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1 浙江師范大學本科畢業(yè)設(shè)計 (論文 )開題報告 學 院 數(shù)理與信息工程學院 專業(yè) 電子信息工程 學生 姓名 呂志才 學號 07220235 指導(dǎo)教師 樓恩平 職稱 實驗師 合作導(dǎo)師 職稱 論文題目 數(shù)控直流電流源的設(shè)計 一、選題背景和意義 電源是各種電子設(shè)備必不可少的重要組成部分 ，其性能的優(yōu)劣直接關(guān)系到整個系統(tǒng)的安全性與可靠性指標。而恒流電源是目前應(yīng)用廣泛的一種新式電源裝置，恒流電源 以其體積小、重量輕、損耗低、效率高、電路簡潔等顯著優(yōu)點而深受人們的青睬，并被廣泛應(yīng)用于計算機設(shè)備、航空航天、 儀器儀表、通信設(shè)備和家用電器等領(lǐng)域中。近年來，隨著電子信息產(chǎn)業(yè)的迅速發(fā)展，人們對恒流電源的需求與日俱增，恒流 電源的開發(fā)與制造已成為了方興未艾、發(fā)展前景十分誘人的朝陽產(chǎn)業(yè)。 電源技術(shù)尤其是數(shù)控電源技術(shù)是一門實踐性很強的工程技術(shù)，服務(wù)于各個行業(yè)。當今電源技術(shù)融合了電氣、電子、系統(tǒng)集成、控制理論、材料等諸多科學領(lǐng)域。隨著計算機和通訊技術(shù)發(fā)展而帶來的現(xiàn)代信息技術(shù)革命，給電源技術(shù)提供了廣闊的發(fā)展前景，同時也給電源技術(shù)提出了更高的要求。隨著數(shù)控電源在電子裝置中的普遍使用，普通電源在工作時產(chǎn)生的誤差，會影響整個系統(tǒng)的精確 度，電源在使用時會造成許多不良后果。世界各國紛紛對電源產(chǎn)品提出了不同要求并制定了一系列產(chǎn)品精度標準，達標后后才能夠進入市場。隨著經(jīng)濟全球化的發(fā)展，滿足國際標準的電源產(chǎn)品才能夠獲得通行證。數(shù)控電源是從 80年代才開始發(fā)展起來的產(chǎn)品，期間系統(tǒng)的電力電子理論開始建立。這些理論為其后來的發(fā)展提供了良好的理論基礎(chǔ)，在以后的時間里，數(shù)控電流源技術(shù)開始長足的發(fā)展。 現(xiàn)在市場上 許多 數(shù)控電流源存在輸出精度不高， 功率密度比較低， 帶負載能力不強，體積大，價格較高，操作繁瑣，工作狀態(tài)不穩(wěn)定等弊端， 因此數(shù)控電流源的主要發(fā)展方向是針對上述 缺點不斷改善。 所以，高精度的數(shù)控直流電流源有很大的發(fā)展空間。 單片機技術(shù)及電壓轉(zhuǎn)換模塊的出現(xiàn)為精確數(shù)控電源的發(fā)展提供了有利條件。新的變化技術(shù)和控制理論的不斷發(fā)展，各種類型專用集成電路、數(shù)字信號處理器件的研制應(yīng)用，到 90年代，已出現(xiàn)了數(shù)控精度達 率密度已達 50組成上，數(shù)控電流源分為器件、主電路和控制電路三 本科畢業(yè)設(shè)計 （論文）開題報告 2 部分。 本課題主要研究的是基于單片機的數(shù)控直流恒流源的設(shè)計，恒流源是能夠向負 載提供恒定電流的電源， 因此恒流電源的應(yīng)用范圍非常廣泛，并且在許多情況下是必不可少的。例 如在通常的充電器對蓄電池充電時，隨著蓄電池端電壓的逐漸升高，充電電流會相應(yīng)減少。為了保證恒流充電，必須隨時提高充電器的輸出電壓，但采用恒流源充電后就可以不必調(diào)整其輸出電壓，從而使勞動強度減低，生產(chǎn)效率得到了提高。恒流源還被廣泛用于測量電路中，例如電阻器阻值的測量和分級，電纜電阻的測量等，且電流越穩(wěn)定，測量就越準確。它既可以為各種放大電路提供偏流以穩(wěn)定其靜態(tài)工作點，又可以作為其有源負載，以提高放大倍數(shù)。并且在差動放大電路、脈沖長生電路中得到了廣泛應(yīng)用。 除此之外，線性掃描鋸齒波的獲得，有線通信遠供電源，電泳、 電解、電鍍等化學加工裝置電源，電子束加工機、離子注入機等電子光學設(shè)備中的供電電源也都必須應(yīng)用恒流源。 二、國內(nèi)外研究現(xiàn)狀、發(fā)展動態(tài) 現(xiàn)狀： 在我國，以電力電子學為核心技術(shù)的電源產(chǎn)業(yè)，從二十世紀 60 年代中期開 始形成，到了 90年代以來， 隨著對系統(tǒng)更高效率和更低功耗的要求，電信與數(shù)據(jù) 通信設(shè)備的技術(shù)更新推動電源行業(yè)中直流 /直流轉(zhuǎn)換器向更高靈活性和智能化的 發(fā)展方向， 電源產(chǎn)業(yè)進入快速發(fā)展期。一方面，電源產(chǎn)業(yè)規(guī)模的發(fā)展在加快；另 一方面，在國家自然科學基金的資助下或創(chuàng)新意識指導(dǎo)下，我國電力電子技術(shù)的 研究從吸收消化 和一般跟蹤發(fā)展到前沿跟蹤和基礎(chǔ)創(chuàng)新，電源產(chǎn)業(yè)涌現(xiàn)了一些技 術(shù)難度較大，具有國際先進水平的產(chǎn)品而且還生產(chǎn)了一大批具有代表性的研究成 果和產(chǎn)品。目前國內(nèi)還開展了跟蹤國際多方面前沿性課題的研究或基礎(chǔ)創(chuàng)新研究。 但是我國電源產(chǎn)業(yè)與發(fā)達國家相比，存在著很大的差距和不足 :在電源產(chǎn)品的質(zhì) 量、可靠性、開發(fā)投入、生產(chǎn)規(guī)模、工藝水平、先進檢測設(shè)備、智能化、網(wǎng)絡(luò)化、 持續(xù)創(chuàng)新能力等方面的差距為 10— 15年，尤其在實現(xiàn)直流恒流的智能化、網(wǎng)絡(luò)化 方面的研究不是很多。目前國內(nèi)在這兩方面研究比較多的是成都電子科技大學和 廣州華南理工大 學，主要是利用單片機和可編程系統(tǒng)器件（ 控制開關(guān)直流 穩(wěn)壓電源或數(shù)字化電壓單元達到數(shù)控的目的，但和國外的比較起來，效果不是很 理想，還存在很大的差距和不足。 現(xiàn)今，隨著數(shù)控直流電源技術(shù)的飛躍發(fā)展，整流系統(tǒng)由以前的分路原件和集成電 路發(fā)展為微機控制，從而使直流電源智能化，具有遙測、遙信和遙控的三遙功能。 目前，全國的電源及其配件的生產(chǎn)銷售企業(yè)有 4000家以上，產(chǎn)值由 300— 400億 元，但國內(nèi)企業(yè)銷售的數(shù)控直流穩(wěn)壓電源大多是代理日本和臺灣的產(chǎn)品，國內(nèi)廠 家生產(chǎn)的直流穩(wěn)壓電源雖然也在向數(shù)字化方向發(fā)展，但 多限于對輸出顯示實現(xiàn)數(shù) 本科畢業(yè)設(shè)計 （論文）開題報告 3 碼顯示，或?qū)崿F(xiàn)多組數(shù)值預(yù)置?？傮w來說，國內(nèi)直流恒流源技術(shù)在實現(xiàn)智能化等 方面相對落后，面對激烈的國際競爭，是個嚴重的挑戰(zhàn)。 發(fā)展趨勢： 目前，電力系統(tǒng)的后備電源、分布式電源系統(tǒng)以及通訊系統(tǒng)的后備電 源等應(yīng)用場合，均采用大容量的蓄電池作為儲能元件。然而，在蓄電池的使用中 需要一個雙向 C 變換器來進行直流功率的變換。一旦電網(wǎng)系統(tǒng)發(fā)生故障，蓄 電池通過雙向 C 變換器直接并入直流母線，給后端的用電設(shè)備提供能量。當 電網(wǎng)正常工作時，直流母線通過 當蓄電 池作為通訊系統(tǒng)的后備電源時，由于后端的用電設(shè)備多以抵押大電流工作，因此 要求蓄電池能夠提供一個大而穩(wěn)定的工作電流。另外，對蓄電池充電時，也必須 進行恒流控制，因此在雙向 蓄電池的使用壽命。隨著數(shù)字信號處理器（ 術(shù)的成熟，越來越多的功率電 路采用了數(shù)字式控制。與模擬控制相比，數(shù)字控制具有性價比高、性能穩(wěn)定等優(yōu) 點。另外，通過對控制軟件的編程，可以很方便的實現(xiàn)電路功能。針對蓄電池等 儲能元件在使用過程中功率雙向變換的問題，在目前已有的非隔離型雙向 拓撲基 礎(chǔ)上，提出了一種改進型雙向電路拓撲。該拓撲不僅實現(xiàn)了雙向電路的恒流控制， 而且解決了雙向拓撲中對不同大小電流的采樣問題。通過對 可以實現(xiàn)對電路的恒流、恒壓以及恒功率等控制功能。 針對蓄電池系統(tǒng)在使用過程中的功率變換問題，提出了一種新穎的雙向變換拓撲。該拓撲不僅實現(xiàn)了蓄電池功率變換的要求，同時對放電電流和充電電流進行了恒流控制。蓄電池放電時曹勇了降壓型電路拓撲，可使負載端電流迅速增大，又很快的動態(tài)響應(yīng)，從而滿足抵押大電流用電設(shè)備的要求。同時，在對蓄電池進行恒流充電時，通過軟件編程， 實現(xiàn)蓄電池的浮充功能，從而延長蓄電池的使用壽命。另外，提出了對雙向恒流源電路的全數(shù)字控制方案。 隨著電子技術(shù)的發(fā)展，恒流源已經(jīng)廣泛地應(yīng)用在各個領(lǐng)域。目前市面上較成熟的 恒流源輸出或者在 級，或者在百安培量級，不能滿足所有輸出段位的需求。 許多輸出電流不是很大、要求穩(wěn)定度和輸出精度較高的恒流源還是由使用者自行 研制的。恒流源在現(xiàn)代化工農(nóng)業(yè)及科研生產(chǎn)的運用中正朝著體積小、精度高、穩(wěn) 定性好、使用靈活的方向發(fā)展。急于功率運算放大器的恒流源在理論上具有體積 小、精度高、穩(wěn)定性好、可擴展等優(yōu)點，輸出電流范圍在安培 量級適用于小型電 動機、線圈等的驅(qū)動。但還需要通過實驗做進一步深入的研究，這對于恒流源的 發(fā)展具有相當現(xiàn)實的意義。 而且數(shù)字化智能電源模塊是針對傳統(tǒng)智能電源模塊的 不足提出的，數(shù)字化能夠減少生產(chǎn)過程中的不確定因素和人為參與的環(huán)節(jié)，有效 的解決了電源模塊中諸如可靠性、智能化和產(chǎn)品一致性等工程問題，極大的提高 了生產(chǎn)效率和產(chǎn)品的可維護性。 本科畢業(yè)設(shè)計 （論文）開題報告 4 三、研究的內(nèi)容及可行性分析 課題研究內(nèi)容： 1． 設(shè)計一款 穩(wěn)定性好、精度高、輸出可預(yù)置的直流電流源 。 2. 數(shù)控直流電流源設(shè)計的具體參數(shù)要求： （ 1）輸出電 流 范圍 ： 202000 （ 2） 可設(shè)置并顯示輸出電流給定值，要求輸出電流與給定值偏差的絕對值小于等于給定值的 1％ +10 （ 3） 具有“ +”、“ -”步進調(diào)整功能，步進≤ 10 （ 4） 改變負載電阻，輸出電壓在 10求輸出電流變化的絕對值≤輸出電流值的 1％ +10 （ 5）紋波電流≤ 2 課題可行性分析 本課題 準備 采用 為了實現(xiàn) 電流設(shè)置、控制、輸出、測量和顯示。該數(shù)控直流電流源由電流源模塊、測量模塊、數(shù)控模塊、顯示模塊構(gòu)成。電流源模 準備塊采用 集成運放 和大功率復(fù)合管構(gòu)成的閉環(huán)電壓深度負 反饋電路。測量模塊準備 由雙積分型高精度 A/控模塊準備以 單片機為核心控制高精度 D/完成對輸出電流的小步進控制。 通過鍵盤輸入給定值，由 D/ D/中文液晶顯示輸出。 本設(shè)計的系統(tǒng)原理框圖如圖 1所示。 圖 1 系統(tǒng)原理框圖 采用 過改變 D/論文）開題報告 5 輸出電壓值，從而 使輸出功率管的基極電壓發(fā)生變化，間接地改變輸出電流的大小。為了能夠使系統(tǒng)具備檢測實際輸出電流值的大小，可以將電流通過取樣電阻轉(zhuǎn)換成電壓，并經(jīng)過 A/行模 /數(shù)轉(zhuǎn)換，間接用單片機對電壓進行采樣，然后進行數(shù)據(jù)處理及顯示。 1. 鍵盤與顯示電路 使用單片機作為這一控制的核心，單片機與鍵盤相連，采 用查詢方式，由鍵盤控制輸入電流，同時也由鍵盤進行控制其步進調(diào)整功能。顯示器 用 1602B，具有體積小、 質(zhì)量輕、功耗低等優(yōu)點，單片機四條數(shù)據(jù)線與其相連，數(shù)據(jù)分兩次傳送；兩條控制線 E、 R/鍵盤與顯示電路原理圖如圖 2所示。 圖 2 鍵盤與顯示電路 2. 如何實現(xiàn) D/A、 A/D 的轉(zhuǎn)換 根據(jù)課題要求輸出電流范圍為 202000進為 1要至少有 1980個狀態(tài) 2n＞ 1980， n≤ 11，為了達到系統(tǒng)的控制精度，選取 12位 D/A。具體電路接口如圖 3所示。 圖 3 D/A 轉(zhuǎn)換電路 D/A 轉(zhuǎn)換器選用 是串行輸入可編程雙路 12 位 D/A 轉(zhuǎn)換器。該 器件僅有 8個引腳，但精度可以達到 片機控制它只需要三個引腳，D L T F I T J 3T L V 5 6 1 8V J 4M C 1 40 3V C S 1P 35P 36P 37本科畢業(yè)設(shè)計 （論文）開題報告 6 非常方便。該芯片內(nèi)部有兩個 12 位 壓輸出 緩沖結(jié)構(gòu)使雙路輸出（ 同時更新， +5典型參考電壓 出電壓公式為： × V （ n/2048） （ 3 其輸出電壓范圍為： 0～ A/所示： 圖 4 A/D 轉(zhuǎn)換電路 A/，可以和多種微機接口，在此選用 片機作為主處理器。通過 0~用于輸入 也用于讀取轉(zhuǎn)換結(jié)果數(shù)據(jù)。 A/采樣電阻上的電壓轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號反饋給單片機，單片機將此反饋信號與預(yù)置值比較，根據(jù)兩者間的差值調(diào)整輸出信號大小。這樣就形成了反饋調(diào)節(jié)，提高輸出電流的精度。同時， A/示當前的實 際電流值 。 四、論文擬解決的關(guān)鍵問題及難點 1．如何實現(xiàn)恒流 該模塊主要功能是把由 D/A 輸出的電壓 通過 V/I 轉(zhuǎn)換電路構(gòu)成 線性轉(zhuǎn)換成輸出電流， 通過深度電流串聯(lián)負反饋電路 保證輸出電流有很高的穩(wěn)定性，如圖 5 所示。 本科畢業(yè)設(shè)計 （論文）開題報告 7 6741 85J 11O P 07C 2 7 1 U 15 3C O N 3674185J 17O P 07 50 64 84 94 2 1 U 51 0u f+ 15 3 0 C 3 44 2負載接口6741 85J 18O P 071J 19C O N 1+ 15 6 0 74 0 0 14 Fa di 1 4 D 15O U T ，運算放大器 1， 晶體管平坦的輸出特性即可得到恒流輸出，因此電流源具有較好的穩(wěn)定性。 本電流源的電壓 /電流轉(zhuǎn)換及 V/是將 D/換后的電流相當一個輸出可調(diào)的恒流源，其輸出電流應(yīng)能夠保持穩(wěn)定而不會隨負載的變化而變化。 一般來說， V/以使電流串聯(lián)負反饋，也可以是電流并聯(lián)負反饋。本設(shè)計采用的是電流串聯(lián)負反饋電路。 為使 A/D 反饋給單片機的電壓更加精確，取樣電阻必須保持恒定，溫度變化系數(shù)很小，所以 取樣電阻 銅絲溫度系數(shù)很?。l率精度為 5× 102/℃），大線徑可以使其溫度影響減小至最小。 2，反相 端的反饋電壓為 過 取樣電阻 E =92 （ 3 復(fù)合管的放大倍數(shù)為兩個三極管 放大倍數(shù)數(shù)值之積，輸出電流即集電極電流 92 （ 3 本科畢業(yè)設(shè)計 （論文）開題報告 8 對于理想運算放大器，同相反相間得壓差為 0，即： 2 （ 3 所以輸出電流與輸出電壓間的關(guān)系： I=91 （ 3 五、研究方法 根據(jù)題目要求，該 數(shù)控直流電流源由數(shù)控模塊、顯示模塊 、電流源模塊、測量模塊 構(gòu)成。 1．電流源模塊 電流源模塊 采用基于運算放大器和晶體管構(gòu)成的電流深度負反饋電路。該方案不僅在電路中引入了深度電流負反饋，可以保證輸出電流具有很高的穩(wěn)定性。而且電流源所需要的控制電壓由高精度 D/A 轉(zhuǎn)換器（ 供，以實現(xiàn)輸出電路的小步進調(diào)節(jié)。該方案如圖 6所示。 圖 6 電流源模塊設(shè)計原理 2．數(shù)控與顯示模塊 采用以 片機為核心的單片機最小系統(tǒng)。單片機系統(tǒng)具有靈活的接口和在線編程的能力，容易實現(xiàn)題目中的有關(guān)鍵盤設(shè) 置、顯示以及測量功能等。 3．測量模塊 測量模塊是由雙積分型高精度 A/D 來測量取樣電阻上的電壓值進而轉(zhuǎn)化為電流值來完成。 A/采樣電阻上的電壓轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號反饋給單片機，單片機將此反饋信號與預(yù)置值比較，根據(jù)兩者間的差值調(diào)整輸出信號大小。這樣就形成了反饋調(diào)節(jié)，提高輸出電流的精度。 綜上所述，系統(tǒng)總原理框圖如圖 7所示。 本科畢業(yè)設(shè)計 （論文）開題報告 9 圖 7 系統(tǒng)原理框圖 采用 片機作為整機的控制單元，通過改變 D/A 的輸入數(shù)字量來改變輸出電壓值，從而使輸出功率管的基極電壓發(fā) 生變化，間接地改變輸出電流的大小。為了能夠使系統(tǒng)具備檢測實際輸出電流值的大小，可以將電流 通過取樣電阻 轉(zhuǎn)換成電壓，并經(jīng)過 A/行模 /數(shù)轉(zhuǎn)換，間接用單片機 對電壓進行采樣，然后進行數(shù)據(jù)處理及顯示。此系統(tǒng)比較靈活，采用軟件方法來解決數(shù)據(jù)的預(yù)置以及電流的步進控制，使系統(tǒng)硬件更加簡潔， 而且采用高精度 A/D 轉(zhuǎn)換器對取樣電阻上的電壓值進行采樣反饋給單片機，與預(yù)置值進行差值比較，調(diào)整D/樣就形成反饋調(diào)節(jié)，使輸出電流更加精確， 能很好地滿足題目的要求。 六、論文的進度安排 2010 年 11 月 — 2010 年 12 月 ： 查閱相關(guān)文獻資料， 可行性分析，總體方案初擬； 2010 年 12 月 — 2011 年 01 月 ： 撰寫開題報告，方案論證與修改 ， 電路原理圖設(shè)計； 2011 年 01 月 — 2011 年 03 月 ： 數(shù)控直流電流源的制作與調(diào)試并對數(shù)據(jù)結(jié)果分析； 2011 年 03 月 — 2011 年 04 月 ： 畢業(yè)設(shè)計論文書寫，畢業(yè)論文修改，畢業(yè)論文定稿； 2011 年 04 月 ： 畢業(yè)設(shè)計結(jié)題 答辯。 片機 D/A 轉(zhuǎn)換電路 A/D 轉(zhuǎn)換電路 液晶顯示電路 鍵盤控制 電路 V/I 轉(zhuǎn)換電路 調(diào)整電路 取樣電路 電 源 模 塊 本科畢業(yè)設(shè)計 （論文）開題報告 10 七、主要參考文獻 [1] 付體明，吳層，劉杰．數(shù)控直流電流源 [M]．北京：電子工業(yè)出版社， 2006： 233～ 240． [2] 唐俊瞿 用 [M]，北京：冶金工業(yè)出版社， 2003： 25～ 26. 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