项目3 数控直流恒流源电路
设计任务
设计一个数控直流恒流源电路，使其通过按键控制输出恒定电流。
基本要求
按下ADD键，数控直流恒流源电路输出电流增大。
按下DEC键，数控直流恒流源电路输出电流减小。
数控直流恒流源电路输出电流最小值为5.28mA、最大值为340mA。
数控直流恒流源电路共有6个挡位的输出电流值可选。
总体思路
恒流源是一种宽频谱、高精度交流稳流电源，具有响应速度快、恒流精度高、能长期稳定工作、适合各种性质负载（阻性、感性、容性）等优点，一般用于检测热继电器、塑壳断路器、小型短路器，以及须设定额定电流、动作电流、短路保护电流等的生产场合。恒流源有个定式，就是利用一个基准电压，在电阻上形成固定电流。本设计中是通过采用可逆加减计数器74LS193芯片输出可以随按键触发而加减的4位二进制数字量，通过DA转换电路将数字量转换为模拟电压，这个模拟电压就是一个可控的基准电压。基准电压输入运算放大器的同相输入端，通过负反馈作用，使比较放大器的输出电压和输入电压相等。该电压除以固定电阻即可得到随电压变化的可控电流。
系统组成
数控直流恒流源电路分为以下4个模块。
电源电路：为后续各模块供电。
数控电路：输出可以随按键触发而加减的4位二进制数字量。
DA转换电路：将74LS193芯片输出的数字量转换为模拟电压。该模拟电压为恒流源输出电路提供可控基准电压。
数控恒流源产生电路：利用电压跟随器，使运算放大器输出的可控电压除以固定电阻即可产生可控电流。
数控直流恒流源电路系统框图如图3-1所示。
图3-1 数控直流恒流源电路系统框图
模块详解
1.电源电路
电源电路由带中心抽头的变压器、桥式整流电路、电容滤波电路、三端稳压器（7812、7809、7909、7805）及滤波电容组成，如图3-2所示。变压器将市电降压，利用两个半桥电路轮流导通，形成信号的正半周和负半周。连接在三端稳压器的输入端的1000μF电解电容用于滤波，其后并入的4.7μF电解电容用于进一步滤波。连接在三端稳压器输出端的4.7μF电解电容用于减小电压纹波，而0.1μF陶瓷电容用于改善负载的瞬态响应并抑制高频干扰。经过滤波后，三端稳压器7812芯片的输出电压为+12V、7809芯片的输出电压为+9V、7909芯片的输出电压为-9V、7805芯片的输出电压为+5V，分别为后续电压控制电路和可控恒流源电路提供稳定供电电压。
图3-2 电源电路
在Proteus中，对上述的电路进行了仿真，仿真分为两个部分。第一部分将市电电压转化为+12V直流电压；第二部分将+12V直流电压转化为+5V直流电压与-9.06V直流电压。
1）变压器仿真
在Proteus中，对变压器进行仿真，如图3-3所示。由仿真结果可知，变压器满足设计要求。
图3-3 变压器仿真
2）市电电压转化为+12V直流电压
在Proteus中，对电源电路进行仿真，输入幅度为220V、频率为50Hz的正弦波信号，输出结果利用直流电压表来查看，如图3-4所示。
图3-4 电源电路仿真1
直流电压表的显示结果为+12V，而且输出电压没有明显波动，符合此电路的设计要求。
3）输出+5V与-9.06V直流电压
在Proteus中，继续对电源电路进行仿真，其中输入信号分别为上一级电路输出的+12V直流电压信号及整流后输出的负电压信号，具体仿真结果如图3-5所示。
直流电压表显示的示数分别为+5V与-9.06V，而且输出电压没有明显波动，符合此电路的设计要求。
2.数控电路
数控电路由按键、上拉电阻及可逆加减计数器74LS193芯片组成。由于本设计中只实现加计数、减计数功能，故将置数端PL引脚置为无效电平（高电平），清除端MR引脚置为无效电平（低电平）。计数输入端D0～D3引脚接地，表明计数器从0000开始计数。当加计数端UP引脚有上升沿触发信号，并且减计数端DN引脚为高电平时，计数器功能为加计数；当减计数端DN引脚有上升沿触发信号，并且加计数端UP引脚为高电平时，计数器功能为减计数。当没有按键被按下时，UP和DN引脚为高电平；当非自锁按键被按下时，相应引脚瞬间为低电平；而当非自锁按键弹起时，相应引脚又为高电平，从而产生了上升沿触发信号使计数器工作。74LS193芯片功能表如表3-1所示。数控电路如图3-6所示。
图3-5 电源电路仿真2
图3-6 数控电路
表3-1 74LS193芯片功能表
数控电路主要由74LS193芯片组成。74LS193芯片输出4位二进制数字量。
当按下ADD按键时，74LS193芯片输出的4位二进制数字量将会增加；当按下DEC按键时，74LS193芯片输出的4位二进制数字量将会减小。
3.DA转换电路
DA转换电路是整个系统的纽带，将控制部分的数字量转化成后面可控恒流源产生电路中需要的可控模拟电压。DA转换电路由DA转换器DAC0832芯片和运算放大器LM324芯片组成，如图3-7所示。DAC0832芯片主要由8位输入寄存器、8位DAC寄存器、8位DA转换器及输入控制电路4部分组成。8位DA转换器输出与数字量成正比的模拟电流。在本设计中，DAC0832芯片采用的是单极性输出方式；运算放大器LM324芯片使得DAC0832芯片输出的模拟电流转化为模拟电压。
图3-7 DA转换电路
输出电压OUT1=-B×VREF/256，其中B为DI0～DI7组成的8位二进制数，VREF为由电源电路提供-9V的DAC0832芯片的参考电压。在本设计中，前一级数控电路输出4位二进制数，DAC0832芯片DI0、DI1接D0，DI2、DI3接D1，依次类推，将4位二进制数接成8位输入量。
在Proteus中，对数控电路与DA转换电路进行了整体仿真，这两部分电路关系密切并且被分开仿真的结果不易被看清。对这两部分电路的仿真选取了5种情况，如图3-8～图3-12所示。
1）计数结果为0011
利用直流电压表测量输出模拟电压的幅度，其显示的示数为+0.30V。
图3-8 数控电路与DA转换电路仿真1
2）计数结果为0111
利用直流电压表测量输出模拟电压的幅度，其显示的示数为+1.23V。
图3-9 数控电路与DA转换电路仿真2
3）计数结果为1001
利用直流电压表测量输出模拟电压的幅度，其显示的示数为+3.81V。
图3-10 数控电路与DA转换电路仿真3
4）计数结果为1100
利用直流电压表测量输出模拟电压的幅度，其显示的示数为+4.68V。
图3-11 数控电路与DA转换电路仿真4
5）计数结果为1111
利用直流电压表测量输出模拟电压的幅度，其显示的示数为+4.98V。
图3-12 数控电路与DA转换电路仿真5
由上面的仿真结果可知，随着计数结果的增大输出模拟电压的幅度也在逐渐增大，符合此电路的设计要求。
4.数控恒流源产生电路
数控恒流源产生电路由运算放大器LM358芯片搭成的电压跟随器、场效应管IRF840芯片及相关电阻组成，如图3-13所示。IRF840芯片是N沟道增强型绝缘栅场效应管。绝缘栅场效应管是利用半导体表面的电场效应进行工作的。由于绝缘栅场效应管的栅极处于不导电（绝缘）状态，所以其输入电阻大大提高，最高达1015Ω。N沟道增强型绝缘栅场效应管的工作条件是：只有当VGS＞0时，才可能有i0。
图3-13 数控恒流源产生电路
总体电路仿真（见图3-14）
总体电路上电后，先将电流表调到毫安挡来测量输出电流。当输出电流稍大时，则将电流表调到安培挡来测量电流。测得的输出电流有5.28mA、21.39mA、85.6mA、112.6mA、120mA、340mA这6个挡位，满足数控直流恒流电源电路的设计要求。
电路板布线图（见图3-15）
图3-15 电路板布线图
实物照片（见图3-16）
图3-16 实物照片
思考与练习
（1）IRF840芯片有什么特点？
答：IRF840芯片的特点是噪声低、输入阻抗高、开关时间短。IRF840芯片通常应用于电子镇流器、电子变压器、开关电源等电路中。
（2）在数控恒流源产生电路中，为什么选择场效应管而不选择三极管？
答：最常用的简易恒流源使用的是两只同型号三极管，并利用三极管相对稳定的be极间电压作为基准。通常使用一个运算放大器构成反馈电路，同时使用场效应管代替三极管，从而避免三极管的be极间电流导致的误差，并有助于提高恒流源输出电流的精度。如果恒流源输出电流无须特别精确，那么可以不用场效应管代替三极管。
（3）74LS193芯片如何产生上升沿触发信号的？
答：硬件电路的UP和DN引脚接下拉按键和上拉电阻。当按键没有被按下时，UP和DN引脚为高电平；当非自锁按键被按下时，相应引脚瞬间变为低电平，当非自锁按键弹起时，相应引脚又为高电平，从而产生了上升沿触发信号使计数器工作。
特别提醒
（1）实验室的电阻功率均为1/4W，而恒流源的输出电流，即流过固定电阻R4的电流IR=UIN2/R4。这时，既要保证IR不超过所选电阻额定功率下的额定电流，又要保证有合适数目的输出电流挡位，经过调试，选择R4为20.5Ω。
（2）当固定电阻相等时，如果要使输出电流挡位增多，必须更换较大功率的电阻。