框图来表示：
由上述原理框图可以知道，数控直流电流源的设计主要考虑三个方面的问题：电流控制器设计、功率放大电路设计和电流检测方法。此外，从电子系统设计的角度，还需考虑系统电源的设计。
1．电流控制器设计
电流控制可以有多种方案，如基于PWM技术的开关电源方案、基于模拟器件的模拟反馈压控方案、以及基于微控制器的数字反馈数控方案。
方案一：基于PWM技术的开关电源方案。通过PWM技术来调节开关电源的电压输出，控制PWM信号的调制脉宽就可以控制输出电压，从而达到控制输出电流的目的。该方案适合要求高功率输出的交流系统，同时电源效率上具有很大的优势，但是开关电源必然引入纹波噪声，在高精度要求的直流系统中，对滤波电路的要求非常高,难以实现。题目对电流精度及纹波要求很高，该方案难以胜任。
方案二：基于模拟器件的模拟反馈压控方案。该方案采用三极管或集成运放，组成电流串联负反馈电路，三级管或运放工作在深度负反馈状态下，具有良好的压控恒流特性。典型的电路结构如图2所示。图2中，Re相当于取样电阻，输出RL上的电流通过Re在运放的输入端形成负反馈，由运放的虚短虚断，忽略三极管的基极电流，则可得到输出电流IL的表达式：
（数控加工）数控直流电流源设计报告
数控直流电流源
一、 设计任务和技术要求
1. 设计壹个数控直流电流源。
2. 输出电流0～99mA，手动步进1mA增、减可调，误差不大于0.01mA。
3. 具有输出电流大小的数码显示。
4. 负载供电电压+12V，负载等效阻值100Ω。
5. 电路应具有对负载驱动电流较好的线性控制特性。
6. 设计电路工作的直流供电电源电路。
二、 系统原理概述
本设计要求设计出壹个数控的直流电源，且且输出电流为0～99mA，能够手动控制增减。在此采用数模转换的原理，只要产生和0～99mA电流相对应的数字量（我们取数字量为0～99），再使用D/A转换器转换为模拟电压量，最后再用V/I转换器将电压量转换为和电压量相对应的电流量即可。为控制输出电流手动步进为1mA增、减可调，我们只要保证数字量（0～99）——电压量（0～9.9V）——电流量（0～99mA）相对应，通过控制数字量手动增减步进为1可调即可。
综上，整个系统的原理框图如图壹所示：
三、 方案论证
1. 直流稳压电源电路单元
小功率稳压电源由电源变压器、整流电路、滤波电路和稳压电路四个部分组成。如图二所示：
图二稳压电源组成示意图
方案壹：输出可调的开关电源
开关电源的功能元件工作在开关状态，因而效率高，输出功率大；且容易实现短路保护和过流保护，可是电路比较复杂，设计繁琐，在低输出电压时开关频率低，纹波大，稳定度极差，因此在本设计中不适合此方案。 图一 系统原理框图 电压—电流转换单元 手动增减数字量产生单元 D/A转换与精度调节单元
数码显示单元
直流稳压电源电路单元 方案二：由固定式三端稳压器组成
由固定式三端稳压器（7805、7812、7912）输出脚V0、输入脚Vi和接地脚GND组成，它们的输入端接电容能够进壹步滤波，输出端接电容能够改善负载的瞬间影响，且且此电路也比较稳定，实现简单。
因此在此采用方案二，电路原理图如图三所示：
第ｌ９卷第４期 ２００６年８月 常州工学院学报 Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｃｈａｎｇｚｈｏｕ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｖｏ１．１９ Ｎｏ．４ Ａｕｇ．２００６
数控恒流源设计 吴志祥徐磊 方晓毅 彭 颖 （常州工学院电子信息与电气工程学院，江苏常州２１３００２）
摘要：针对数控直流恒流源的设计进行了探讨，其中涉及恒流电路、ＳＯＣ系统和电源供给等。 结果表明，在ｌ０～２ ０００ ｍＡ的电流范围内，实现了ｌ ｍＡ的恒流精度或更高。 关键词：恒流源；ＳＯＣ；数控 中图分类号：ＴＮ８６ 文献标识码：Ａ 文章编号：１６７１—０４３６（２００６）０４—０００５—０４
恒流源是模拟系统中广泛使用的一种单元电 路或测试平台，在实际工程中也有广泛的用途，是 电导测量、开关电源、功放等场合不可替代的检测 设备。系统由直流电源、恒流模块、ＳＯＣ（ｓｙｓｔｅｍ ｏｎ ｃｈｉｐ）控制部分等组成。整机的恒流参数由 ＳＯＣ键盘设定和显示器显示。硬件设计应用了 ＥＤＡ技术，软件设计采用基于Ｃ５１的模块化设计 思想。其结果实现了在１０～２ ０００ ｍＡ的电流范 围内，电流恒定为１ ｍＡ的准确度。本文就恒流 源电路、ＳＯＣ控制、电源部分等进行探讨。 １ 总体框图 总体设计见图１。系统由两级降压获得内部 工作源。首先经过变压器隔离高压并转换为低 压，既提高系统的可靠性，又给调试带来方便。后 经开关式ＤＣ／ＤＣ变换调节，实现恒定电压的供 给。通过Ｖ／Ｉ电路转换，采用“硬反馈”恒流输出 方式，实现恒定电流的输出。Ｖ／Ｉ电路的给定电 压值，由ＳＯＣ产生，并可由键盘设定，实现“快 速”与“微调”的给定设置。 ＳＯＣ片上系统外接按键与显示，并采样恒流 输出电流和输出电压值，实现精细校正补偿调节 和最大负载电阻（电压）的限定。 系统中设置电流采样电阻Ｒ ，监视恒流值极 值大小，为“超程”限制提供输入信号。系统采用 收稿日期：２００５—１２－２３ 以开环为主的局部闭环控制方式，实现了良好的 动态跟踪性能与恒流特性。
1 1.1 设计任务
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1≤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；
1.2 设计思路
采用改进型的单输出端单向电流源电路来产生恒定电流。该方法是用精密电阻取样得到反馈电压，将反馈电压与高精度的参考电压比较得到误差电压，此误差电压经放大后输出控制调整管的导通程度，使预设电流值和实测电流值的逐步逼近，直至相等，从而达到数控的目的。
1.3 恒流源电路的设计
采用运放和场效应管的压控恒流源。电路原理图如上图所示。该恒流源电路由电压跟随器、大功率场效应管Q采样电阻R1、负载电阻RL等组成硬件设计。
2 18001)2002000(mAmA采用场效应管，更易于实现电压线性控制电流，既能满足输出电流最大达到2A的要求，电路简洁也能较好地实现电压近似线性地控制电流。此电路中，为了满足题目的设计要求，调整管采用大功率场效应管IRF640。当场效应管工作于饱和区时，漏电流Id近似为电压Ugs控制的电流。即当Ud为常数时，满足：Id=f（Ugs），只要Ugs不变，Id就不变。在此电路中，R1为取样电阻，采用康铜丝绕制（阻值随温度的变化较小）阻值为0.5Ω。运放TI公司的LM308作为电压跟随器，Uin=Up=Un，场效应管Id=Is(栅极电流相对很小，可忽略不计) 所以Iout=Is= Un/R2= Uin/R2。正因为Iout=Uin/R1，电路输入电压UI控制电流Iout，即Iout不随RL的变化而变化，从而实现压控恒流。
1.4 负载电压、电流电路的设计
考虑电路综合各方面的考虑因素在里面，由于TLC2543所测电压值在5V内，而负载一端接15V电压源另一端接功率管，因此采用差分增益电路采样负载电压，当Rb/Rc=Rd/Ra时，LM308输出电压ADin=Rb/Rc(Va-Vb)，硬件设置Rb/Rc=1/4，软件还原负载电压，保证测量精度。而采样精密电阻R1为0.5Ω，通过采样R1两端电压值乘以2换算成电流值即可得到输出电流。
