【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 光電耦合器封裝形式和內(nèi)部結(jié)構(gòu) HCNR200 由發(fā)光二極管 LED、反饋光電二極管 PD輸出光電二極管 PD2 組成。當(dāng)LED 通過驅(qū)動(dòng)電流 IF 時(shí)，發(fā)出紅 外光（伺服光通量）。該光分別照射在 PD PD2 上，反饋光電二極管 PD1 吸收光通量的一部分，從而產(chǎn)生控制電流 IPD1（ IPD1=），該電流用來調(diào)節(jié) IF，以補(bǔ)償 LED 的非線性。輸出光電二極管 PD2 產(chǎn)生的輸出電流 IPD2 與LED 發(fā)出的伺服光通量成線形比例。令伺服電流增益 KI= IPD1／ IF，正向增益 K2= IPD2 ／ IF；則傳輸增益 K3= K2／ KI= IPD2／ IPD1， K3 的典型值為 1。 由于 HCNR200 輸出電流 IPD2 與 LED 發(fā)出的伺服光通量成線性比例，且其非線性度為 %，傳輸 增益為 100177。 15%；溫度增益系數(shù) 65 106/℃ ,帶寬大于 1MHZ,耐壓為直流1000V。具有精度較高、轉(zhuǎn)換速度快、穩(wěn)定性好的特點(diǎn)，能達(dá)到系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求。 方案比較與選擇：前者電路連接形式簡(jiǎn)單，能滿足題中基本部分的要求，但要達(dá)到發(fā)揮部分的指標(biāo)，対后級(jí)信號(hào)處理的難度非常大；后者在電路結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，器件較多，基于對(duì) 設(shè)計(jì)功能全面的考慮，選擇了方案二 沈陽工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 8 A/D 和 D/A 芯片的選擇 根 據(jù)設(shè)計(jì)要求 ,系統(tǒng)要求輸出的電壓為 20~2021mA，步進(jìn)為 1mA，且要求顯示數(shù)值，因此給定量的執(zhí)行元件 —— 數(shù) /模轉(zhuǎn)換器 (即 D/A)與檢測(cè)量化元件 —— 模 /數(shù)轉(zhuǎn)換器 (即 A/D),至少需要 11 位的轉(zhuǎn)換精度。結(jié)合系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求 ,并考慮到單片機(jī)的 I/O 接口資源緊張等因素。最終確定選用串行數(shù)據(jù)傳送方式的 ADS7841 和 DAC7512 兩款芯片轉(zhuǎn)換精度均為 12位的集成芯片 ,其量化精度能達(dá)到 1/40961/2021,完全能達(dá)到設(shè)計(jì)的精度要求。 控制器芯片的選擇 在本設(shè)計(jì)中 ,控制器芯片主要完成與 A/D、 D/A 的數(shù)據(jù)通信及對(duì)其數(shù)據(jù)的處理 ,實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)給定量的設(shè)定和對(duì)輸出量的采樣與顯示。同時(shí) ,還要求對(duì)各種故障信息進(jìn)行檢測(cè) ,及時(shí)的發(fā)出相 應(yīng)的報(bào)警信號(hào)。此外 ,由于本系統(tǒng)屬于強(qiáng)的 EMI 源 ,因此對(duì)主控制器芯片的抗干擾性能和故障處理能力有較高的要求。 控制器芯片采用 Atmel 公司的 AT89S8252 CMOS 8 為單片機(jī)， AT89S8252 比普通的 51系列單片機(jī)具有更強(qiáng)大的功能，其片內(nèi)含 8KB 可反復(fù)擦寫的 Flash 只讀程序存儲(chǔ)器和 256字節(jié)隨機(jī)存取數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（ RAM） 。SPI 串行口用于編程向下裝載 。兼容標(biāo)準(zhǔn) MCS51 指令系統(tǒng) 。片內(nèi)置通用 8位中央處理器和 Flash存儲(chǔ)單元 。有 32個(gè)外部雙向輸入 /輸出 (I/O)端口 。9個(gè)中斷源 ,內(nèi)涵倆個(gè)外中斷口 。3 個(gè) 16 位可編程定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器 ?？删幊?UART 串行通信口 。SPI 串行口。 AT89C51 可按照常規(guī)方法進(jìn)行編程，也可在線編程。其將通用的微處理器和 Flash 存儲(chǔ)器結(jié)合在一起，特別是可反復(fù)擦寫的 Flash 存儲(chǔ)器可有效的降低開發(fā)成本。因此，選擇Atmel 公司的 AT89C51 作為控制器芯片。 AT89C51 有 PDIP、 TQFP 和 PLCC 三種封裝形式，以適應(yīng)不同應(yīng)用系統(tǒng)的需求。 人機(jī)界面 人機(jī)界面包括對(duì)給定值的輸入、顯示和輸出電流值的實(shí)時(shí)顯示等。輸入設(shè)備采用輕觸接健來實(shí)現(xiàn)。對(duì)顯示部分有以下兩種方案可供選擇。 方案一： 采用 LCD（液晶）顯示，該方案具有低壓微功耗、平板型結(jié)構(gòu)、顯示的信息量大、無電磁輻射、使用壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)，但本系統(tǒng)要求顯示的數(shù)量小，不能發(fā)揮其顯示內(nèi)容豐富的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)占有 I/O口較多，且處在強(qiáng)干擾源中，可靠性較低。 方案二：用 LED(數(shù)碼管 )顯示。該方案具有實(shí)現(xiàn)容易、發(fā)光亮度大、驅(qū)動(dòng)電路簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，且其可靠性能也優(yōu)于 LED 的顯示。 基于可靠性方面的考慮，選擇方案二。 基于 AT89C51 的 數(shù)控直流電流源 設(shè)計(jì) 9 輔助電源選擇 輔助電源主要是為控制部分供電的，由于電流源的主要電路有開關(guān)管在工作，嗓聲干擾大，所以為了確保控制部分的穩(wěn)定性和可靠性，采 用與主電路分離的電源電路供應(yīng)。系統(tǒng)的前級(jí)供電方式示意圖如 圖 ： 圖 系統(tǒng)前級(jí)供電的示意圖 單相電源濾波器 主電路 變壓器 整流濾波 穩(wěn)壓輸出 輔助電源變壓器 整流濾波 穩(wěn)壓輸出 穩(wěn)壓輸出 沈陽工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 10 3 數(shù)控直流電流源的子模塊設(shè)計(jì) 電源輸入 EMI 濾波和主電路前級(jí)整流濾波穩(wěn)壓電路設(shè)計(jì) 電源輸入 EMI 濾波電路 ： 為濾除交流電源線上的外來干擾，同時(shí)能避免向外界發(fā)出噪聲 。在電源的輸入端加了一個(gè)型號(hào)為 SH1606的單相電源濾波器，其原理為雙向射頻干擾濾波器，根據(jù)產(chǎn)品技術(shù)資料，其濾波性能在全頻段都有明顯的效果， 特別是在低頻段（ 10～ 500KHZ）具有極佳的濾波效果，同時(shí)也能抑制電路中的串模、共模干擾。 主電路前級(jí)整流濾波穩(wěn)壓電路 ： 主電路前級(jí)整流穩(wěn)壓電路原理圖如圖 所示。根據(jù)題目要求，輸入的電壓范圍在200～ 240V 內(nèi)變化。在電路的設(shè)計(jì)中，斬波電路的供電電壓由 LM7818 提供，因此，只要在電壓的變化范圍內(nèi)能提供給 LM7818 的正常工作電壓，就不會(huì)對(duì)輸出有明顯的影響，根據(jù)LM7818 的資料手冊(cè)，可得其正常工作的輸入電壓范圍為 18～ 35V。變壓器次級(jí)線圈兩端交流電的 有效值 U2，經(jīng)全波整流濾波后，能提供給 LM7818 的電壓為 ，所以變壓器的變比 k的范圍為 240 ≤ k≤ 200 即 ≤ k≤ 13. 3,最后確定 k=11,在 220V 輸入的情況下 ,LM7818 的輸入電壓為 24V。 C210 4C110 4+ C347 00uF / 50V+ C4 uF / 5 0V+ C51u F / 50V123J2A C 1 輸入12J118 v 輸出D11N 5408D21N 5408L1L2V in1GND2V o ut3U1L M 781 8 圖 主電路前級(jí)整流穩(wěn)壓電路原理圖 變壓器降壓后得到的交流電電壓經(jīng)全波整流 ,經(jīng) C C4 濾波整流后，經(jīng)三端穩(wěn)壓器LM7818 穩(wěn)壓，為后級(jí)的斬波電路提供穩(wěn)定的電壓輸入。 基于 AT89C51 的 數(shù)控直流電流源 設(shè)計(jì) 11 PWM 調(diào)制波與 MOSFET 的驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì) PWM 自動(dòng)調(diào)節(jié)是由 SG3525 芯片實(shí)現(xiàn)的，其電原理圖如圖 所示。根據(jù) SG3525 的技術(shù)資料可知，其輸出的頻率由引腳端 5外接的電容 CT 值和引腳端 6 外接的電阻 RT 值所決定， PWM 調(diào)制波頻率為 f=1/() (公式 ) 本設(shè)計(jì)為了得到更好的輸出電流的質(zhì)量，將頻率設(shè)定在 100KHZ附近，取 C5（ CT） =，w3(RT)為 10kΩ 的可調(diào)精密電位器。在電路中調(diào)節(jié)電位器使輸出的頻率在 100KHZ 左右。之所以選用 100KHZ，是因?yàn)樵谡{(diào)試中發(fā)現(xiàn)，頻率太高，會(huì)使 IRF2510 的開關(guān)損耗增大，容易發(fā)燙，而 頻率太低，不利于濾波和恒流。 單片機(jī)控制 DAC7512 輸出給定信號(hào)送至 SG3525 的第 2 引腳，檢測(cè)電流反饋的信號(hào)送入第 1引腳，在硬件上直接構(gòu)成 PI 閉環(huán)調(diào)節(jié)，第 10引腳的封鎖端作為輸出過流過壓保護(hù)控制端直接由單片機(jī)控制。由于 SG3525 輸出的 PWM 波是由內(nèi)部的兩個(gè) D 觸發(fā)器分頻得到的，從第 11 引腳和第 14 引腳輸出的信號(hào)在相位上相差 180176。，其占空比小于 50%。兩路PWM 信號(hào)分別經(jīng)三個(gè) 40106 反相器放大后驅(qū)動(dòng)兩個(gè) IRF5210。 C710 4C610 2C533 2C420 4C110 4+C34. 7 uF12J2反饋輸入12J4123J3D11N 41 48W110 KW310 KW4 5KR847 0R74. 7 KR 1 02KR 1 22KR910 0R422 0KR25. 1 KR12. 4 KR31. 1 MR 1 622R 1 7221 2U 2 A40 10 61 2U 2 A40 10 61 2U 2 A40 10 61 2U 2 A40 10 61 2U 2 A40 10 61 2U 2 A40 10 6V C C13Ct5V I N +15Rt6V R E F 16D I S C7I N 1I N +2C O M P9S Y N C3O S O U T4O U T A11C S S8SD10O U T B14G N D12U1S G 35 25V C C 圖 PWM調(diào)制波與 IRF5210驅(qū)動(dòng)電原理圖 斬波電路與 濾波穩(wěn)流電路設(shè)計(jì) 斬波電路原理框圖如圖 所示。其中， IRF5210 為開關(guān)器件； D為續(xù)流二極管； L 為儲(chǔ)能電感； RS 為采樣電阻，取 2Ω 。 沈陽工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 12 I R F 52 1 0P W M 調(diào)制波+D續(xù)流二極管LR s = 2采樣電阻RL負(fù)載電阻 圖 斬波電路原理框圖 輸入電壓最大有效值的計(jì)算 ： 根據(jù)設(shè)計(jì)要求，負(fù)載允許通過的最大電流為 2021mA，輸出電壓最大值為 10V，在不考慮儲(chǔ)能電感的直流阻抗和濾波電容的容抗情況下，續(xù)流二極管兩端允許輸出的電壓最大有效值為 UD=+=2 2+10=14V。 穩(wěn)態(tài)電流計(jì)算 ： 在圖 10 中，開關(guān)器件 IRF5210 的源漏極電壓 USD（ t）、 電流 IS（ t），續(xù)流二極管 D的電流 ID（ t），儲(chǔ)能電感 L 的電流 IL（ t）的波形。對(duì)于任意開關(guān)周期，假設(shè)在 t1≤ t≤t2 期間， IRF5210 導(dǎo)通（導(dǎo)通時(shí)間為 TON）， D 截止；在 t2≤ t≤ t3期間， D導(dǎo)通， IRF5210截止。流過電感的電流為 iL（ t）。 iL（ t）的表達(dá)式如下： ( ?NIU 0U ) (t 1t )/L+ )(1tiL t1≤ t≤ t2 )(tiL = （ 公式 ） )( 20 ttU ?? /L+ )(2tiL t2≤ t≤ t3 式中， iL（ t1）為 iL（ t）在 t1 時(shí)刻的最小值； iL（ t2） 為 iL（ t）在 t2 時(shí)刻的最大值；在穩(wěn)態(tài)下 iL（ t1）、 iL（ t2）由下面的算是確定： )(1tiL = 0I ( 0UUIN? ) 0U /(2Lf NIU ) （公式 ） )(2tiL = 0I +( 0UUIN? ) 0U /(2Lf NIU ) （公式 ） 式中 ， UO為輸出電壓 ， IO為輸出電流，即 iL（ t） 得平均電流， f為開關(guān)頻率，則開關(guān)周期 T=1/f= TON +TOFF。 由此可畫出主電路中各元件中電量的波形。同時(shí)，也可明顯地看出，其開關(guān)頻率越高，儲(chǔ)能電感的電感越大，其輸出電流越穩(wěn)定，紋波越小。輸出紋波的大小可表示為 Wi = ( 0UUIN? ) 0U /(Lf NIU ) （ 公式 ） 基于 AT89C51 的 數(shù)控直流電流源 設(shè)計(jì) 13 在 UO=UIN/2時(shí) ,輸出紋波有最大值 , = UIN /(4L f) 。 根據(jù)題目要求 ,輸出的紋波要 小于 mA,在開關(guān)頻率為 100kHZ，輸出電壓為 18V，紋波要小于 ,則 L 必須大于 18/(4 100 )=。 由于這個(gè)電感值較大 ,不容易繞制 ,很難直接通過電感來消除紋波 ,因此 ,在設(shè)計(jì)中采用兩個(gè) MOSFET 開關(guān)管 IRF5210 構(gòu)成斬波電路，以減小電流紋波。 3. 對(duì)于儲(chǔ)能電感鐵芯的選擇與最小電感量的計(jì)算 由于開關(guān)工作頻率為 100 kHZ，通過查閱手冊(cè)，根據(jù)相關(guān)鐵磁材料的特性曲線，確定選擇 ALSi Fe磁環(huán)作為電感鐵心，其突出的優(yōu)點(diǎn)是品質(zhì)因素隨頻率的增大而增大，且溫度系數(shù)小。 為使輸出電路中的電流連續(xù)，則儲(chǔ)能電感的電感值必須滿足以下條件：