数控恒流源设计

第 19卷第 4期 2006年 8月 常 州 工学 院 学报 Journa l o f Changzhou Institute of Techno logy Vo.l 19 No. 4 Aug. 2006 收稿日期: 2005-12-23 数控恒流源 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 吴志祥 徐 磊 方晓毅 彭 颖 (常州工学院电子信息与电气 工程 路基工程安全技术交底工程项目施工成本控制工程量增项单年度零星工程技术标正投影法基本原理 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 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 明,在 10~ 2 000 mA的电流范围内,实现了 1 mA的恒流精度或更高。 关键词:恒流源; SOC;数控 中图分类号: TN 86 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0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 0 与 /微调 0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 RS,监视恒流值极 值大小,为 /超程 0限制提供输入信号。系统采用 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。 图 1 数控恒流源总体框图 2 恒流源电路 恒流源电路是整个系统的关键, 电路如图 2 所示。 图 2 恒流源电路 常州工学院学报 恒流源系统电路是由运算放大器、反馈电阻 和电流放大三极管等组成 [ 1 - 2 ]。电路采用自举反 馈式结构, R1、R2为电流取样负反馈, R3、R 4为恒 流电流在负载上形成的电压反馈。T为 (复合 )三 极管电流放大。R S为恒电流输出取样电阻, 因此 需要采用高精度电阻。运用运算放大器电路 /虚 端 0特性,有: U - = Uo R 1 + R2 R 1 (1) U + = V in R 3 + R4 R 4 + Uf R 3 + R 4 R 3 (2) Io= U o - Uf R S (3) 令 R1 = R3, R2 = R4,得 Io= V in R S (4) 可见输出电流仅与控制电压 V in和电流取样 电阻 R S有关,且成线性关系。同时,精确配对 R1 和 R3、R2和 R 4是必要的。由式 (4)可知, 恒流输 出电流的大小,在一定的控制电压幅度下,能通过 RS方便地设置最大值。 实验电路中,考虑集成运算放大器的漂移和 噪声问题。普通运算放大器的漂移和失调电压可 达几十 LV /e ,而 ICL7650的失调电压温漂仅为 0. 01 LV /e , 并具有极高的共模抑制比, 是一款 性价比较高的运算放大器。 电流放大由 3级三极管复合而成,保证输出 电流和调节功率。 3 SOC的应用设计 与标准版的 8051单片机不同,随着单片机技 术的迅速发展, 集成了众多功能的新一代单片机 ( SOC )整合了 A /D、D /A、PWM、CCU、E2ROM等 功能, 改变了传统设计思路。其中飞利浦公司出 品的 LPC900系列芯片 [ 3]便是一款高速的 SOC。 支持双数据指针,内部 PPL和 2周期等先进功能。 其中片内的 PPL锁相环实现了 32倍频, 三通道 16位 PWM (脉宽调制 )高速输出, 有利于实现高 性能控制需要。 本设计中,采用片内 16位 PWM功能实现准 D /A输出,控制恒流模块的给定电压 V in。 采用内部 RC振荡器,设 PWM输出频率为 10 kH z。 fPWM = m (n + 1) @ 2 @ 32 P ( 5) 其中, m 为 SOC系统工作频率 ( CCLK ) ; n为 预分频数; p为 PWM16位印象寄存器中的预置值 ( TOR2 )。 由式 ( 5 )计算得到 PWM 的分辨率为: 1 /5 862。完全满足系统设计分辩率的需要。 PWM输出的方波,经 2级 RC滤波电路,获取 直流分量。 图 3 二阶滤波电路 A ( S ) = A 0X 2 n S 2 + Xn Q S + X 2 n ( 6) 式 (6)中, A 0为放大倍数; Xn为截至频率, 取 为 10. 2 kHz。 按此原理,可获得电路的具体参数。 其仿真与实验结果显示, 滤波转换电路输出 的交流纹波仅为 0. 4 mV。 4 电源供给 考虑 2 000 mA的最大电流输出, 在本设计 中,采用了混合式电源。先经工频变压器降压, 后 有开关式电源稳压, 方便调试,又有较高效率和较 小的体积。 LT1074是一款 L iner出品的降压调压芯片, 具有输出功率大 ( 5 A ), 工作频率高 ( 100 kH z)、 最大 (短路 )电流限制等优点。组成的稳压电路 结构见图 4。 6 2006年 第 4期 图 4 稳压电路 图 4中 R11、C4为频率补偿,改善 0b~ 180b的 频率平坦特性, R12、R13为电压输出反馈取样。D 1 为续流二极管, L1为平流电感。 C4 = 10ms 23ms /LF = 0. 47LF R 11 = 3m s C 4 = 6. 4 k8 其中,连续电流模式下的平流电感为 Lm in = a# Le # V 2 L (P c ) 2 # f ( 2# 2d p )# Ve ( p- 2 p ) (7) 其中 a、d、p为线圈常数; Le 为线圈效率; VL 为 L1两端等效电压; Pc为电感的总损耗; L为电 感量; Ve为有效磁心体积。 将相关参数代入式 (7),可得电感量为 L1 = 32 LH。 5 系统软件设计 SOC系统软件, 主要有按键、显示、PWM输出 和 /极限值0反馈检测等组成,见图 5。按键处理模 块,实现恒流电流参数的设定,通过 LCD显示器显 示。最小值为 10mA,最大值为 2 000mA。按键程 序设计时,考虑了 /快速0与 /步进0的双重功能, 便 于快速而又精确地设定电流值。 系统读取 A /D值, 获得负载电阻上的电压和 电流实际值。当负载电阻上的电压值 /大 0时,说 明负载电阻值过大。由于恒流电路供电电压的限 制和恒流输出器件功耗的限制 (饱和压降为 1 V ),超越了设计范围时, 有 /警告 0显示。例如, 电压值为 15V,最小恒流值为 10mA的最大负载 电阻为: ( 15- 1) /0. 01 = 1 400 8。同理可得, 当 恒流电流为 2A时,最小负载电阻为 0. 21 8。 图 5 软件流程图 为了提高恒流精度指标, 软件中设置了 /精 细补偿0调整模块。依据 /给定电流0 ( Ie )与实际 负载电流 ( If )的偏差 (v I )按 / PI0规律补偿调整, 进一步提高了整体系统的恒流精度。 系统采用二行 16字符 LCD显示, 分别显示 设定电流值、实际电流值、负载电压值和折算回的 电阻值,以及警告符号等参数。 软件设计采用基于 C51的模块化设计思想, 清晰直观,调试快捷。 6 系统实验结果 恒流限定电阻为 R S 取值 0. 33 8 , 采用 HP3478A高精度数字表和 ZX74E直流电阻箱 ( 0. 01准确度 )等设备测量电流,系统实验结果如表 1 和表 2。 7吴志祥, 徐磊,方晓毅,等:数控恒流源设计 常州工学院学报 表 1 改变给定值时的恒流精度 mA 设定值 测量值 10 10. 001 20 20. 001 100 100. 01 500 499. 98 1 000 999. 98 1 500 1 499. 8 1 900 1 900. 0 1 990 1 990. 1 1 999 1 998. 9 表 2 改变负载电阻时的恒流精度 负载 (8 ) 恒流 (mA) 1 99. 999 8 2 99. 999 8 10 99. 999 7 30 99. 999 8 50 99. 999 8 70 99. 999 8 90 99. 999 9 99 99. 999 8 100 99. 999 8 表 1为恒定负载电阻 ( 1 8 ), 改变设定电流 和实际电流的数据。表 2为设定电流不变 ( 100 mA),负载电阻变化后的实测电流值。数据表明, 本设计具有很高的恒流精度。 7 结束语 在本设计中, 采用了以 SOC为主控、硬件恒 流电路相结合的设计方法。前者具有很强的 PWM功能,经过 2阶 RC滤波后, 获取直流分量, 是一种实现高分辨率 D /A的方法。后者以硬件 反馈为手段,既降低了系统软件的任务,又有很强 的恒流特性。功率电源采用先降压后稳压的方 式,便于调试, 并提高了可靠性。有 SOC担任的 /精细0补偿调整,提供了一种实现高精度恒流源 的思想。实验数据表明, 本设计达到了较高的技 术指标,可直接应用于各种场合。同时,本设计采 用了模块化 (单元化 )设计, 亦给维修提供了便 利。电路参数稍加改变,可进一步增大恒流值, 扩 大量程,能广泛应用于工程实践与科学实验中。 [参考文献 ] [ 1]童诗白.模拟电子技术基础 [ M ] . 北京: 高等教育出版社, 2001. [ 2]蔡锦福.运算放大器原理与应用 [M ] . 北京: 科学出版社, 2005. [ 3]周立功. LPC 900系列单片机应用技术 ( 上册 三年级上册必备古诗语文八年级上册教案下载人教社三年级上册数学 pdf四年级上册口算下载三年级数学教材上册pdf ) [M ]. 北京:北 京航空航天大学出版社, 2004. The D igitalConstants-current Source Design WU Zhi-x iang XU L ei FANG X iao-yi PENG Ying ( S chool ofE lectron ic In form ation& E lectric Eng ineering, Changzhou Inst itu te of Techn ology, C hangzhou 213002 ) Abstract: Th is paper briefly introduces the constants-curren t source design, wh ich adopted SOC and in- vo lved constants-current circuit and pow er supply. And the design turned out to have 1mA or h igher precision w ith in the e lectric current of 10~ 2 000mA. Key words: constan-t curren;t SOC; d ig ital contro l 责任编辑:张秀兰 8 2006年