CN201955696U

CN201955696U - 一种高精度数控恒流源

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Publication number: CN201955696U
Application number: CN2010200498118U
Authority: CN
Inventors: 张永炬; 王韬; 周祥
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2010-01-07
Filing date: 2010-01-07
Publication date: 2011-08-31
Anticipated expiration: 2020-01-07

Abstract

本实用新型公开了一种高精度数控恒流源，属于电源电路领域，它由V/I转换电路、前置放大电路、反馈电路和单片机系统组成。本恒流源利用V/I转换电路来实现恒定电流的输出，并通过单片机控制D/A输出的电压来实现电流的数字控制，前置放大电路调理D/A输出的电压，使其满足V/I转换所需电压的要求，反馈电路再将输出的电流信息回馈到单片机，以实现闭环控制，由于所采用的单片机内置A/D模块和D/A模块，所以无需外加A/D和D/A电路。本实用新型具有成本较低、精度高、稳定性好等优点。

Description

一种高精度数控恒流源

技术领域

本实用新型涉及一种高精度数控恒流源电路，属于电工电子产品领域。

背景技术

随着电子技术的迅猛发展，越来越多的产品都融入了它们的身影，从而提高了各个行业相关产品的性能指标，作为电子技术的一个关键——电源，它的精度和稳定性等就变得非常重要了。恒流源作为电源的其中一员，也有相应要求。而且现在越来越多的产品都往数控方向发展，因为数控方式可以提供更精确地控制，在数控恒流源领域一般采取的方案都是由D/A提供电压再通过V/I转换实现恒流输出，再通过功率管放大以提高输出电流，最后通过A/D来反馈输出的电流值，从而做到闭环控制使输出电流值精确和稳定。本实用新型也采取该方案，但以往该方案为了实现高精度，都需要高位的A/D和D/A，从而大大增加了成本。而本实用新型采用位数较低的A/D和D/A就可实现高精度的恒流输出，所以直接采用单片机内置的A/D和D/A就可实现，从而极大地节约了成本。

发明内容

本实用新型的目的在于提供一种高精度数控恒流源。

本实用新型实现上述目的所采取的技术方案是：

一种高精度数控恒流源，它由V/I转换电路、前置放大电路、反馈电路和单片机系统组成；所述的V/I转换电路包括集成运算放大器U2、普通三极管Q1、达林顿管Q2、可调电阻RW3、电阻R4、R5、R6、R7、RP1、电容C1、C2、C3、C4、C5，它们对D/A输出的电压进行V/I转换以实现恒流输出，三极管Q1和达林顿管Q2对V/I转换得到的电流进行放大，以满足大电流输出的要求，R7为分流电阻，防止电流过大损坏Q1和Q2，RP1为取样电阻，作为U2的反馈输入；所述的前置放大电路包括集成运算放大器U1、可调电阻RW1、RW2、电阻R1、R2、R3，实现对D/A输出电压的负反馈放大，使其输出电压满足V/I转换所需的电压要求；所述的反馈电路包括集成运算放大器U3、可调电阻RW4、RW5、电阻R8、R9、R10、电容C6、C7，它将采样电阻上的电压调理成合适的电压反馈回A/D，从而实现整个系统的闭环控制，保证了输出电流的精确度和稳定度；所述的单片机系统包括单片机U4、液晶LCD1、晶振Y1、十口插座J1、按钮开关S1、S2、S3、可调电阻RW6、电阻R11、R12、R13、R14、R15、电容C8、C9、C10、C11、C12、C13，液晶用于显示电流的设定值，S2、S3两个按钮开关实现对电流值的加减设定，单片机内置的D/A模块输出V/I转换所需的电压，单片机内置的A/D模块实现对输出电流的测量和监控。

所述单片机系统中的单片机U4采用C8051F020单片机，液晶LCD1采用LCD1602型液晶，用其来显示所设定的电流值；所述电流值设定采用按钮开关S2、S3和电阻R14、R15组成的按键电路来完成加减设定；所述的A/D转换采用C8051F020单片机内置的A/D模块ADC0来实现，外部待测电压信号通过AIN0.0管脚进入ADC0；所述的D/A转换采用C8051F020单片机内置的D/A模块DAC0来实现，并通过DAC0管脚向外输出D/A转换之后的电压。

所述前置放大电路采用集成运算放大器OP07实现电压的负反馈放大。D/A输出的电压跟可调电阻RW1两边的其中一脚相连，另一边跟地相连，中间可调端跟电阻R1相连后再连入U1的3脚，电阻R2一端跟地相连，另一端跟电阻R3的一个管脚和U1的2脚相连，R3的另一端跟U1的6脚相连。

所诉V/I转换电路中的集成运算放大器U2采用OP07，电压通过电阻R4流入U2的3脚，U2的输出经过串联电阻网络R5、R7、R6反馈回U2的2脚从而实现同相型V/I转换电路，取样电阻RP1的一端和Q2的发射极及R6的一端相连，另一端跟地相连；所诉电流放大电路中三极管Q1采用9013，达林顿管Q2采用TIP122并将其安装在大面积散热片上，Q1的集电极和Q2的集电极相连之后跟负载的一端连接，Q1的发射极和Q2的基极相连，Q1的基极和R5的一端相连，Q2的发射极和取样电阻RP1相连；所诉V/I转换电路中，C1选用瓷片电容、C2采用电解电容，它们并联在一起，并且C2的正极还和12V电源正极、U2的7脚、RW3的可调端相连，C2的负极还和地相连，以实现滤波；所诉分流电阻R7的两端分别跟Q1的基极和Q2的发射极相连；所诉恒流源的负载的两端分别跟18V电源的正极和Q1、Q2的集电极相连；所诉负载及18V电源跟C3、C4组成的滤波电路相连，其中C3选用瓷片电容、C4采用电解电容，它们并联在一起，C4的正极还跟18V电源的正极相连，C4的负极还跟地相连。

所诉反馈电路中的集成运算放大器U3采用OP07，取样电阻RP1上的电压通过电阻R8流入U3的3脚，电阻R9的一端跟U3的2脚、R10的一端相连，R9的另一端跟地相连，R10的另一端跟U2的6脚相连，从而共同组成了负反馈放大电路，可调电阻RW5的两端分别跟U2的6脚和地相连，RW5中间的可调端跟单片机U4的AIN0.0相连，它实现对放大之后的电压进行调理，使其满足A/D转换的要求；所诉反馈电路中的C6选用瓷片电容、C7采用电解电容，它们并联在一起，C7的负极还跟负12V电源的负极相连，C7的正极还跟地相连，以实现对滤波。

附图说明

图1是本发明的系统框图；

图2是单片机系统电路原理图；

图3是前置放大电路原理图；

图4是V/I转换电路原理图；

图5是反馈电路原理图。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型作进一步的详细说明。

如图1所示，本实用新型是一种高精度数控恒流源，它由单片机系统、前置放大电路、V/I转换电路和反馈电路组成。

图2所示为单片机系统，它主要实现恒流值的设定、显示、D/A输出、A/D采样监控。其中U4为C8051F020型单片机，S1、R11、R12、C8和C13组成的是复位电路，当系统运行不正常时通过按动S1按钮开关来复位；C9、C10和Y1组成晶振电路，提供系统时钟；J1、R13作为C8051F020在线调试和下载的接口电路；S2、S3、R14、R15组成按键电路，当按动S2或S3时，跟单片机相连的P3.2、P3.3脚上就会产生由高到低的电平变换，由此来检测按键是否按下，并对恒流值做相应的加减操作；LCD1、RW6组成显示电路，显示当前设定的恒流值，LCD1采用LCD1602型液晶显示器，RW6作为液晶背光亮暗的调节电阻。

C8051F020型单片机内置多个A/D、D/A模块，在此分别采用ADC0和DAC0模块，两者的基准电压都采用内部基准电压，单片机将按键设定的数值发送给DAC0进行D/A转换，并从单片机的DAC0脚输出相应的电压。本恒流源输出的电流值范围为20mA到2A，而DAC0脚输出的电压值无法满足20mA到2A范围V/I转换所需的电压值，所以无法将DAC0脚直接跟V/I转换电路相连，中间必须加一级前置放大电路以对DAC0脚输出的电压进行放大、调理。R1、R2、R3、RW1、RW2、U1共同构成了负反馈型前置放大电路，如图3所示，U1采用OP07型集成运算放大器，R2、R3确定放大倍数，RW1构成一个分压电路，调节输入电压范围，从而使放大后的电压满足相关参数要求，RW2为调零电阻，使U1在零输入时保证输出也为零。

经过前置放大调理之后的电压被送入以U2、Q1、Q2为核心的V/I转换电路，如图4所示，该电压经过电阻R4流入U2的3脚，U2的输出经过串联电阻网络R5、R7、R6反馈回U2的2脚从而实现同相型V/I转换电路，取样电阻RP1的一端和R6、R7的一端相连，另一端跟地相连。假设由于某种干扰造成电流变大，则在取样电阻RP1上的电压Vback也随之增大，这样U2的2脚电压增大，从而使U2的输出电压减小，将相应电流值也拉小，最后回到原先的设定值；反之如果干扰造成电流变小，则在取样电阻RP1上的电压Vback也随之减小，这样U2的2脚电压减小，从而使U2的输出电压增大，将相应电流值也拉大，最后回到原先的设定值，从而保证了恒流输出。由于通过V/I转换得到的电流值无法达到2A，所以在其后加了由Q1、Q2组成的电流放大电路，Q1采用9013先对电流进行初级放大，Q2采用TIP122，Q1的射极电流直接流入Q2的基极，从而实现电流的再次放大，以达到2A的要求，R7在此起到分流电阻的作用，以免电流放大过大造成Q1、Q2损坏。在此负载的两端分别跟18V电源的正极和Q1、Q2的集电极相连，所以Q1、Q2上流过的集电极电流之和即为负载上的电流值。电容C1、C2和C3、C4各自组成滤波电路，从而增加系统的稳定性，RW3作为U2的调零电阻，使U2在零输入时保证输出也为零。

在前面的电路中我们已经实现恒流输出，但是输出的电流值是否就是我们设定的值，精度是否达到要求，或者电路有没有可能发生不稳定现象造成电流值偏离，这些都还不能进行识别，为了实现这些我们在此加了反馈检测电路，从而使整个系统成为一个闭环系统，增加系统的可靠性和稳定性。这里我们将取样电阻上的Vback电压进行反馈以检测当前电流值，单片机利用其内置的A/D模块ADC0来实现A/D转换，获取Vback电压值，但是Vback电压值跟ADC0的基准电压值不匹配，所以在此加上反馈电路对Vback电压进行调理，如图5所示。Vback经过电阻R8进入U3的3脚，R10将U3的2脚和6脚连接起来，R9分别跟U2的2脚和地相连，它们共同组成了一个负反馈放大电路，可调电阻RW5将U3输出的电压分压后传给单片机的AIN0.0脚。通过反馈电路的调理后，Vback的电压值将满足相关要求。

本实用新型的实际测试结果如表1所示：

表1

由上可知，本实用新型具有精度高、稳定性好、成本较低、使用方便等一系列优点，所以具有较高的实用推广价值。

Claims

1.一种高精度数控恒流源，其特征在于：它由V/I转换电路、前置放大电路、反馈电路和单片机系统组成；所述的V/I转换电路包括集成运算放大器U2、普通三极管Q1、达林顿管Q2、可调电阻RW3、电阻R4、R5、R6、R7、RP1、电容C1、C2、C3、C4、C5，R7为分流电阻，防止电流过大损坏Q1和Q2，RP1为取样电阻，作为U2的反馈输入；所述的前置放大电路包括集成运算放大器U1、可调电阻RW1、RW2、电阻R1、R2、R3，所述的反馈电路包括集成运算放大器U3、可调电阻RW4、RW5、电阻R8、R9、R10、电容C6、C7，所述的单片机系统包括单片机U4、液晶LCD1、晶振Y1、十口插座J1、按钮开关S1、S2、S3、可调电阻RW6、电阻R11、R12、R13、R14、R15、电容C8、C9、C10、C11、C12、C13，液晶用于显示电流的设定值，S2、S3两个按钮开关实现对电流值的加减设定，单片机内置的D/A模块输出V/I转换所需的电压，单片机内置的A/D模块实现对输出电流的测量和监控。

2.根据权利要求1所述的一种高精度数控恒流源，其特征在于：所述单片机系统中单片机U4采用C8051F020型单片机；显示装置采用LCD1602型液晶来实现；电流值设定采用按钮开关S2、S3和电阻R14、R15组成的按键电路来完成加减设定。

3.根据权利要求1所述的一种高精度数控恒流源，其特征在于：所述的A/D转换采用C8051F020单片机内置的A/D模块ADC0来实现，外部待测电压信号通过AIN0.0管脚进入ADC0；D/A转换采用C8051F020单片机内置的D/A模块DAC0来实现，并通过DAC0管脚向外输出D/A转换之后的电压。

4.根据权利要求1所述的一种高精度数控恒流源，其特征在于：所述前置放大电路采用集成运算放大器OP07实现电压的负反馈放大，D/A输出的电压跟可调电阻RW1两边的其中一脚相连，另一边跟地相连，中间可调端跟电阻R1相连后再连入U1的3脚，电阻R2一端跟地相连，另一端跟电阻R3的一个管脚和U1的2脚相连，R3的另一端跟U1的6脚相连。

5.根据权利要求1所述的一种高精度数控恒流源，其特征在于：所诉V/I转换电路中的集成运算放大器U2采用OP07，压通过电阻R4流入U2的3脚，U2的输出经过串联电阻网络R5、R7、R6反馈回U2的2脚从而实现同相型V/I转换电路，取样电阻RP1的一端和Q2的发射极及R6的一端相连，另一端跟地相连。

6.根据权利要求1所述的一种高精度数控恒流源，其特征在于：所述电流放大电路中三极管Q1采用9013，达林顿管Q2采用TIP122并将其安装在大面积散热片上，Q1的集电极和Q2的集电极相连之后跟负载的一端连接，Q1的发射极和Q2的基极相连，Q1的基极和R5的一端相连，Q2的发射极和取样电阻RP1相连，分流电阻R7的两端分别跟Q1的基极利Q2的发射极相连。

7.根据权利要求1所述的一种高精度数控恒流源，其特征在于：所述恒流源的负载的两端分别跟18V电源的正极和Q1、Q2的集电极相连。

8.根据权利要求8所述的一种高精度数控恒流源，其特征在于：所述V/I转换电路中的C1和C2、C3和C4、反馈电路中的C6和C7各自并联在一起实现滤波，其中C1、C3、C6选用瓷片电容，C2、C4、C7采用电解电容，并且C2的正极还跟12V电源正极、U2的7脚、RW3的可调端相连，C2的负极还跟地相连；C4的正极还跟18V电源的正极相连，C4的负极还跟地相连；C7的负极还跟负12V电源的负极相连，C7的正极还跟地相连。

9.根据权利要求1所述的一种高精度数控恒流源，其特征在于：所述反馈电路中的集成运算放大器U3采用OP07，取样电阻RP1上的电压通过电阻R8流入U3的3脚，电阻R9的一端跟U3的2脚、R10的一端相连，R9的另一端跟地相连，R10的另一端跟U2的6脚相连，从而共同组成了负反馈放大电路，可调电阻RW5的两端分别跟U2的6脚和地相连，RW5中间的可调端跟单片机U4的AIN0.0相连。