直流恒流源的设计
学生：曹江，电子信息学院 指导教师：叶刚，电子信息学院
1题目来源
来自于2005年全国大学生电子设计大赛的F题。
2研究目的和意义
众所周知，许多科学实验都离不开电源，并且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，配合电位器来调整所要的电压及电流输出值，若要调整精确的电压或者电流输出，须使用精确的显示仪表来监测，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，而且还要当心漂移，使用起来非常不方便。因此，如果设计出一种直流电源，它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，这将会给各个领域中的实验研究带来不同程度的便捷与高效 。下面我将分别从恒流源的应用和恒流源的发展历程两个方面来展开分析。
2.1 恒流源的应用
2.1.1 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，调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(适用于DDZ-II系列自动化仪表)或
4-20mA(适用于DDZ-III系列自动化仪表)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，管内稀薄气体迅速电离。由于电离过程的不稳定性并很有增强的倾向，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。 2.1.2 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。 2.1.3 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。 2.1.4 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、β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。 2.1.5 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使用恒流源。
2.2 恒流源的发展历程
2.2.1 电真空器件恒流源的诞生
世界上最早的恒流源，大约出现在20世纪50年代早期。当时采用的电真空器件镇流管，由于镇流管有稳定电流的功能，所以多用于交流电路，常被用来稳定电子管的灯丝电流。
电子管通常不能单独作为恒流器件，但可用它来构成各种恒流电路。由于电子管是高压小电流器件，因此用简单的晶体管电路难以获得的高压小电流恒流源，用电子管电路却容易实现，并且性能相当好。 2.2.2 晶体管恒流源的产生和分类
进入60年代，随着半导体技术的发展，设计和制造出了各种类型性能优越的晶体管恒流源，并在实际中获得了广泛的应用。
晶体管恒流源电路可封装在同一外壳内，成为一个具有恒流功能的独立器件，用它可构成直接调整型恒流源。用晶体管作调整元件的各种开环和闭环的恒流源，在许多电子电路中得到了应用。但晶体管恒流源的电流稳定度一般不会太高，很难达到 0.01%/min，且最大输出电流也不过几安培。它适用于那些对稳定度要求不太高的场合。
2.2.3 集成电路恒流源的出现和种类
到了70年代，半导体集成技术的发展，使得恒流源的研制进入了一个新的阶段。长期以来采用分立元件组装的各种恒流源，现在可以集成在一块很小的硅片上而仅需
外接少量元件。集成电路恒流源不仅减小了体积和重量，简化了设计和调试步骤，而且提高了稳定性和可靠性。在各种恒流源电路中，集成电路恒流源的性能堪称最佳。
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4国内外现状和发展趋势与研究的主攻方向
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和创新意识指导下，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在 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。
5主要研究内容、需重点研究的关键问题及解决思路
5.1 主要研究内容
[1] 通过合理设计，尽可能地降低纹波电流，达到要求的电流范围；
[2] 采用合理的方案，实现“+”、“-”步进调整功能，降低给定电流与实际电流的偏差；
[3] 通过采用合理的电路结构，降低负载调整率； [4] 降低由于电源电压变化对输出电流所产生的影响； [5] 完成满足设计需要的电源制作。
5.2 需重点研究的关键问题及解决思路
本课题重点研究的关键问题是：恒流输出。我们借助如下的系统框图来阐述解决思路。
稳压电源 恒流源 负载 放大器 采样 D/A转换 放大器 电流预置 控制器 A/D转换 显示
本系统主要由放大电路，A/D转换电路，单片机，D/A转换电路，稳压电源，恒流源组成。为了得到稳定的恒流输出，我们采用闭环控制的方式进行处理。即通过精密电阻将电流信号变成电压信号，电压值的大小反映了电流的强弱；经过电压放大器将信号进行放大，再进行A/D转换，单片机根据电压值转换为对应的电流值，与预置值比较，调整D/A转换的输入数字量，通过D/A转换的电压控制输出电流，从而达到恒流的目的。同时，系统通过按键可以对电流进行设置，并经由LCD显示预置的电流值和实测值。
6完成毕业设计所必须具备的工作条件（如工具书、计算机辅助设计、某类市场调研、实验设备和实验环境条件等）及解决的办法
6.1 资料来源
图书馆，中国期刊网（CNKI）,互联网上搜索资料及指导教师提供资料。
6.2 实验中主要设备、仪器及软件环境
必备工作条件 微机一台 仿真软件（Protues ，Dxp2004等） 测试仪器（示波器、信号发生器等） 电子元器件（单片机，运放等） 解决方法 自己 网上下载 向实验室借 指导老师提供 7工作的主要阶段、进度与时间安排
工作任务 查阅资料，编写开题报告，熟悉单片机开发板，并完成几个常用的软件模块 翻译文献，分块、系统地进行软硬件设计，并优化性能指标 综合设计，修改、完善，编写设计报告和准备毕业答辩 日程安排 2009年1月至2010年2月 2010年2月至2010年5月 2010年5月至2010年6月 8指导教师审查意见
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