评审等级 南 京 师 范 大 学
电气与自动化工程学院
设 计 报 告
数控直流电流源（D题）
组别：第2组
姓名：钟汝莹、张雅婷、刘事成
F-1
一、摘要
恒流电流源是电子设备和仪器中常用的一种电源，本次以MSP430G2553单片机为核心作为控制器，可以连续设定20mA～2A的电流，输出PWM波来控制最后的电流，输出电流通过1Ω的采样电阻转换为电压输入给单片机，该系统结构简单，工作稳定，成本低廉，纹波较小。
关键词：直流电流源、数控、单片机。
二、设计原理概述
如图为数控直流电流源的系统结构框图。
图2-1 数控直流电流源的系统结构框图
为达到通过单片机对输出电流值的设定来实现输出恒定电流，同时将输出电流实际值与设定值显示在液晶屏的目的，它应该由单片机，LCD显示屏，滤波电路，稳流电路组成。
单片机用于产生不同占空比的PWM波以及将设定电流值与实际输出电流值显示在LCD显示屏上；滤波电路用于滤除单片机输出的PWM波中的高频分量，从而得到PWM波中的直流分量；稳流电路通过V/I转换将滤得的直流电压分量转化为稳定的电流。数控直流电流源用于实现在带不同负载下输出恒定电流的目的。
三、模块电路方案论证
1、数控模块
根据课题要求，数控模块部分应将单片机设定的电流值转化为对应的电压值输出，作为后续电路的控制电压。
方案一：由DAC1208构成的数模转换电路
如图3-1所示，该电路通过单片机的11个接口并行输出11位二进制码，通过数模转换将单片机设定的电流值转换为控制电压输入给V/I转换器，并行结构的数据转换器的基本思想是：同时比较待转换的信号电平与所有级别的量化电平之间的关系，在模拟信号和数字信号之间相互转换，并行结构只需要一级模拟电路。因此该电路能实现对数字信号与模拟信号的高速转换，可对电流变化及时作出响应，但考虑到LCD显示屏需要用到单片机的13个接口以及电压反馈输入接口，使得单片机的输出口受到限制，同时，该电路成本较高，性价比较低，电路相对复杂，因此该方案不宜采用。
F-2
U1单片机123456789101112CSWR1GNDDI5DI4DI3DI2DI1DI0VREFRFBGNDDAC1208VCCBYTE1/2WR2XFERDI6DI7DI8DI9DI10DI11IOUT2IOUT1242322212019181716151413U2:A8312控制电压4RV11k50%TL072 图3-1并行12位D/A转换器
方案二：由MAX5822构成的数模转换电路
如图3-2所示，该电路通过单片机的1个接口串行输出12位二进制码（其中最高位为0），通过数模转换将单片机设定的电流值转换为控制电压输入给V/I转换器，该电路极大地减少了对单片机输出端口数的需求，并且能实现对数字信号与模拟信号的转换，符合课题要求，但考虑到该芯片是串行输入，使得该电路的运行速度大大的减慢，不能对电流变化及时响应。同时，该电路成本较高，性价比较低，因此该方案不宜采用。
+5vU1cp45SCLSDAADDMAX5822OUTAOUTBREF786output单片机输入3+2v 图3-2 串行12位D/A转换器
方案三：由单片机系统和滤波电路实现控制的电压输出。
本次课题采用型号为MSP430g2553单片机根据设定的电流值从而输出不同占空比的高频的PWM波，再将输出的PWM波通过二阶低通滤波器，滤掉PWM波中的高频成分，从而实现将单片机设置的电流值转化为控制电压输出。该方案采用单片机系统，虽然采用滤波电路，对输出的电压值有一定程度的衰减，但可通过后级放大电路进行相应调整，且电路结构相对简单，极大的减少了电路的成本，且运行速度相对较快。
综上所述，以上三种方案均能实现课题设计要求，但方案一的电路结构比较复杂，而方案二电路运行速度相对较慢，所以本课题采用方案三。 2.滤波电路模块
根据课题要求，滤波电路模块需要滤除PWM波中的高频成分，从而得到直流分量。 方案一：由RC构成的无源高阶滤波电路
如图3-3为无源二阶滤波电路，利用电容通高频阻低频的特性，使一定频率范围内的频率通过，输入输出波形间较小衰减。
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RV1RV1(1)5k50%RV210k50á1uFC31uF 图3-3 由RC构成的二阶无源低通滤波电路
方案二：由集成运放和RC网络构成的二阶有源低通滤波电路
如图3-4所示，二阶有源低通滤波电路是由两级RC滤波电路和同相比例放大电路组成，其同样具有输入阻抗高，输出阻抗低，并且滤波效果更好，但同样存在着信号衰减的缺点。
图3-4由集成运放和RC网络构成的二阶有源低通滤波电路
方案三：由集成运放和RC网络构成的二阶低通无源滤波电
如图3-5所示，在一级RC低通滤波电路的输出端再加上一个同相放大电路，其输入阻抗无穷大，使得其具有比较强的带负载能力，同时能通过放大，将滤波输出的电压值得到一定的放大，弥补了滤波电路对电压值的衰减。虽然该电路较以上电路显得复杂，但其既能达到滤波目的，又能将衰减掉的信号得到一定的放大。
+15vU1:AR11kR21k3124-15v8TL072C14.7uFC24.7uFRV110k16%R35k 图3-5由集成运放和RC网络构成的二阶无源低通滤波电路
综上所述，以上三种方案均能满足课题要求，但方案三既能进行滤波，同时又可以将衰减的信号进行适当的放大，因此本课题选用方案三。
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3.恒流源电路模块
根据课题要求，恒流源模块需要将控制电压转换为恒定的电流值输出。 方案一：由CMOS管构成的V/I转换电路
如图3-6所示，该电路由集成运放和场效应管共同构成了V/I转换电路，在该电路中，运放工作在深度负反馈状态，根据虚短虚断，使得输出电流值为采样电阻两端的电压，又因为该电路存在电流反馈，可以输出稳定的电流。同时，在采样电阻与集成运放的反相输入端加了电压跟随器，可以防止采样电阻处的电流流到反馈支路中去，从而产生电压的衰减。同时又由于场效应管为电压控制型器件，且温度特性好，因此该模块电路采用CMOS管将数控模块输出的控制电压转化为恒定的电流。
+15RL50050%U1:B8U1:B(+IP)576R21kQ1VN664TL072-15U1:A8312R3TL07214 图3-6 由IRFP240构成的V/I转换电路
方案二：由三极管构成的V/I转换电路
如图3-7所示，该电路由集成运放和三极管共同构成了V/I转换电路，在该电路中，运放工作在深度负反馈状态，根据虚短虚断，使得输出电流值为采样电阻两端的电压，又因为该电路存在电流反馈，可以输出稳定的电流。但三极管是温敏器件，受温度的影响较大。
RV1500+1562%Q22N3702U1:BR1(1)R110k8576R22kQ12SD7584TL072-12R31 图3-7 由三极管构成的V/I转换电路
方案三：由LM317构成的稳流电路
如图3-8所示，利用三端可调集成稳压器LM317的电路，可以通过改变电阻值进行电流的调整。由于需要满足步进为1mA，此电路需要用一个可用单片机控制的数字电位器，来改变电路的可调电阻，从而改变电流。输出电流Io=1.25/Rw1。但由于数字电位器价格昂贵，而且允许通过的电流也达不到2A，所以此方案不合适。
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