1 绪论 众所周知，许多科学实验都离不开稳定电源，在这些实验中经常会对通电时间、电压高低、电流大小以及动态指标有着特殊的要求，然而目前实验所用的直流电源大多输出精度和稳定性不高；在测量上，传统的电源一般采用指针式或数码管来显示电压或电流，搭配电位器来调整所要的电压及电流输出值：使用上若要调整精确的电压或者电流输出，须搭配精确的显示仪表监测，又因电位器的阻值特性非线性，在调整时，需要花费一定的时间，况且还要注意漂移，起来非常不方便。因此，如果直流电源不仅具有良好的输出质量而且还具有多功能以及一定的智能化，以精确的微机控制取代不精确的人为操作在实验开始之前就对一些参数进行预设，这将会使个领域中的研究带来不同程度的方便高效。1.1 课题背景及意义 1.1.1 在计量领域中的应用 电流表的校验宜用恒流源。校验时，将待校的电流表与标准电流表串接于恒流源电路中。节恒流源的输出电流大小至被校表的满度值和零度值，检查各电流表指示是否正确。 在广泛应用的DDZ系列自动化仪表中，为避免传输线阻抗对电压信号的影响，其现场传输信号均以恒流给定器提供的 0-10mA或 4-20mA直流电流作为统一的标准信号，便于对各种信号进行变换和运算，并使电气、数模之间的转换均能统一规定，有利于与气动仪表、数字仪表的配合使用。在某些精密测量领域中，恒流源充当着不可替代的角色。如给电桥供电、用电流电压法测电阻值等。各种辉光放电光源：如光谱仪中的氢灯、氖灯，一旦被点燃，管内稀薄气体讯速电离。由于离化过程的不稳定性并恒有增加的倾向，放电管中的电流将随之上升。因此，在灯管上加以恒定电压时，它是不稳定的，其电流值可能增大到使灯管损坏。为了稳定放电电流，从而稳定灯管的工作状态，最好采用恒流源供电。各种标准灯(如光强度标准灯等)的冷态电阻接近于零，在使用时为防止电流冲击，一般通过调压器或限流电阻逐步加大电流至额定值，既不方便，又不安全。特别是，使用这些标准灯时，必须控制通过灯丝的额定电流不变，否则灯丝内阻的变化将影响灯的发光稳定性。因此，采用恒流源供电更为合理 。在电位差计中如果使用恒流源则可免去校正工作电流这一环节。1.1.2 在半导体器件性能测试中的应用 半导体器件参数的测量常常用到恒流源。例如，测量晶体管的反向击穿电压时，若预先将恒流源调至测试条件要求的电流值，则对不同击穿电压的晶体管无须调整就可由电表或图示仪表直接读出击穿电压的数值。不仅提高了测试效率，延长了仪表的使用寿命，而且限制了反向电流，不致损坏被测晶体管。 半导体器件参数的测量也必须采用恒流源。例如，用光电导衰退法测量材料的少数载流子寿命，用半导体霍尔效应测量材料的电导率、迁移率和载流子浓度等，因为半导体材料的电阻率对温度、光照极为敏感，若采用稳压电源，当电阻率改变时，测试电流也会变化，从而影响被测材料的参数值。为了保持测试电流不变，只有采用恒流源供电。1.1.3 在传感器中的应用 目前，在科技和生产部门广泛应用的各类物性型敏感器件，如热敏、力敏、光敏、磁敏、湿敏等传感器，常常采用恒流源供电。这不仅因为许多敏感器件是用半导体材料制成的，还因为这样可以避免连接传感器的导线电阻和接触电阻等的影响。1.1.4 现代大型仪器中稳定磁场的产生 在许多医疗诊断仪器中，如CT断层扫描仪和超导磁源成像仪中的磁场均要求很稳定。否则会造成严重的测量误差。如果采用稳压电源，由于电磁铁线圈工作时发热等原因会使其阻值改变，因而供电电流变化，导致磁场不稳定。如果采用恒流源供电就能克服上述缺点。因此，凡是要求磁场十分稳定的装置，就必须采用恒流源供电。所以，在核物理实验装置中，如粒子加速器、质谱仪、 谱仪以及云雾室，都必须采用恒流源供电。众所周知，在电子显微镜中焦距越小，放大倍数越大。为了提高放大倍数，就必须使焦距缩短，而焦距与磁场强度有关。如果磁场不稳定，则磁场强度也不稳定，从而使电子在焦点以外的磁场再次聚焦，甚至多次聚焦，而多次聚焦会使成像质量变坏。因此，必须采用恒流源供电。1.1.5 在其它领域中的应用 在用普通的充电机充电时，随着蓄电池端电压的逐渐升高，充电电流相应减小，为保持正常充电，必须随时提高充电机的输出电压。采用恒流源充电，就可以不必调整，即使从充电装置中加入或移去部分蓄电池也不影响正常充电，从而使劳动强度降低，生产效率提高。 许多电真空器件，如示波管、显像管、功率发射管等，它们的灯丝冷电阻很小，当用额定电压点燃时，在通电瞬间电流很大，常常超过灯丝额定电流许多倍。这样大的冲击电流容易使灯丝寿命缩短。为了保护灯丝，最好采用恒流源供电。当灯丝从冷到热变化时，通过灯丝的电流保持稳定。对于价格昂贵的大功率发射管或要求电真空器件的工作十分稳定时，恒流源供电尤为重要。除此之外，线性扫描锯齿波的获得，有线通信远供电源，电泳、电解、电镀等化学加工装置电源，电子束加工机、离子注入机等电子光学设备中的供电电源也都必须应用恒流源。 1.2国内外研究现状 在我国，以电力电子学为核心技术的电源产业，从二十世纪 60 年代中期开始形成，到了 90 年代以来，电源产业进入快速发展时期。一方面，电源产业规模的发展在加快；另一方面，在国家自然科学基金的资助下或创新意识指导下，我国电力电子技术的研究从吸收消化和一般跟踪发展到前沿跟踪和基础创新，电源产业界涌现了一些技术难度较大，具有国际先进水平的产品，而且还产生了一大批具有代表性的研究成果和产品。目前国内还开展了跟踪国际多方面前沿性课题的研究或基础创新研究。但是我国电源产业与发达国家相比，存在着很大的差距和不足：在电源产品的质量、可靠性、开发投入、生产规模、工艺水平、先进检测设备、智能化、网络化、持续创新能力等方面的差距为 10-15 年，尤其在实现直流恒流源的智能化、网络化方面的研究不是很多。目前国内在这两方面研究比较多的是成都电子科技大学和广州华南理工大学，主要是利用单片机和可编程系统器件(PSD)来控制开关直流稳压电源或数字化电压单元达到数控的目的，但和国外的比较起来，效果不是很理想，还有很大的差距。目前，全国的电源及其配件的生产销售企业有 4000 家以上，产值有 300-400 亿元，但国内企业(著名的如北京大华、江苏绿扬等)销售的数控直流稳压电源大多是代理日本和台湾的产品，国内厂家生产的直流稳压电源虽然也在向数字化方向发展，但多限于对输出显示实现数码显示，或实现多组数值预置。总体来说，国内直流恒流源技术在实现智能化等方面相对落后，面对激烈的国际竞争，是个严重的挑战。在单片机测控系统中，由传感器检测到的信号避免不了会混杂一些干扰信号，尤其是在传输线较长时更是不可避免的。因此可采用滤波器滤掉随机干扰信号，提高信号的质量。但有些干扰信号很难用模拟滤波器除去，因此可采用数字滤波算法解决这一难题。数字滤波实际上是一种数字处理方法，是由计算机程序实现的数学运算，数字滤波也称为软件滤波。数字滤波在数字控制系统里得到了成功的应用，因为与硬件滤波相比，数字滤波有很多优点。在测控系统中数字滤波算法被广泛用于克服随机误差，它的滤波精度高、可靠性和稳定性好。另外，数字滤波是由软件程序实现的，不需要硬件，可以降低设计成本，适当修改滤波程序算法，就能方便地改变滤波特性，设计灵活方便，此外数字滤波可以实现硬件滤波无法实现或难以实现的滤波任务。本课题是基于单片机的数字滤波算法。单片机主要作用是控制外围的器件，并实现一定的通信和数据处理。但在某些特定场合，不可避免地要用到数学运算，尽管单片机并不擅长实现算法和进行复杂的运算。下面主要是介绍如何用单片机实现数字滤波。在单片机进行数据采集时，会遇到数据的随机误差，随机误差是由随机干扰引起的，其特点是在相同条件下测量同一量时，其大小和符号会现无规则的变化而无法预测，但多次测量的结果符合统计规律。为克服随机干扰引起的误差，硬件上可采用滤波技术，软件上可采用软件算法实现数字滤波。滤波算法往往是系统测控算法的一个重要组成部分，实时性很强。2 总体方案论证2.1 系统方案根据题目要求以及设计思路，我们要先确定总体的设计方案，参阅大量资料后，我们确定了设计中必有的各个模块，其中有单片机，A/D转换，D/A转换，V/I转换等，最终确定的系统框图如图2.1所示 ：图2.1 系统框图2.2 设计方案论证此方案采用保持电阻恒定而改变输入电压的方法来改变电流的大小。利用高精度D/A转换器在单片机程序控制下提供可变的高精度的基准电压，该基准电压经过V/I转换电路得到电流，再通过A/D转换器将输出电流反馈至单片机进行比较，调整D/A的输入电压，从而达到数控的目的。该方案的难点在于稳定恒流源的设计和高精度电流检测电路的设计。特点是可精确的控制电流的步进量，负载变化对电流输出的影响较小。2.3 负载电压、电流电路的设计 根据题目要求，设计了如图2.4所示的电路图。电路综合各方面的考虑因素在里面，由于TLC2543所测电压值在5V内，而负载一端接15V电压源另一端接功率管，因此采用差分增益电路采样负载电压，当Rb/Rc=Rd/Ra时，OP07输出电压ADin=Rb/Rc(Va-Vb)，硬件设置Rb/Rc=1/4,软件还原负载电压，保证测量精度。而采样精密电阻R1为1，通过采样R1两端电压值换算成电流值即可得到输出电流。2.4 D/A、A/D转换器模块D/A、A/D模块是单片机与外部数据连接的通道，因此这两个模块的选择与使用应当合理。2.4.1 D/A转换器本设计中应采用DAC模块提供高精度的基准电压，即通过CPU发出的二进制转换为的模拟电压，送给误差放大器，实现步进要求。根据题目扩展功能要求输出2002000MA，以1mA为步进，需要的级数为： (2.1)，故应采用12位D/A转换器为DA转换芯片，供选择的很多，在此选用proteus元件库中的LTC1456芯片2.4.2 A/D转换器A/D模块的是反馈的核心，我们采用Proteus元件库中的TLC2543芯片实现。TLC2543是一种低功耗、低电压的12位串行开关电容型AD转换器。它使用逐次逼近技术完成A/D转换过程。最大非线性误差小于1LSB，转换时间9s。它具有三个控制器输入端，采用简单的3线SPI串行接口可方便与微机进行连接，是12位数据采集系统的最佳选择器件之一。2.4.3 D/A、A/D连接电路D/A芯片 、A/D芯片与单片机的连接电路如下图2.5所示。图2.5 D/A 、A/D连接电路2.5 AT89C52控制模块在此设计中，单片机最小系统是数控的核心，可以满足设计要求的控制器核心单片机有很多种，比如AT89S52，AT89C52，Atmgae16等。2.51 AT89S52介绍AT89S52是一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K在系统可编程Flash 存储器。AT89S52使用Atmel公司高密度非易失性存储器技术制造，与工业80C51产品指令和引脚完全兼容。片上Flash允许程序存储器在系统 可编程，亦适于常规编程器。在单芯片上，AT89S52拥有灵巧的8 位CPU和在系统可编程Flash，使AT89S52为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效的解决方案。 AT89S52具有以下标准功能： 1. 工作电压为4.0V-5.5V； 2. 全静态工作：0-24MHz； 3. 256*8位内部RAM； 4. 32个可编程I/O端口； 5. 3个16位定时器/计数器； 6. 8个中断源； 7. 一个全双工异步串口； 8. 支持低功耗及掉电模式； ATmega16ATmega16 有如下特点:16K字节的系统内可编程Flash(具有同时读写的能力，即RWW)，512 字节EEPROM，1K 字节SRAM，32 个通用I/O 口线，32 个通用工作寄