数控直流电流源设计与制作 第2页
一．方案设计 、比较与论证
数控直流电流源电路，主要由单片机最小系统、过程通道、检测、调节电路、显示和键盘电路设计等部分组成。通过对电压的控制间接控制电流。其重点部分在过程通道和检测调节电路的设计。
1． 过程通道的设计包括模数转换的设计和数模转换的设计，其设计的合理与否，直接影响系统的精度。
1）模数转换的设计
方案一：模数转换选用A/D0809，作为单片机输入的采样信号，虽然也能完成模数转换，但是，0809芯片速率较低，转换时间长.为100us，重要的是，0809的最高分辨率为8位，不能满足设计要求的精度。
方案二：模数转换选用芯片A/D574，A/D574为12为的模数转换，分辨率12位，远远高于0809，而且，转换时间短，为25us，完全能够满足设计要求的精度。
因此，方案二比较适合本次设计，能够满足精度的要求。
2）数模转换的设计
方案一：数模转换使用D/A0832，0832采用了先进的C-MOS工艺，可直接与单片机连接，具有较低的功耗和较低的输出漏电流误差。但是，其8位的分辨率不能满足设计要求的步进1mA精度，所以，不能直接用0832进行数模转换，供给单片机监控。
方案二：模数转换仍旧选用芯片AD574，数模转换选用DAC7512芯片，7512芯片在转换中的最高分辨率为12位，可分辨4096位，不但可以实现电路的基本要求，同样可以实现发挥部分的电路要求，对于此次电路制作可以说是比较合适的选择。但由于DAC7512芯片价格较贵，在市场上也较难买到，所以无法采用。
方案三：在方案一的基础上增加一个单片机控制的自动换档电路，使用换档电路与单片机的0832形成粗调和微调相结合的调节方式，在不大幅提高设计成本的基础上，提高系统的精度，满足设计的要求。换档电路由模拟开关CD4051和分压电阻网络实现，通过单片机控制通道输入，每个通道输入对应着不同的电流档位，单片机检测ADC的输出，并和设置电流比较结果，选择4051的通道输入。采用这种方案，可以提高系统精度，满足设计要求。
综合以上方案，采用模数转换使用A/D574，数模转换使用D/A0832和换档电路相结合调节方式，不仅简单易于实现，成本低，而且，能够满足设计精度的要求。
2检测调节电路的设计
方案一：通过直接控制直流电流源电流，实现电流的控制，但是电流的控制范围在20ma—2000ma 之间，这样所要测量的范围太大，增大了测量的难度，对电路的监控也很难实现，并且，稳定性不高，电路的精度很难达到。
方案二：电压控制型直流稳压电源以一稳压电源为基础,以高性能单片机系统为控制核心以稳压驱动放大电路，采样精密电阻（阻值不随温度变化）电压电路为外围的硬件系统,在检测与控制软件的支持下间接实现对电流输出的数字控制,通过对稳压电源输出的电流的监控，从而调整和控制稳压电源的输出电流大小。
综合以上方案，方案二不仅电路控制简单，并且容易实现硬件电路的设计，在测量精度方面也更为精确。
最终选定设计方案的原理框图如图1.2.1所示：二．理论分析与计算
根据设计要求，需要对电流检测，而由于A/D574只能转换电压信号，因此，先将电流信号转换为电压信号，然后才能实现A/D转换。为此，在电路中串入精密电阻，一般为温度系数小的康铜、锰铜电阻丝，精密电阻上的电压通过放大以后进入系统的采样保持器，由单片机实现对电流信号的监测和控制。为了提高控制精度，采用粗调和微调相结合的方式，即采用单片机控制的换档电路实现粗调，由单片机D/A0832的输出实现微调，调节电源输出，把A/D574的采样值和电流设置值比较、处理后，由单片机控选择换档电路的档位和D/A0832的输出，控制恒压源的给定电压，使整个系统与恒压源又形成一闭环的回路，保证电流的稳定。由于设计要求输出20mA----2000mA的电流，并且步进为1mA，而0832的最大分辨率为256，因此将输出电流大约分为8个等级。又0832输出为0---5v，因此，换档的等级步进为5/8=0.625v,其等级范围为：
0---0.625v, 0.625v—1.25v, 1.25v—1.875v, 1.875v—2.5v, 2.5v—3.125v, 3.125v—3.75v, 3.75v—4.375v, 4.375v—5v
AD574为12 位的ADC，其最大分辨率为4096，可以精确到1/4096，而设计要求能够分辨1mA的电流，即分辨率为1/1980，所以，用AD574完全可以满足设计的精度要求。
本设计中采用单片机采集转换而来的电流值与设定值比较后，如果小于设定值，则提高一级换档电路的档位，再通过0832微调节，使检测值和设定值尽可能的接近，满足精度要求；大于设定值，则类似。
三．系统总体设计
本系统采用单片机作为核心，以带反馈自稳定的大功率串调恒压源作为电源，通过功能键可以连续设定20mA---2000mA的电流值，根据设定的电流值，单片机由A/D574对精密电阻1欧康铜丝电阻上电压的监控，由D/A0832和选档电路通过粗调和微调的调节方式，间接的控制电流，形成闭环回路，保持恒流。采用单片机自动控制换档电路，把串调恒压源的控制给定电压0~5V分为8个等级，先进行粗调，选择电压档位，再根据AD574采样的电流信号，由0832进行微调，以保证其精度。由于使用了闭环控制，不仅提高了系统的精度，而且，单片机能自动的调节电流输出。系统具有自我保护和蜂鸣器的报警功能，具有一定的智能性，增加了其运行的安全性和可靠性。
（一）．硬件设计
1. 系统总体方框图
系统总体框图 ：图3.1.1所示
微机系统 过程通道
2.模块电路设计
1）单片机最小系统板设计
本次设计的单片机最小系统板主要有89c51、模数转换器ADC574、数模转换器DAC0832以及8279等组成，可以满足多种功能的需要。ADC574为双极性高精度12位快速A/D转换器，其转换速度为25us，采样速度快，与单片机硬件结构简单；为了精确采样，采用通用的采样保持放大器LF398,进行采样保持。DAC0832是8位D/A转换器，具有双缓冲功能，硬件结构简单，使用方便。可编程键盘和显示器专用结构芯片8279可以代替单片机完成键盘和显示器的许多结构操作，从而大大减轻单片机的负担，简化硬件电路。对于各个芯片的地址，用G16v8译码，产生个芯片的片选信号。电路图如图3.1.2所示：
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