“求实杯”合肥学院第五届电子设计大赛设计报告竞赛题目：直流稳流电源（F题）系别班级：电子系06级电子（1）班队员姓名：张悦龙郭登五马婧题目名称：直流稳流电源（F题）摘要：本设计是基于单片机的一种数控电流源,与一般电流源相比具有宽范围电流输出、输入电流可预置、可步进调节输入电流、输出电流及设定电流显示等特点。

它以凌阳SPCE061A作为核心控制器,包括电源、取样放大、A/D和D/A转换、键盘控制与显示等模块。

可以直接通过键盘设置，修改系统的输出电流，使用方便；采用片内自带的A/D、D/A进行检测和控制，控制部分电路简单明了,连线较少,结构紧凑；电源部分由基准源扩流而成，大大提高了电源稳度和精度，电流输出较为平稳；综合测试表明，本恒流源功能较为齐全，输出电流精度较高，使用方便灵活，全面实现了题目的要求。

关键字：ADC DAC 扩流稳流I-V转换1 引言直流稳流电源具有电流输出稳定平滑的特点。

此次设计要求制作完成一个恒流源，其性能指标有：①输出电压≤10V；②输出电流范围200mA~800mA（基本要求），20mA~1000mA(发挥部分)；③步进10mA(基本要求)，步进1mA（发挥部分）；④可预置和调节电流值并对其显示；⑤规定了一些允许的误差范围。

2 系统设计方案2.1 设计思路按照设计要求，本系统采用数控方式实现所要求的功能，键盘和显示器与控制器相连实现电流的预置、步进和显示功能，通过控制器控制DAC产生电流信号，并将之送与电流处理电路产生恒定的电流源，最终的输出电流可以通过电路中的负载电阻检测得到。

（系统原理示意图如图2.1）图2.1 直流稳流源原理示意图2.2 模块方案的论证与比较2.2.1控制模块的选择方案方案一：采用AT89S52单片机进行控制。

用AT89S52进行控制比较简单，但是51 单片机片内资源有限，需要通过外接D/A、A/D才能控制输入输出，电路较复杂。

方案二：采用SPCE061A单片机进行控制。

SPCE061A 凌阳单片机具有强大功能的16 位微控制器，它内部集成7路10位ADC和 2 通道10位DAC，可以直接用于电流测量时的数据采集，以及数字控制输出；I/O 口资源丰富，可以直接完成对键盘输入和显示输出的控制；采用SPCE061A 单片机，能将相当一部分外围器件结合到一起，使用方便，抗干扰性能提高。

所以选择使用方案二。

2.2.2 电源模块的选择方案由于该题要求输出最大电流达1A，输出最大电压达到10V，且纹波电流要求很小，因此对电源的要求比较高，尤其体现在电源的功率和纹波电压的要求。

方案一：采用三端稳压集成电路：一般的三端稳压集成块稳压效果较好，但要达到1A左右的电流输出，稳压块发热严重，输出电流不稳定且带负载能力不强，不能实现稳流目的，若通过并联三极管的方式达到扩流目的，会使得电路较复杂。

方案二：采用三端稳压集成电路外接扩流管这种电路既利用了稳压集成块优秀的稳压性能，又能够有一定的电流输出，在一些高精度的线性稳压电源中被广泛采用。

采用三端稳压集成电路LM7818 驱动达林顿管TIP127，该管最大集电极电流为8A，纹波电压也较小，有着非常优异的性能。

由于本次电路涉及到的模块不多，且要求较高，若使用方案一，电路搭建较复杂，且对并联的稳压块指标要求较高，所以选择使用方案二。

2.2.3电流取样电阻的选择方案由于输出电流通过实验仪器不方便测量，一般采用电阻两端加电压的方法，通过间接计算得到。

因此在产生电流或者测量电流值时，采样电阻的选择非常重要。

方案一：采用普通电阻：在电流比较小的情况下，普通的1/4W 或者1/8W 的电阻可以被用作电流测量，但是本题需要测量的是电流源的输出电流，最大需要达到1 A。

因此即使是比较小的电阻，如1Ω电阻，当通过1A 电流时也会由于功率过大而烧毁。

方案二：采用大功率电阻：为了满足流过大电流的要求，可以采用大功率电阻，当大电流流过时不会烧断，但是会引起电阻发热，导致电阻温度急剧上升，产生比较大的温度漂移。

在测量电流的情况下，测量电流也会随着阻值的温度漂移而产生变化，将造成测量误差变大。

方案三：采用康铜丝电阻。

康铜丝电阻是电流测量中很常用取样电阻，其特点在于温度漂移量非常小，对电流的稳定起了很重要的作用。

另一方面，1Ω的康铜丝约长1m，由于和外界接触面积大，即使通过大电流也能很快的散热，进一步的减小温度漂移带来的影响。

由于康铜丝电阻不容易买到，且通过试验发现当电流最大输出1A时采样电阻发热并不是很严重，考虑到时间问题，我们选择方案二。

3 系统设计3.1 总体设计根据以上的分析，本次设计系统由凌阳16位单片机及其外围电路、DAC转换模块、压控恒流电路、ADC转换模块、显示模块、电源模块等电路组成，系统原理框图如图3.1所示：图3.1 直流稳流电源系统原理框图预置的电流值使用键盘键入并通过单片机处理后由DA给出，通过I-V转换模块将电流信号转换为电压信号后送至压控恒流电路，电路输出电流由恒流电路中的采样电阻换算得到，同时AD对该电路输出电压进行采集，将电压信号换算为电流信号并与预设的电流信号进行比较，之后单片机通过计算二者误差对电路中电流进行调整，最终达到稳流目的。

3.2 单元电路设计3.2.1数模、模数转换器设计根据设计要求，电路需要输出的最大电流为1A，最小步进值为1mA。

凌阳片内自带的DAC为10位，精度可以达到1A/1024=0.001A=1mA，满足要求，所以选择直接使用凌阳内部的DAC作为电流源的输入端。

A/D转换电路是对恒流源电路中的采样电阻进行采样，所得到的数字信号送给单片机处理。

3.2.2I-V转换电路数控部分主要利用SPCE061A 单片机的10 位DAC 实现。

SPCE061A 的DAC 是电流型DAC，需要对地接电阻以得到电压控制量。

对地接个1K电阻，调节得到0~3V 电压。

再经过一个电压跟随器进行隔离，取出控制恒流源的控制电压值。

电路原理图见附录图1所示：3.2.3压控恒流源电路设计压控恒流源是系统的重要组成部分，它的功能是用电压来控制电流的变化，由于系统对输出电流大小和精度的要求比较高，所以选好压控恒流源电路显得特别重要。

（压控恒流源电路原理图如图3.1）图3.1 恒流源电路原理图该恒流源电路由比较放大器、调整管、采样电阻Rs、负载电阻R L四部分组成。

调整管使用场效应管IRFP460，比较放大器为LM358，采用一个稳压二极管稳定场效应管的Ugs，起到保护调整管的作用。

LM358为正负12V供电，调整管IRFP460用独立电源+18V供电，以满足大功率的要求。

根据题目要求，输出电压不大于10V，输出电流最大为1000mA，所以负载电阻R L应该在0~10Ω之间，采样电阻Rs取1Ω。

从采样电阻Rs的上端引入深度负反馈到比较放大器的反向输入端，采样电压也通过ADC输入到单片机处理；比较放大器的间向输入端与凌阳内部的ADC的模拟输出相连，通过LM358的比较放大作用以及调整管的调节作用使输出电流达到稳定。

3.2.4 电源电路设计本系统对电源有较高的要求。

设计电源时既要保证电源的高稳定度，也要保证电源能输出大于1A的电流，故本系统采用三级管TIP127来扩流。

而且在使用电源时必须充分考虑电源的效率。

此电源电路采用了7818，其输出电压值为+18V，而＋18V电源的负载电流要求不低于1A，所以采用三级管TIP127来扩流。

另外使用LM317和LM337制作正负可调电压，并且固定电压值为±12V为放大器供电，再在LM317后级使用7805得到稳定的＋5V的电压供凌阳SPCE061A单片机和LCD使用。

电源使用9014对电路进行稳流和扩流，并且可以起到过流保护的作用。

（供电电源原理图见附录图3。

）4 软件设计软件系统的任务主要有A/D转换、D/A转换、步进加减、键盘扫描、液晶显示、语音报警等功能。

为了将所有任务有序的组织起来，软件系统采用前后台结构。

4.1 软件设计思路为了方便编写和调试，我们采用了模块化的编程方法，整个程序分为若干子程序：①液晶显示子程序：显示欢迎界面，输出电流的给定值和实际测量值；②键盘处理子程序：对输出电流进行预置和步进；③DAC输出设定的电流值④进行A/D采样；⑤数据处理子程序：将A/D采样的数据与预设值比较，确定要送入DAC的调整值。

4.2 主程序流程图数控稳流源主程序流程图见图4.1图4.1 数控稳流源主程序流程图5 系统测试和分析5.1 指标测试1、输出电流范围的测试（见表5.1）表5.1 输出电流范围测试2、输出电流稳定度测试（见表5.2）表5.2 输出电流稳定度测试3、步进电流的测试（见表5.3）表5.3 步进电流测试(10mV步进)4、系统测量误差表5.4 系统测量误差5.2 测试结果分析（1）通过表 5.1的测试结果可以看出此次设计的稳流电源的电流变化范围在20mA~1005mA之间，满足题目基础和发挥部分的要求。

同时，通过表5.1的“误差”栏可以看出，电流源的预设值与输出值误差很小，满足题目中输出电流与给定值偏差的绝对值≤给定值的1％+10 mA的要求。

（2）通过表5.2的测试结果可以看出，在电流不变的前提下改变负载电阻的阻值，电路的输出电流基本上没有变化，满足基本部分（输出电流变化的绝对值≤输出电流值的1％+5 mA）与发挥部分（输出电流变化的绝对值≤输出电流值的0.1％+1 mA）的要求。

（3）通过表5.3的测试结果可以看出，步进值可以达到设定的10mA步长，且比较稳定。

（4）通过表5.4的测试结果可以看出，当输出电流为386mA时，|测量误差|=3mA≤356mA*0.1%+3mA=3.3mA，在误差范围内。

当输出电流为796mA时，|测量误差|=4mA>796mA*0.1%+3mA=3.7mA，与误差范围接近。

5.3 误差分析造成误差的原因有：（1）电阻温度特性由于使用的采样电阻为功率水泥电阻，当电流超过500mA时电阻发热较严重，使得其阻值变大，影响测试结果；（2）DAC、ADC精度问题由于使用的是十位的DA和AD，若要采集1mA精度的数据，由于系统存在误差，所以很难实现。

（3）电流表精度问题本次试验电路输出电压为mA级电压，我们使用的是三位半的万用表，精度不够，影响了测试结果。

6 设计结论经过四天三夜的努力，我们设计的直流稳流电源可以达到：输出电流范围在20mA~1000mA之间，可以10mA步进。

在精度上已经可以达到发挥部分提出的要求。

通过试验证明我们的电路带负载能力较强，在同一电流下改变负载，电流输出值只发生了很小的变化。

通过软件将输出电流值与电流预置值进行比较逼近处理，使得整个系统电流稳定，预置值、显示值以及通过电压表的测量值均保持一致，达到了很好的稳流效果。