1、3.1 音频功率放大器及其测试电路音频功率放大器及其测试电路3.1.1 设计任务书设计任务书设计并制作一个高效率音频功率放大器及其参数的测量、显示装置。功率放大器的电源电压为+5V(电路其他部分的电源电压不限)，负载为8电阻。具体要求如下：1)功率放大器a3dB通频带为3003400Hz，输出正弦信号无明显失真。b最大不失真输出功率1W。c输入阻抗10k，电压放大倍数120连续可调。d低频噪声电压(20kHz以下)10mV，在电压放大倍数为10，输入端对地交流短路时测量。e在输出功率500mW时测量的功率放大器效率(输出功率/放大器总功耗)50%。2)设计并制作一个放大倍数为1的信号变换电路，
2、将功率放大器双端输出的信号转换为单端输出，经RC滤波供外接测试仪表用。3)设计并制作一个测量放大器输出功率的装置，要求具有3位数字显示，精度优于5%。3.1.2 方案论证与比较方案论证与比较根据题目要求，本系统设计主要由以下几部分组成：功率放大电路、信号变换电路、功率测量与显示电路。系统框图如图3-1所示。3.1.2 方案论证与比较方案论证与比较外加稳压电源部分实现对各部分供电。其中功率放大电路完成对小功率音频信号的功率放大，由于功放输出的是一种差分信号，要实现对其功率参数的测量必须外加一个信号变换电路实现双端信号到单端信号的转换，经过转换的信号通过RC滤波网络后，便可接入各种测试电路。为了实
3、现对功放输出功率的测量，采用集成运放构成的精密整流电路。3.1.2 方案论证与比较方案论证与比较1.功率放大器功率放大器根据题目要求，功率放大器的电源电压为根据题目要求，功率放大器的电源电压为+5V，采取单电源供电，采用，采取单电源供电，采用OTL进行功率进行功率放大。由于设计要求最大输功率放大。由于设计要求最大输功率1W，如，如果采用平常果采用平常OTL功率放大器件，输出功率功率放大器件，输出功率达不到达不到1W。要满足输出最大功率大于。要满足输出最大功率大于1 W，通常有下列几种方案可供选择。通常有下列几种方案可供选择。3.1.2 方案论证与比较方案论证与比较方案一：方案一：OCL或或OT
4、L功率放大。功率放大。该方案可以采用OCL电路，但是它需要两组对称的正负电源供电。如果采用OTL电路，虽然能够采用单电源供电，但在电源电压为5V的条件下，Pomax=(VCC/2)2/(2Rl)=25/(88)W=0.39W，输出功率达不到要求。3.1.2 方案论证与比较方案论证与比较方案二：方案二：BTL功率放大。功率放大。无论是OCL功率放大电路还是OTL功率放大电路，在负载一定的条件下，其输出功率都由直流电源决定。直流电源电压确定后，电路输出的最大功率也就确定了，要进一步提高输出功率存在一定的困难，要解决这个问题，可以采用平衡推挽功率放大电路，即BTL电路。3.1.2 方案论证与比较方案
5、论证与比较BTL电路是采用两个特性完全相同的OCL或OTL电路，将负载加在两个电路的输出端之间。静态时，由于两个电路输出的直流电位相等，负载两端没有直流电压，也没有直流电流。在两个电路的输入端分别加上一组大小相等、相位相反的信号电压，由于两个电路电压放大倍数相等，故它们的输出端对地电位大小相等、方向相反，即，所以，。即在电路其他参数相同的情况下，BTL电路输出电压是单个OTL电路输出电压的2倍，从而使BTL电路输出功率可为OTL电路的4倍，即Pomax=4Po1max=1.56W，可满足设计要求。3.1.2 方案论证与比较方案论证与比较方案三：采用方案三：采用D类放大方式进行功率放大。类放大方
6、式进行功率放大。该方案实现低频功率放大的基本原理是：小信号经过变压器耦合控制两个晶体管的导通与截止，从而起到开关的作用，使得输出信号近似成为一个方波，再经过低通滤波器得到相应频率的大信号。D类放大由于晶体管导通时间最短，所以损耗小，而输出功率大。3.1.2 方案论证与比较方案论证与比较方案确定：方案确定：由于OTL功率放大电路虽具有电路简单等一系列的优点，但其输出功率达不到规定的要求。D类放大晶体管导通时间短、损耗小、输出功率大，但是此方法电路结构复杂，且对PWM的控制不易掌握，加上我们对用开关方式实现低频功率放大不熟悉，故我们难以采用此方案。BTL功率放大电路的频带宽、噪声小、输出功率高，有
7、利于提高功放的效率，基本能够满足题目要求，故本设计采用方案二。3.1.2 方案论证与比较方案论证与比较常见的常见的BTL功放有以下两种类型：功放有以下两种类型：a由LM386所组成的BTL功率放大器。此功率放大器放的放大倍数可通过电阻RP进行连续调节，放大倍数最大可达至200。但其通频带较窄，一般为10kHz，不易达到20kHz，不能满足发挥部分要求。3.1.2 方案论证与比较方案论证与比较b采用TDA2822构成高效功率放大器，如图3-2所示。TDA2822芯片有较高效率，外围电路简单，只需外加几个电阻、电容即可构成一个性能很好的功率放大器，在理想情况下，TDA2822输入阻抗可达100k，
8、放大增益最大可到40dB，其噪声电压也只有3V左右，远远超过题目要求。经比较，本设计采用TDA2822构成BTL电路。3.1.2 方案论证与比较方案论证与比较2信号变换电路信号变换电路方案一：采用分立元件如参数大小相同的晶体方案一：采用分立元件如参数大小相同的晶体管差分电路构成信号变换电路。管差分电路构成信号变换电路。方案二：采用集成运放构成差分放大器信号变方案二：采用集成运放构成差分放大器信号变换电路。换电路。3.1.2 方案论证与比较方案论证与比较方案确定：方案确定：根据题目要求，信号变换电路将实现信号双端输入变为单端输出，实现方案如图3-3所示。3.1.2 方案论证与比较方案论证与比较输
9、入信号接在运放的同相端。电路前级为同相差动放大结构，要求两个运放的性能完全相同。电路除具有差模、共模输入阻抗大的优点外，两运放的共模增益、失调及其漂移产生的误差也相互抵消，因而不需精密匹配电阻，电路后级的作用是抑制共模信号，并将双端输出转变为单端输出。但它的缺点是电路复杂，增益需要调节才能满足要求。实际测量中我们发现，运放同相输入时，其阻抗很大，远远大于8负载，对输入信号影响很小。因此可将前面的同相放大电路去掉，只用一个运放进行信号变换，同样能满足题目中的要求，如图3-4所示。3.1.2 方案论证与比较方案论证与比较3功率测量与显示装置功率测量与显示装置为了提高测量精度并便于显示测量结为了提高
10、测量精度并便于显示测量结果。系统采用果。系统采用ADC0809对电压信号进行对电压信号进行数据采集，然后送单片机进行处理，显示数据采集，然后送单片机进行处理，显示输出功率数值。但是由于前端输出为交流输出功率数值。但是由于前端输出为交流的电压量，为了能够测量，应先对交流量的电压量，为了能够测量，应先对交流量进行精密整流。因此，该测量装置由精密进行精密整流。因此，该测量装置由精密整流和单片机数据采集与显示电路组成。整流和单片机数据采集与显示电路组成。3.1.2 方案论证与比较方案论证与比较(1)整流电路整流电路方案一：用二极管直接整流。方案一：用二极管直接整流。二极管整流器可以将一个交流信号转变为
11、脉动的直流信号，其电路原理简单，制作容易。但由分析可知，只有当二极管的正向电压降大于0.3V（锗管）或0.7V（硅管）时，二极管才能导通，所以二极管不适用于小信号整流。3.1.2 方案论证与比较方案论证与比较方案二：集成运放全波整流。方案二：集成运放全波整流。本方案采用集成运放构成反相全波整流，如图3-5所示。其前一部分是半波整流电路，当输入信号为正时，反馈回路中的全部的电流都通过VD1，而电路的输出为0；当输入信号为负时，反馈回路的电流通过VD2，从而输出电压(即R2上的电压)是输入电压的反相，由于运放有很高的增益，因此只要有一个很小的负的输入电压就足以使VD2导通，这样即可实现精密的半波整
12、流，再将半波整流器的输入电压和输出电压相加就构成了小信号全波整流器。3.1.2 方案论证与比较方案论证与比较方案确定方案确定：方案一尽管电路简单，但是一般二极管的工作频率不能太高，且二极管有管压降，输出电压会产生误差。方案二是采用集成运放全波整流，使得输入阻抗增加，负载对输入信号影响小，二极管采用4148，频率可达到20kHz，产生误差小，所以采用方案二。3.1.2 方案论证与比较方案论证与比较(2)单片机数据采集与功率显示电路设计单片机数据采集与功率显示电路设计方案一：采用方案一：采用ICL7107集成芯片测负载两端电集成芯片测负载两端电压，通过功率计算间接得到得功率数值。根压，通过功率计算
13、间接得到得功率数值。根据公式，只要对负载两端信号电压先通过一据公式，只要对负载两端信号电压先通过一个模拟乘法器得到，再通过比例放大电路衰个模拟乘法器得到，再通过比例放大电路衰减减1/8，此时，此时ICL7107可以测得负载两端的电可以测得负载两端的电压，从而间接反映负载两端的待测功率。压，从而间接反映负载两端的待测功率。3.1.2 方案论证与比较方案论证与比较方案二：方案二：采用A/D转换器、单片机与功率显示部分构成单片机系统。将精密整流输出的直流信号通过8位A/D转换芯片ADC0809送入单片机89C51，根据公式P=(D5/256)2/81000mW(其中D为数字量，代表A/D转化值)，通
14、过软件编程对D值进行计算或查表即可得到与电压对应的功率，同时可利用仿真机AEDK51W进行仿真以验证程序的正确性。3.1.2 方案论证与比较方案论证与比较v方案确定：方案确定：根据题目要求功率测量误差须优于5%，如果采用方案一，其原理虽然可行，但用模拟乘法器实现的平方电路精度不高，误差过大，并且调试比较复杂，故选择方案二。通过程序处理可实现对功率的间接精确测量。此外，使用单片机的软硬件设计可以便于对功率表的功能进行任意扩展，增加该测试仪器的通用性。该部分的系统框图如图3-6所示。3.1.2 方案论证与比较方案论证与比较4.直流稳压电源设计直流稳压电源设计方案一：采用开关稳压电源。使用开关方案一
15、：采用开关稳压电源。使用开关稳压器后，输入电压范围大大展宽，可获稳压器后，输入电压范围大大展宽，可获得较大的输出电流，电源效率较高。得较大的输出电流，电源效率较高。方案二：采用小功率直流稳压电路。主方案二：采用小功率直流稳压电路。主要包括变压器、整流桥、电容滤波和集成要包括变压器、整流桥、电容滤波和集成稳压块等。虽然集成稳压块的电源利用率稳压块等。虽然集成稳压块的电源利用率不高，但是稳压效果较好，能够实现较小不高，但是稳压效果较好，能够实现较小的纹波系数，可以满足各部分供电的要求，的纹波系数，可以满足各部分供电的要求，且成本较低，电路简单，易于装配。且成本较低，电路简单，易于装配。3.1.2
16、方案论证与比较方案论证与比较方案确定：方案确定：由于开关电源电路比较复杂，故成本较高。虽然题目没有给电源提出特殊要求，但由于该电源需要向单片机等集成芯片供电，同时为ADC0809提供参考电压，故需要一定的电源稳定性，而电源效率不是要考虑的主要因素，故采用方案二供电，电路如图3-7所示。万一输入端短路，大电容放电会使稳压块由于反电流冲击而损坏，加稳压二极管可使反相电流流向输入端起到保护作用。3.1.3 理论分析与计算理论分析与计算1功率放大电路功率放大电路设管压降为设管压降为Uces，电源，电源电压为电压为US，负载为，负载为RL。当当Us=5V，RL=8时，时，则则Po=。在理想情况下，。在理
17、想情况下，即即Uces=0时，时，P0=(25/16)W=1.56W，而实际上而实际上Uces一般有一般有1V左右，左右，Po=(16/16)W=1W，刚，刚好能满足题目要求。好能满足题目要求。功率放大电路如图3-8所示。3.1.3 理论分析与计算理论分析与计算由于设计要求输入阻抗大于10k，放大倍数为120连续可调，但在实测中我们发现，其输入阻抗大约只有5 k左右，不能满足题目要求，为此可以在输入信号与功率放大器之间加一同相运算放大器进行隔离，防止功放与输入信号的相互影响，同时也可提高输入阻抗。根据要求输入阻抗大于10 k，则此时电阻R1的取值应大于10 k，但不能太大，否则会衰减输入信号。
18、由于TDA2822放大倍数大约为100，能够满足题目中最高放大倍数20的要求。而过大的信号，会使波形严重失真，这样就应在输入端通过电阻分压。同时，由于电源可能不稳，在电源US边上并联一个1000F的大电容，用于吸收电源的高频和交流分量，使+5V电源更加稳定。而且TDA2822的1、3两输出端口输出压降可能会因电路不对称而不同，这样在空载时也会有压降，这主要是由于其中的直流成分引起，为此在两端分别串接220F的大电容，滤去直流分量，减少发热量。3.1.3 理论分析与计算理论分析与计算同时TDA 2822内部为两个功率放大反相相连，容易产生自激振荡，只需在输出端分别旁路两个小电容即可防止产生自激振
19、荡，对其值要求不是太严，只需防止自激即可，这里取0.01F。3.1.3 理论分析与计算理论分析与计算2信号变换电路信号变换电路采用电路见图采用电路见图3-4。从其。从其电路结构可知，这是一种电路结构可知，这是一种差动放大器，对电路差动差动放大器，对电路差动电压放大倍数的计算公式电压放大倍数的计算公式如式如式(3-1)所示。所示。Uo=RF/R1(Vi1Vi2)(3-1)由式由式(3-1)得其增益表达式得其增益表达式为为 Av=RF/R13.1.3 理论分析与计算理论分析与计算调整各电阻的阻值，可完成放大倍数为1的由双端信号到单端信号的转换，设计要求整个信号变换电路Av=1，则有当RF=R1时，
20、Av=1。3.1.3 理论分析与计算理论分析与计算3功率测量与显示装置功率测量与显示装置为了提高精度，此处采用为了提高精度，此处采用ADC采集直流电压信采集直流电压信号，经号，经A/D转换送单片机转换送单片机89C51处理得到电压值，处理得到电压值，因为负载电阻因为负载电阻RL=8不变，此时不变，此时 P=U2/RL，功，功率与电压值一一对应，则可建立一张功率与电压对率与电压值一一对应，则可建立一张功率与电压对应表。知道电压值后，只需通过查表方法即可得相应表。知道电压值后，只需通过查表方法即可得相应功率值。在应功率值。在ADC0809设计时，保留了设计时，保留了4个输入通个输入通道，现在，一个
21、用于检测功率放大器的电压输出，道，现在，一个用于检测功率放大器的电压输出，另外另外3个用于扩展功能。个用于扩展功能。3.1.3 理论分析与计算理论分析与计算v由于本系统主要是提高功放的效率，所以如果能检测并显示功放的效率是很有用的。为此，系统留了一个通道用于检测功放效率。因为效率=Po/Ps。v其中Po为输出功率，Ps为总功率，且：Po=，Ps=USI。3.1.3 理论分析与计算理论分析与计算综上所述，要测效率则需测量功放的工作电流。只需功放接地端串入一个标准电阻进行电压取样，这样就可得到电流I，进而可得到总功率，再用输出功率除以总功率即可得出效率，还可显示出来。如果输出端短路，则将产生一个很
22、大的电流，这时功放将发热很厉害，甚至可能烧坏芯片。因此，可以设计一个输出短路保护功能。输出短路保护功能设计时，在负载电阻的前面串接了一个小电阻，从小电阻上取电压经过一比较器，当电压大于某一值时，就发出一个脉冲送入单片机，使单片机产生中断，执行一个程序后可将串接在负载上的互感器断开，同时报警，达到短路保护的作用。3.1.3 理论分析与计算理论分析与计算v单片机数据采集处理显示程序流程图如图3-9所示。3.1.4 调试调试据前面所提方案，调试过程分为功率放大、信号变换、测量3个独立模块进行单独调试。每个模块调试成功后，再进行整体调试。1.功率放大功率放大此步调试时主要注意所接电容是否合理，输入电压
23、大小如何，可用示波器观察输出波形，如能得到稳定的不失真正弦波形，则可以通过调试。2.信号变换信号变换注意检查运放的电源地是否接牢、各电阻值是否恰当，然后用示波器同时观察输入、输出波形，然后微调反馈电阻，使增益AV=1。3.1.4 调试调试3.测量装置调试测量装置调试用示波器进行观察输出信号是否为半用示波器进行观察输出信号是否为半波正弦，调试好整流部分，然后调试显波正弦，调试好整流部分，然后调试显示部分。先将最小系统板和显示电路焊示部分。先将最小系统板和显示电路焊接好，可先设计一个简单的接好，可先设计一个简单的8字循环程序字循环程序看显示部分硬件是否正确，然后装上看显示部分硬件是否正确，然后装上
24、A/D转换器看能否得出正确结果，调试转换器看能否得出正确结果，调试中可用中可用ADEK-51单片机开发系统帮助调单片机开发系统帮助调试。试。3.1.5 数据测试数据测试1测量环境测量环境 室温：室温：24 日期：日期：年年 月月 日日2测试仪器测试仪器仪仪 器器 名名 称型称型 号号 规规 格数格数 字字 万万 用用 表表M8900双双 踪踪 示示 波波 器器HITACHE OSCILLOSCIPE V-252 20MHz信信 号号 发发 生生 器器GW FUNCTIONGENERATOR(MODEL：GFG-8016G)数数 字字 毫毫 伏伏 表表AS2173 AC MILLIVOLT ME
25、TER(5Hz2MHz)3.1.5 数据测试数据测试3.测试结果测试结果v1)通频带。在通频带。在-3dB通频带为通频带为30Hz20kHz，且波形无失，且波形无失真。真。v2)该电路为音频放大电路，令该电路为音频放大电路，令f=1kHz时，通过调整放大时，通过调整放大器输入端的衰减比例系数以及输入信号的幅值，可使输器输入端的衰减比例系数以及输入信号的幅值，可使输出功率达到出功率达到0.8W，输出的正弦信号开始失真，继续增大，输出的正弦信号开始失真，继续增大输出功率至输出功率至1W时，输出失真稍大。时，输出失真稍大。v3)测量输入阻抗。调节输入电压的峰值为测量输入阻抗。调节输入电压的峰值为1V
26、时，用毫伏时，用毫伏表测量信号变换输出端的电压为表测量信号变换输出端的电压为2.4V。保持输入电压不。保持输入电压不变，在入口处串一变，在入口处串一10k电阻，测得输出电压为电阻，测得输出电压为1.9V。通。通过计算公式：过计算公式：2.4V/1.9V=(10k+r)/r 解得解得 r=38k。放。放大倍数大倍数025可调。可调。3.1.5 数据测试数据测试v4)噪声电压。调节电压放大倍数为10后，使输入端对地交流短路，分别测量在f=300Hz，1kHz，20kHz时，低频噪声电压均小于4mV。v5)在输出功率为500mW时，测得功率放大器的电流为0.20A，则功放效率为：v500mW/(0.
27、20A5V)=50%，基本满足要求。单片机系统可实时测量放大器输出功率，并显示输出。平均误差小于5%。输出功率保持为200mW，将放大倍数调高，并降低电源电压，最低可达3.2V，直流电源电流为110mA。则效率是200mW/(110mA3.2V)=58.2%。v6)输出短路保护。可在负载旁串联一小电阻，作为测流电阻，经过信号变换后，送入单片机，由其控制串在放大电路中的继电器，实现过电流保护功能。3.1.5 数据测试数据测试综上所述，该系统能够基本满足题目要求，具有低噪声、高频宽、放大倍数连续可调的特点，且效率较高，作为本题目的测试部分的单片机系统不但可以满足要求，还留有扩展接口，以备它用。例如
28、：可以监测功放部分的电流值，进而计算效率；还可以监测负载的电流，进行过电流保护等。3.2 数控直流电流源数控直流电流源3.2.1 任务书任务书v设计并制作数控直流电流源。输入交流200240V，50Hz；输出直流电压10V。其原理示意图3-10所示。3.2.1 任务书任务书1.基本要求基本要求1)输出电流范围：输出电流范围：2002000mA。2)可设置并显示输出电流给定值，要求输出电流可设置并显示输出电流给定值，要求输出电流与给定值偏差的绝对值与给定值偏差的绝对值 给定值的给定值的1+10 mA。3)具有具有”+”、”-”步进调整功能，步进步进调整功能，步进 10mA。4)改变负载电阻，输出
29、电压在改变负载电阻，输出电压在10V以内变化时以内变化时,要要求输出电流变化的绝对值求输出电流变化的绝对值 输出电流值的输出电流值的1+10 mA。5)纹波电流纹波电流 2mA。6)自制电源。自制电源。3.2.1 任务书任务书 2.发挥部分发挥部分1)输出电流范围为输出电流范围为202000mA，步进，步进1mA。v2)设计、制作测量并显示输出电流的装置设计、制作测量并显示输出电流的装置(可同时或交替显可同时或交替显示电流的给定值和实测值示电流的给定值和实测值)，测量误差的绝对值，测量误差的绝对值测量值的测量值的0.1+3个字。个字。v3)改变负载电阻，输出电压在改变负载电阻，输出电压在10V
30、以内变化时，要求输出电以内变化时，要求输出电流变化的绝对值流变化的绝对值输出电流值的输出电流值的0.1+1 mA。v4)纹波电流纹波电流0.2mA。v5)其他。其他。v注意：注意：v1)需留出输出电流和电压测量端子。需留出输出电流和电压测量端子。v2)输出电流可用高精度电流表测量。如果没有高精度电流表，输出电流可用高精度电流表测量。如果没有高精度电流表，可在采样电阻上测量电压换算成电流；可在采样电阻上测量电压换算成电流；v3)纹波电流的测量可用低频毫伏表测量输出纹波电压，换算纹波电流的测量可用低频毫伏表测量输出纹波电压，换算成纹波电流。成纹波电流。3.2.2 方案论证与比较方案论证与比较1.恒
31、流源构成器件的选择与比较恒流源构成器件的选择与比较方案一：方案一：简单实用的恒流源可以由一个稳压源和一个电阻构成，如图3-11所示。但当要求的恒流值稍大、负载变化范围较宽且恒流精度较高时，这种方法就失去其实用价值。为了获得高精度、宽范围、大电流的恒流源，必须另找途径。3.2.2 方案论证与比较方案论证与比较方案二：方案二：用恒流器件构成恒流源。恒流器件的伏安特性如图3-12所示，即在它的ab段内，通过其中的电流和它两端的电压变化几乎无关时，就可利用它来构成恒流源；在工作点Q处，Uo在较大范围内变化时，只引起Io极小的变化，即等效电阻(或动态电阻)很大。但是该处的直流电阻RD=Uo/Io较小，无
32、需很高的电源电压，这正是要求的理想恒流器件。镇流管、半导体恒流管、电子管、晶体管等都具有图3-12所示的伏安特性。例如用一个稳定的或非稳定的直流电压源和一个硅恒流二极管就可构成一个结构简单、性能良好的恒流源。3.2.2 方案论证与比较方案论证与比较和方案一不同，方案二的供电电源可以是未经稳定的直流电压源，允许输入电压在较大范围内变化。该方案电路简单，使用方便；但镇流管的恒流工作范围很窄，稳流性能也不太好，半导体恒流二极管的最大电流只有6mA，半导体恒流晶体管的恒流性能与恒流二极管差别不大，所以该方案无法达到精度或输出电流范围的要求。3.2.2 方案论证与比较方案论证与比较方案三：方案三：用负反
33、馈放大器构成恒流源。利用电流串联负反馈提高放大器的输出阻抗，如图3-13所示，RL，Rf分别为负载电阻和负反馈电阻，Us为稳定电压。设Io为输出电流，则反馈电压Uf=IoRf，放大器输出电压Eo=Io(RL+Rf)，而放大器输入电压为：(3-2)式(3-2)中为放大器的电压增益。考虑到放大器输入电压和反馈电压的关系，则有：(3-3)v可以利用式(3-3)求得输出电流为v (3-4)v式(3-4)的相当于电压为KAUs的一个电源内阻。一般情况下，增益KA1，即有(1+KA)RfKARfRL。00fiAAEIREKKL（R）isfs0fEUUUI RLfASAoRR)K1(UKI3.2.2 方案论
34、证与比较方案论证与比较于是，也就是说，输出电流与和负载电阻变化无关，因而图3-13是一个恒流源电路。这种方法条理清晰，控制方便，易于数字化用单片机处理，所以我们选择该方案作为设计的总体方案。3.2.2 方案论证与比较方案论证与比较2.调整元件工作方式的选择与比较调整元件工作方式的选择与比较我们已经选择用负反馈放大器构成恒流源，我们已经选择用负反馈放大器构成恒流源，而其后端的调整元件的工作方式可以有以下而其后端的调整元件的工作方式可以有以下3种方案：种方案：3.2.2 方案论证与比较方案论证与比较方案一：方案一：开关调整型恒流源，如图3-14所示，电源Ui(交流或直流)通过开关S和滤波回路向负载
35、提供电流。这个电流也流过标准电阻RS，而放大器A将RS上的电压降IogRS和基准电压US比较，并对电子开关S进行控制以保持输出电流Io的稳定。3.2.2 方案论证与比较方案论证与比较方案二：方案二：连续调整型恒流源，其结构示意图如图3-15所示，其中A是放大器，它的一个输入端接基准电压US，另一个输入端加入反馈电压IogRS，由于放大器的作用，最终使输出电流在标准电阻RS上的压降和基准电压近似相等，因此得到，由此可见，连续调整型恒流源的输出电流仅由基准电压和标准电阻决定，而与电源电压和负载变化无关。3.2.2 方案论证与比较方案论证与比较方案三：方案三：组合调整型恒流源，如图3-16所示。它将
36、前两种方案结合起来，综合了两者的优点，即在开关调整稳压电路后紧接连续调整型恒流源电路。这样一来，开关电路输出的脉冲纹波经后接的连续调整电路调整后，最终输出的电流十分稳定，但系统也更加复杂。3.2.2 方案论证与比较方案论证与比较3种方案的比较：连续调整型恒流源电路的稳定性能(即恒流性能)较好，电路比较简单但其输出容量不大；开关调整型恒流源因输出容量大，其调整管工作在开关状态，效率明显提高，但输出纹波较大，所以恒流性能不好；组合调整型恒流源可以结合上述两者的优点，而克服两者的缺点。3.2.2 方案论证与比较方案论证与比较通过对本题的分析可知，所要求的输出容量并不大，在20W以下，所以可以不用考虑
37、，而本题要求纹波电流小于0.2mA，所以不宜采用方案一；方案三虽然各项指标都比较好，但其电路结构非常复杂，电路调试和控制程序调试将显得非常繁琐；所以我们选择方案二，其电路结构相对简单，便于调试，恒流性能和纹波电流指标也都能满足本题要求。3.2.2 方案论证与比较方案论证与比较3.微处理器的选择与比较本题要求制作的直流电流源是数控式的，可以显示输出电流的给定值以及实际测量值，因此必然要结合微处理器，并且通过微处理器的控制作用对输出电流进行精确校正。常用的微处理器有8086、单片机、数字信号处理器(DSP)或复杂可编程逻辑器件(CPLD)等。DSP实现起来相当复杂，超过了自己的知识范围。复杂可编程
38、逻辑器件(CPLD)具有速度快的特点，但其实现较复杂，且做到友好的人机界面也不太容易。单片机实现较容易，并且具有一定的可编程能力，对于本题足以胜任。3.2.2 方案论证与比较方案论证与比较单片机含有多种系列，如51系列单片机及AVR、PIC系列单片机。PIC单片机是美国MicroChip(微芯)公司推出的一种8位单片机，其硬件系统设计简捷，指令系统设计精炼，采用精简指令集(RISC)和哈佛双总线结构，还具有速度高、功耗低、驱动电流大、控制能力强等优点。因此，我们选择了PIC系列单片机的PIC16F877A型号的芯片。3.2.3 理论分析与参数计算理论分析与参数计算1.A/D、D/A芯片的选择计
39、算芯片的选择计算本题要求输出电流范围为本题要求输出电流范围为202000mA(综合基综合基本要求和发挥要求本要求和发挥要求)，步进，步进1mA，也即分辨率为，也即分辨率为1mA，根据式，根据式(3-5)得得 (3-5)最小位数为最小位数为11位，而为了给精度指标留有余地，位，而为了给精度指标留有余地，A/D芯片我们选择芯片我们选择16位的位的AD7715，D/A芯片选择芯片选择12位的位的DAC1230。经实验验证，效果比较理想。经实验验证，效果比较理想。max22I2000mAnloglog11I1mA3.2.3 理论分析与参数计算理论分析与参数计算2.采样电阻采样电阻稳流电源的电流取样，实
40、质上是稳流电源输出的稳流电源的电流取样，实质上是稳流电源输出的负载电流在其上产生的电压降，它的数值大小直接负载电流在其上产生的电压降，它的数值大小直接影响电流效率，越高，稳流电源的效率就越低，采影响电流效率，越高，稳流电源的效率就越低，采样电阻上耗散的功率就越大，因此温升高，取样电样电阻上耗散的功率就越大，因此温升高，取样电阻的稳定性会变差，会使电源稳定性降低。有以下阻的稳定性会变差，会使电源稳定性降低。有以下求取采样电阻的经验公式：求取采样电阻的经验公式：(3-6)为负载电流。取样电阻上的电压降不宜选值太高，为负载电流。取样电阻上的电压降不宜选值太高，我们取为我们取为0.2V，根据题目要求取
41、，根据题目要求取2A，代入式，代入式(36)，可得采样电阻取可得采样电阻取0.1。SISLURI3.2.3 理论分析与参数计算理论分析与参数计算3.精密基准电压的计算精密基准电压的计算v精密基准电压的稳定性直接关系着电流源输出电流精密基准电压的稳定性直接关系着电流源输出电流的稳定性，可由公式的稳定性，可由公式(3-6)计算出基准电压，即计算出基准电压，即v (3-6)v取样电阻由上面计算可知取取样电阻由上面计算可知取0.1，取，取2A，所以，基所以，基准电压取准电压取0.2V，即，即200mV。REFS LUR I3.2.3 理论分析与参数计算理论分析与参数计算4.直流电流源的主要性能参数直流
42、电流源的主要性能参数直流电流源有稳流系数和内阻两项主要性能参数。稳流系数是指稳流电源在输入电压变化时对电源的输出电流的稳定性的影响，也叫做电流调整绿。内阻是指稳流电流在负载变化时对稳流电源稳定性的影响。此外，对稳流电源性能有影响的还有其他一些因素，如环境温度变化等。3.2.3 理论分析与参数计算理论分析与参数计算(1)稳流系数 定义稳流系数这个性能参数时，应假设负载电阻、温度变化等因素都固定不变，可变量只有稳流电源的输入电压的前提条件下进行的。无论输入电压是升高还是降低，其结果必然使稳流电源输出电流升高或降低。这就是稳流系数的确切含义。从进一步定量地说，假设输入电压变化，输出电流变化，越小稳流
43、电源的稳定性越好。如果输入电压和输出电流的变化量都用相对值、表示，则稳流系数可用数学式表示为v (3-7)v很明显，越小，受变化影响就越小，稳流电源的稳流性能就越好。LIILIIUS/IU3.2.3 理论分析与参数计算理论分析与参数计算(2)输出电阻Rov输出电阻，即动态内阻，简称内阻。它是指输入电压、环境温度等因素都不变的情况下，负载电流的变化对稳流电源稳定特性的影响。它可以用式(3-8)表示。v (3-8)L0LURI 3.2.3 理论分析与参数计算理论分析与参数计算5.数字地、模拟地单独接地数字地、模拟地单独接地这是没有设计经验的人比较容易忽略的部这是没有设计经验的人比较容易忽略的部分，
44、模拟地和数字地要尽量隔开，仅仅在一分，模拟地和数字地要尽量隔开，仅仅在一个地方汇合，这样数字地上杂乱无章的信号个地方汇合，这样数字地上杂乱无章的信号对模拟部分的影响就会变得小很多，这对保对模拟部分的影响就会变得小很多，这对保证电路的性能是非常关键的证电路的性能是非常关键的 3.2.4 系统原理框图系统原理框图3.2.4 系统原理框图系统原理框图系统框图如图系统框图如图3-17所示。所示。PIC单片机、单片机、A/D、D/A芯片、键盘、芯片、键盘、LCD构成单片机系构成单片机系统；比较放大器、负载、调整管及采样单元构成恒流源电路。统；比较放大器、负载、调整管及采样单元构成恒流源电路。3.2.4
45、系统原理框图系统原理框图单片机是数控直流电流源控制的核心部分，它既协调整机工作，又是数据处理器。选用PIC单片机，实现对A/D、D/A等器件对模拟信号进行信号的采集、处理和输出，从而对输出电流值进行控制校正，达到较高的精度。系统的人机接口键盘和LCD显示也由PIC单片机控制。恒流源电路实现系统功能，比较放大器一个输入端与DAC的输出端相连，另一个输入端加入反馈电压IogRS，反馈电压同时与ADC的输入端相连，由于比较放大器的作用，最终使输出电流在标准电阻RS上的压降和DAC的输出(即方案比较中所论述的基准电压)近似相等，因此恒流源的输出电流仅由基准电压(需用单片机系统进行校正)和标准电阻决定，
46、而与电源电压和负载变化无关。3.2.5 系统各模块电路的设计系统各模块电路的设计1.单片机系统电路单片机系统电路单片机是数控直流电流源控制的核心部分，它既协调整机工作，又是数据处理器。本系统以PIC16F877A单片机为核心，以键盘、点阵液晶构成友好的人机接口。单片机通过A/D、D/A等器件对模拟信号进行信号的采集、处理和输出，从而对输出电流值进行控制校正，达到较高的精度。系统框图如图3-18所示。3.2.5 系统各模块电路的设计系统各模块电路的设计所用的键盘是键盘，其消抖性能良好；点阵液晶显示器内含1616点阵国际一级简体汉字和ASCII88(半高)及816(全高)点阵英文字库。3.2.5
47、系统各模块电路的设计系统各模块电路的设计2.A/D转换电路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。模数转换电路采用AD7715与PIC单片机的RC3RC5相连。AD7715运用转换技术实现16位无损编码，用于低频测量的全模拟前端器件，能接收直接来自传感器的弱电平信号并输出连续的数字信号，输入信号被连接到一个基于模拟调节器的专用可编程放大器前端，调节器输出信号被一个片内的数字滤波器处理。数字滤波器第一陷波点的频率可以通过片内控制寄存器进行编程，以调节滤波器的截止频率和输出速率(输出速率=第一陷波点的频率)。3.2.5 系统各模块电路的设计系统各模块电路的
48、设计AD7715的可编程功能是通过一系列的片内寄存器控制的。数据通过芯片的串行接口写入寄存器，对寄存器中数据的读取也是通过该接口。所有与芯片的通信操作开始于对通信寄存器的写操作，通信数据从高位先输出。AD7715串行接口包含5个信号：、，及。用于传输数据到片内寄存器，而用于从片内寄存器中取得数据，是芯片的时钟信号输入，所有的数据传输在控制下发生。用作状态信号，指出何时可读AD7715的数据寄存器。当数据寄存器中有一个字的新数据可读取时，变为低电平，对数据寄存器的读操作完成后，变为高电平，它也在数据寄存器下一次刷新之前变为高电平，指明此时不能从芯片中读数据，以确保在寄存器刷新时数据不被读出，避免
49、错误。用于选中该芯片。在多器件连接至串行总线的系统中它可用于地址译码。3.2.5 系统各模块电路的设计系统各模块电路的设计电路图如图3-19所示，其中基准源由稳压管TL431通过可变电阻分压提供，引脚、与PIC单片机RC3相连，与RC4相连，与RC5相连。模拟信号采用差分输入的方式，所以将AIN(-)接地，AIN(+)接输入的模拟信号，即采样反馈电压。AD7715的读取数据流程图见单片机软件设计部分。当输出电流稳定时，ADC的采样值即为输出电流的测量值，可送入单片机进行显示。3.2.5 系统各模块电路的设计系统各模块电路的设计3.D/A转换电路D/A转换电路是将单片机送来的数字信号转换为模拟信
50、号。数模转换电路采用DAC1230，它与单片机的接受端连接。DAC1230是12位的D/A转换芯片，外部供给基准电源；双寄存器结构，转换时间为1s。电路图如图3-20所示。数据口DI11DI4(DI3DI0与DI11DI8复用)与单片机的RD口相连，控制线、与RC0相连，、与RC1相连，与RC2相连。而D/A转换电路的输出端Vout of DAC与放大比较器的输入端相连，从而对输出电流进行控制校正。3.2.5 系统各模块电路的设计系统各模块电路的设计4.恒流源电路恒流源电路由比较放大器、调整管、负载和采样电阻4部分组成，如图3-21所示。RL为负载，RS为采样电阻，场效应晶体管IRFP为调整管
