直流电流

　　方向保持不变的电流称为直流电流，通称直流。

　　在电子设备中经常用到稳定性好、精度高、输出可预置的直流电流源。本文设计的数控直流电流源能够很好地降低因元器件老化、温漂等原因造成的输出误差，输出电流在20mA～2000mA可调，输出电流可预置、具有“+”、“-”步进调整、输出电流信号可直接显示和语音提示等功能。硬件电路采用凌阳单片机SPCE061A为控制核心，利用闭环控制原理，加上反馈电路，使整个电路构成一个闭环，在软件方面主要利用PID算法来实现对输出电流的精确控制。该系统可靠性高、体积小、操作简单方便、人机界面友好。

　　系统硬件实现方案

直流电(5)　　本设计采用单片机作为主要控制部件，通过键盘预置输出电流值并采用液晶模块实时显示。整个系统硬件部分由微控制器、电压-电流转换、键盘、显示、直流稳压电源和语音提示等模块组成。系统组成框图如图1所示。

　　微控制器是整个系统的核心，负责整个系统的运作。为了实现简化硬件电路、系统性能稳定可靠，便于实现语音播报、键盘设置和信息的实时显示等功能的协调，通过多种方案论证后，微控制器选用凌阳公司的SPCE061A，该单片机内部集成有ADC、DAC、PLL、AGC、DTMF、LCD-Driver等电路(与IC型号有关)。它采用精简指令集(RISC)，指令周期均以CPU时钟数为单位。另外，它还兼有DSP功能，内置16位硬件乘法器和加法器，并配备有DSP拥有的特殊指令，大大加速了各种算法的运行速度。同时可以在Windows环境下使用凌阳单片机应用开发工具，该工具支持标准C语言和凌阳单片机汇编语言，集汇编、编程、仿真等功能于一体，大大加快了软件开发过程。用该单片机作为控制器比较合适，在硬件电路简单的前提下，容易实现A/D和D/A转换、语音提示、PID运算等功能。

　　显示模块主要实现的功能是显示设置的电流输出值和其它人机交互信息。本部分可以采用七段数码LED显示器，显示数字、简单字母和小数点等信息，但由于其显示信息单一，人机交互不友好，本文采用字符型液晶显示屏LCDSMC1602A模块。该模块具有轻薄短小、低压微功耗、体积小、无辐射、平面直角显示及影像稳定不闪烁等优点，且可视面积大、面效果好、分辨率高、抗干扰能力强，适合用于显示字母、数字、符号等信息，而且不需要扩展过多外围电路，可由单片机直接进行控制输出显示。

　　电压-电流转换模块由精密运放与三个晶体管组成的达林顿管电路构成。转换电路利用晶体管平坦的输出特性和深度负反馈电路使输出电流稳定，如图2所示，此V/I转换电路的带负载能力强，电流输出范围达0~3A。输出电流Io经反馈电阻Rf得到一个反馈电压Vf，Vf= V11-V12，通过R5、R6加到运算放大器的两输入端，设运放两端的电为V1、V2，Vi由单片机DAC输出。因为理想运放的输入电流约等于零，且V1=V2，则：

　　V12[1-R6/(R2+R6)]+ViR6/(R2+R6)=V11R1(R1+R6)

　　由于V12 =V11-Vf，则：

　　V11R2/(R2+R6)+(ViR6-VfR2)/(R2+R6)=V11R1/(R1+R5)

　　令R1=R2=10kW，R5 =R6 =1kW，则有Vf=ViR6/R2=Vi/10

　　若暂不考虑反馈时，

　　Io=Vi/(10Rf)

　　由此可见，输出电流的标定由D/A转换所得输出电压Vi和Rf的阻值决定，成线性变换。Rf由大线径铜丝制作，其温度系数很小(5ppm/℃)，大线径可以使其温度影响减至最小。3个三极管应选用大功率管TIP122，且使用散热片，以保证管子工作在线性区。

　　电压-电流转换模块还有另外一种方案，即采用三个运放构成输出电流可变的电流源，如图3所示。输出电流I=Vi/R1，为使R1两端的电压保持恒定，由差分放大器IC1b通过射随器IC1c监测R1两端的电位，此电位经IC1b的7脚加到比较器 ICa的反相输入端与Vref比较，根据比较结果使比较器的输出端变化，直到平衡为止，即Vr1=Vi。电路中的电容用于补偿ICa的频率，减少控制环路的延时。只要R1=R2=R3=R4=R5，此电路的性能较好，但带负载能力不强，环路延时补偿对电路的稳定有较大影响。

　　系统键盘模块可以采用独立式或行列式(矩阵式)连接方式，该模块主要完成对输出电流和其它信息的设定。直流稳压电源模块为整个系统供电，语音模块实现语音提示，使系统设计更具人性化，系统具有友好的工作界面。凌阳单片机内部集成有ADC、DAC、PLL、AGC、DTMF等模块，语音功能可由软件编程实现，不需要外接任何电路，有效利用了系统资源。

　　系统工作及软件流程

　　通过以上对各模块的分析，系统在工作过程中由SPCE061A单片机将被预置的电流通过换算进行D/A转换，以输出电压驱动V/I转换电路，并将该电流对应的电压通过闭环回路，经信号处理电路作A/D转换后输入单片机系统，通过PID算法调整电流输出。整个系统工作流程如图4所示。

　　系统软件设计在凌阳十六单片机应用开发工具unSPIDE1.16.1中进行，采用凌阳单片机汇编语言和标准C语言对单片机进行编程，以实现各种功能。主要包括: (1)系统的初始化，包括各外围接口设备的初始化；(2)键盘输入；(3)D/A、A/D转换； (4)PID算法进行电流调整；(5)语音提示和电流显示。其主程序流程如图5所示。

　　A/D转换部分程序主要用于将采样电阻采集的模拟电压信号转换为数字信号。采样信号由IoA6输入并直接送入缓冲器P_ADC_MUX_Data，在ADC自动方式被启用后，会产生一个启动信号，此时RDY=0，DAC0的电压模拟量与外部的采样模拟量相比较，以尽快找出外部信号模拟量的数字量，A/D转换的结果保存在SAR内。当10位A/D转换完成时，RDY=1，此时，通过读P_ADC_MUX_Data单元，可以获得10位A/D转换的数据。其IRQ1 中断服务程序的流程如图6所示。

　　PID算法主要用于修正实际输出的电流值和设定值的偏差，调节下一次的输出值，使输出更接近于设定值，提高精度。具体控制过程为：单片机经A/D转换芯片读出实际电流Ik,然后和设定的电流Is比较,得出偏差值Ek=Is-Ik，单片机根据Ek的大小，调用PID公式，计算出本次电流调节的增量ΔIk，然后根据前一次的D/A转换输出电流Iq-1,计算出本次的输出电流Iq。

　　离散增量PID的计算公式为

　　ΔIk=Kp[(Ek-Ek-1)+K1Ek+KD(Ek-2Ek-1+Ek-2)]

　　=Kp(Ek-Ek-1)+K1’Ek+KD’(Ek-2Ek-1+Ek-2)

　　式中: K1’= Kp*K1, KD’=Kp * KD，Ek为本次采样的电流误差， Ek-1为上次采样电流误差， Ek-2为再次采样电流误差值。

　　为了测试系统运行的准确性和可靠性，可以对设定量与反馈量进行测试，误差在0.01%之内，并且运行稳定，达到了预期目的，还增添了特色的音频播放设计。凌阳SPCE061A单片机在该系统中使用，使系统功能齐全、外围电路简单、输出精确，软件编程采用Ｃ和汇编混合编程来实现，集两种优点于一身，丰富了编程思想,体现了很大的优越性。

　　一种直流电流传感器，包括环形磁芯，在环形铁心上绕制激励绕组 WS、反馈绕组W2，其特性在于：在环形铁心上绕制检测线圈WM，在激励绕组WS的两端接处理电路，激励绕组WS处理电路为激励绕组WS提供激励电流IS，并将反映激励电流IS的电压信号送到计算机；在检测线圈WM的两端接处理电路，检测线圈WM处理电路将检测线圈WM获得的感应电势转换为正负半波有效值的差值信号，送到反馈绕组W2的处理电路，并将检测线圈WM获得的感应电势的电压信号送到计算机；在反馈绕组W2的两端接处理电路，计算机根据获得的激励电流IS和感应电势的大胸制反馈绕组W2处理电路的工作状态，反馈绕组W2处理电路将上述正负半波有效值的差值信号转换为电流I2，送入反馈绕组W2中，并将反映反馈电流I2的电压信号送到计算机；计算机将上述三组不同的电压信号进行处理，将反映被测电流I1大小的电压信号送到显示器显示。

　　电流环隔离器是单片两线制隔离接口模块，该模块内部包含有电流信号调制解调电路、信号耦合隔离变换电路等。很小的输入等效电阻，使该模块的输入电压达到超宽范围（7.5—32V），以满足用户无需外接电源而实现信号远距离、无失真传输的需要。内部的陶瓷基板、印刷电阻工艺及新技术隔离措施使器件能达到3KVAC绝缘电压和工业级宽温度、潮湿、震动的现场恶劣环境要求。产品使用非常方便无需外接任何元件即可实现4-20mA电流环隔离或信号一进二出、二进二出等变换功能。

　　（1）用一只双刀双掷开关是最简易的方法。

　　在开关的输入端分别接正极和负极，输出端分别接负极和正极，在动触点上接上负载就可以了。

　　（2）用一只容量和负载相当的小型继电器或接触器，接法同（1）。再用一只开关或电路控制小型继电器的线包通断，可方便地实现自动控制。

直流电（DC，direct current）是电荷的单向流动或者移动，通常是电子。电流密度随着时间而变化，但是通常移动的方向在所有时间里都是一样的。作为一个形容词，DC可用于参考电压（它的极性永远不会改变）。

在直流电路中，电子从阴极、负极、负磁极形成，并向阳极、正极、正磁极移动。不过，物理学家定义直流电为从正极到负极的运动。

直流电是由电气化学和光电单元和电池产生的。相反，在大多数国家，从设备中流出的电流是交流（AC）的。交流电可以被转换为直流电，通过由转换器、整流器（阻止电流反方向流动），以及过滤器（消除整流器流出的电流中的跳动）组成的电源。^[1]

实际上所有的电子和计算机硬件都需要直流电来工作。大多数的固态设备都需要从1.5到13.5伏特范围的电压。对电流的需求范围从电子手表中接近于0到无线通信能源放大器需要的超过100安培。使用真空管的设备，例如高能无线广播或者电视广播传输器或者阴极射线管（CRT）显示，都需要大约150伏特到几千伏特的直流电。[1] 

1、输送相同功率时，直流输电所用线材仅为交流输电的2/3～1/2 .

直流输电采用两线制，以大地或海水作回线，与采用三线制三相交流输电相比，在输电线截面积相同和电流密度相同的条件下，即使不考虑趋肤效应，也可以输送相同的电功率，而输电线和绝缘材料可节约1/3．

如果考虑到趋肤效应和各种损耗（绝缘材料的介质损耗、磁感应的涡流损耗、架空线的电晕损耗等），输送同样功率交流电所用导线截面积大于或等于直流输电所用导线的截面积的1.33倍．因此，直流输电所用的线材几乎只有交流输电的一半．同时，直流输电杆塔结构也比同容量的三相交流输电简单，线路走廊占地面积也少．

2、在电缆输电线路中，直流输电没有电容电流产生，而交流输电线路存在电容电流，引起损耗．

在一些特殊场合，必须用电缆输电．例如高压输电线经过大城市时，采用地下电缆；输电线经过海峡时，要用海底电缆．由于电缆芯线与大地之间构成同轴电容器，在交流高压输电线路中，空载电容电流极为可观．一条200kV的电缆，每千米的电容约为0.2μF，每千米需供给充电功率约3×103kw，在每千米输电线路上，每年就要耗电2.6×107kw/h．而在直流输电中，由于电压波动很小，基本上没有电容电流加在电缆上．

3、直流输电时，其两侧交流系统不需同步运行，而交流输电必须同步运行．交流远距离输电时，电流的相位在交流输电系统的两端会产生显著的相位差；并网的各系统交流电的频率虽然规定统一为50HZ，但实际上常产生波动．这两种因素引起交流系统不能同步运行，需要用复杂庞大的补偿系统和综合性很强的技术加以调整，否则就可能在设备中形成强大的循环电流损坏设备，或造成不同步运行的停电事故．在技术不发达的国家里，交流输电距离一般不超过300km而直流输电线路互连时，它两端的交流电网可以用各自的频率和相位运行，不需进行同步调整．

4、直流输电发生故障的损失比交流输电小．两个交流系统若用交流线路互连，则当一侧系统发生短路时，另一侧要向故障一侧输送短路电流．因此使两侧系统原有开关切断短路电流的能力受到威胁，需要更换开关．而直流输电中，由于采用可控硅装置，电路功率能迅速、方便地进行调节，直流输电线路上基本上不向发生短路的交流系统输送短路电流，故障侧交流系统的短路电流与没有互连时一样．因此不必更换两侧原有开关及载流设备．

5、稳恒的直流电不产生电磁辐射，由于只产生电场不产生交变磁场，即使是超高压直流电，它也只是电场强到使空气电离而发光，此时的光辐射是空气电离发出的，并不是导线，不产生电磁波。所谓的电磁辐射就是能量以电磁波形式从辐射源发射到空间的现象。电流在导体内的流动会产生电场，电流在导体内变化会产生磁场，因此辐射出去的叫电磁波。

在直流输电线路中，各级是独立调节和工作的，彼此没有影响．所以，当一极发生故障时，只需停运故障极，另一极仍可输送不少于一半功率的电能．但在交流输电线路中，任一相发生永久性故障，必须全线停电．

原理编辑

直流电所通过的电路称直流电路，是由直流电源和电阻构成的闭合导电回路。在该直流电路中，形成恒定的电场。在电源外，正电荷经电阻从高电势处流向低电势处，在电源内，靠电源的非静电力的作用，克服静电力，再从低电势处到达高电势处，如此循环，构成闭合的电流线。所以，在直流电路中，电源的作用是提供不随时间变化的恒定电动势，为在电阻上消耗的焦耳热补充能量。

在比较简单的直流电路中，电源电动势、电阻、电流以及任意两点电压之间的关系可根据欧姆定律及电动势的定义得出。复杂的直流网络可根据G.R.基尔霍夫方程组求解。它包括节点电流方程和回路电压方程两部分，前者指出，对于任一节点（3个或3个以上支路的交点），流入和流出节点的各电流的代数和为零，这是恒定条件的要求，后者指出，对于任一闭合回路（网格），各部分电压降的代数和为零，这是静电场环路定理的结果，两者构成了完备的方程组。

仪表编辑

测量直流电路中电流、电压、电阻、电源电动势等物理量的仪表称为直流仪表。常用的有灵敏电流表（G表），电流表，伏特计，电桥，电势差计等。^[2]

电源编辑

直流电源有化学电池，燃料电池，温差电池，太阳能电池，直流发电机等。利用直流电,还可以进行水的电解实验。将电极极插入水中，负极可以使水电解为氢气，正极则使水电解为氧气。

传输编辑

在电力传输上，19世纪80年代以后，由于不便于将直流电

低电压升至高电压进行远距离传输，直流输电曾让位于交流输电。20世纪60年代以来，由于采用高电压、大功率变流器将直流电变为交流电，直流输电系统又重新受到重视并获得新的发展。

应用编辑

直流电主要应用于各种电子仪器，电解，电镀，直流电力拖动等方面。

在早期，工程师们主要致力于研究直流电，发电站的供电范围也很有限，而且主要用于照明，还未用作工业动力。例如，1882年爱迪生电气照明公司（创建于1878年）在纽约建立了第一座发电站，安装了三台110伏“巨汉”号直流发电机，这是爱迪生于1880年研制的，这种发电机可以为1500个16瓦的白炽灯供电。

但是随着科学技术和工业生产发展的需要，电力技术在通信、运输、动力等方面逐渐得到广泛应用，社会对电力的需求也急剧增大。由于用户的电压不能太高，因此要输送一定的功率，就要加大电流（P=IU）。而电流愈大，输电线路发热就愈厉害，损失的功率就愈多；而且电流大，损失在输电导线上的电压也大，使用户得到的电压降低，离发电站愈远的用户，得到的电压也就愈低。直流输电的弊端，限制了电力的应用，促使人们探讨用交流输电的问题。爱迪生虽然是一个伟大的发明家，但是他没有受过正规教育，缺乏理论知识，难以解决交流电涉及到的数学运算，阻碍了他对交流电的理解，所以在交、直流输电的争论中，成了保守势力的代表。爱迪生认为交流电危险，不如直流电安全。他还打比方说，沿街道敷设交流电缆，简直等于埋下地雷。并且邀请人们和新闻记者，观看用高压交流电击死野狗、野猫的实验。那时纽约州法院通过了一项法令，用电刑来执行死刑。行刑用的电椅就是通以高压交流电，这正好帮了爱迪生的大忙。在他的反对下，交流电遇到了很大的阻碍。

但是为了减少输电线路中电能的损失，只能提高电压。在发电站将电压升高，到用户地区再把电压降下来，这样就能在低损耗的情况下，达到远距离送电的目的。而要改变电压，只有采用交流输电才行。1885年，由费朗蒂设计的伦敦泰晤士河畔的大型交流电站开始输电。他用钢皮铜心电缆将1万伏的交流电送往相距10公里外的市区变电站，在这里降为2500伏，再分送到各街区的二级变压器，降为100伏供用户照明。以后，俄国的多利沃——多布罗沃斯基又于 1889年最先制出了功率为100瓦的三相交流发电机，并被德国、美国推广应用。事实成功地证实了高压交流输电的优越性。并在全世界范围内迅速推广。