2025年江西省电子专题赛（现场制作） - 简易数控直流电流源

以下是我对今年江西省电子专题赛（现场制作）赛题的分析，如有不足之处，敬请指正。

2025年的赛题不需要使用新的芯片，都是往年赛题中使用过的芯片，其大体的设计思路和2017年的简易数控直流稳压电源类似，变化的重难点是在恒流源的部分，赛题中给到了“权电阻法”的提示和恒流源参考电路，该电路是典型的恒流源电路，是一些恒流芯片的内部电路，恒流芯片为了适应输出电流的要求，通常还有扩流电路的部分，题目中未涉及扩流部分，这里就不进行讲解。

赛题：

一、内容
在电路分析课程中我们学习了电压源与电流源，理想电压源为恒压输出，其输出电压不随负载变化而变化；而理想电流源为恒流输出，其输出电流不随负载变化而变化。物理世界并不存在理想电压源与电流源（想想为什么），实际电源接近其中某一种。例如，锂电池，市电电源，实验室电源可看作电压源，激光器与 LED 的驱动电源为电流源，太阳能板在正常工作时可近似看作电流源。
本赛题要求学生设计并制作一个简易数控直流电流源，用轻触（或自复）按键步进式设置输出电流值，电流值用数码管显示。
二、要求
1、基本部分
1）要求采用正负双电源供电，正负电源分别用红、绿LED指示。正电源需稳压，负电源不需稳压。数字部分仅用正电源供电，模拟部分（运放）用双电源供电。
2）用数码管显示当前电流值，上电后初始值为“5”，对应当前输出电流值为5mA。
3）用增减键步进式改变电流值，步长为正负1mA，即每按一次增键，显示增1；每按一次减键，显示减1。当显示为9时，按一次增键显示变为0，反之，当显示为0时，按一次减键显示变为9。显示范围为0至9，对应电流输出范围为0至9mA。按键要求有防抖功能。
提示 1：数模转换如果用权电阻法，电阻 40k、80k 可以用 39k、82k 替代，也可以采用其他方法。
4）要求电流源有一端为地，即电流流入地，不能是悬浮电源。
5）为了便于参赛学生调试与评委评审，要求按键安装在印制板左下方，电流输出端位于印制板右方，输出段要求按附图1连接，并排连接 4 针单排座J1 与J2(J1 位置在左边)，两个排座之间相隔约 2 厘米，J2 上方串接一个 390 欧负载电阻 RL，常态下用跳线帽将 J1 中间两脚连通，移去跳线帽后，用万用表笔搭接J1 或 J2 两端可测量短路输出电流或带负载后的输出电流。
提示2：输出端口必须安装这3个元件，处于安装面右下部分位置，否则评委无法测量，不给分。
6）由于元器件参数的离散性与万用表的测量误差，为简化设计调试，对短路输出电流的准确度不作过高要求，仅要求实测短路电流与设定电流误差在正负10%以内。
7) 要求电流源具有较好的恒流特性。当设定输出电流1至7mA 时，串入 390 欧电阻后的电流较之短路电流下降不超过 2%。
·测量方法：移去跳线帽，用万用表笔搭接J1两端点测量短路电流，用万用表笔搭接J2两端点测量带载电流。
2、发挥部分
要求当设定电流为9mA时，电流源仍具有较好的恒流特性，即输出短路电流与带载电流相差不超过2%。
提示 3：由电子电路构成的恒流源是基于放大器的负反馈原理，当负载电阻增大（此处为固定电阻）或设定输出电流增大时，负载电阻上电压亦增大，有可能使放大器脱离线性区，不能完成反馈调节作用。合理设计可确保满足发挥部分要求。
提示 4： LM358 运放单电源工作时，其输出上轨为 Vcc-1.5V, 下轨约为0.6V。当运放输入为0V时，输出不能低至0V，给设计带来很大误差，需较高设计技巧才能满足赛题电流精度要求，若运放采用双电源，精度问题易于解决。（采用双电源后运放输出下轨为-Vee+0.6V）

实际焊接测试时，布局没有严格按赛题要求进行；其中对误差较大的电阻进行了串联与并联的处理，使其接近理论电阻值，以此来验证计算理论。部分测试结果如下图所示。

电路模块分析：

一、电源电路部分

该电源电路设计较为简单，由4个IN4004二极管构成桥式整流变换电路（比赛时给的是IN4001），其中一个输出端输出正值电压，接入稳压芯片，稳压芯片使用的是LM7809芯片，经过LM7809芯片整流后输出电压为+9V，由于在PCB设计时需要考虑走线过程中电容寄生的电感成分在高频下会使电容的滤波能力大打折扣，甚至完全丧失滤波效能，小电容更容易产生这样的问题，所以基于先大后小的原则，稳压芯片前接220u/25V电解电容，后接10u/16V电解电容，用于滤波，需要注意的点是接入25V变压器电源后经过整流桥整流的有效电压经测量为+15.1V，接近10u/16V电容的耐压值，这里就不在稳压芯片前接，经过整流稳压滤波后输出电压为+9V，红色LED灯串联3K3电阻后可正常发光。

负电压的产生是容易忘记的点，在2019年江西省电子专题赛-简易数控可变增益放大器中，需要双电源电路供电，同时使用了LM7805和LM7905来产生+5V与-5V的电压值。在今年的题目中没有给到负电压稳压芯片，而是根据市电是正弦波交流电的性质，有正半轴的电压输出和负半轴的电压输出，桥式整流变换电路的另一个输出端输出的是负值电压，因为题目未要求负电压需要进行稳压，故直接接入两个电容进行滤波，同样遵循先大后小的原则，注意电解电容耐压值，经测量，实际输出负电压有效值为-15.3V，-15.3V<0V，故电解电容的正极接GND、负极接-15.3V，绿色LED灯是同样的接法。绿色LED灯串联3K3电阻后可正常发光。

产生的+9V电压和-15.3V电压，为后续LM358芯片的使用提供双电源供电。

二、按键电路部分：

根据材料清单，按键电路的设计可以有多种，这里提供两种相对稳定的思路，一是CD4013构成的单稳消抖电路、二是使用CD4011构成的双RS触发器消抖电路。这里我使用的是常见的CD4013来设计按键消抖电路，该电路在往年赛题中出现过，这里不对其进行细讲（关于按键消抖电路设计会有单独的文章进行讲解）。

使用CD40192计数器来进行加减操作，为了使数码管上电显示为5，CD40192的A与C输入端需要接入高电平。因为芯片的供电是使用+9V，在实际测量之前，我默认它的输出为+5V，其输出端经过实际测量也是+9V，而Proteus仿真中输出为+5V，故仿真电路需要进行改动后才能正常进行仿真，在理解后面的的恒流源电路设计思路后，不影响实际电路的焊接，其中输出+9V会在恒流源电路部分用到，且是一个重要的关键点。

三、显示电路部分：

该部分为常见CD4511与七位共阴数码管的搭配，是往年出现过的内容，这里不对CD4511的使用进行讲解。往年部分赛题中有明确要求每个段码要显示同样的亮度，所以需要接入7个3K3电阻来保证每个段码的亮度相同。在没有明确要求的情况下，可以只在共阴端接入一个3K3电阻，减少焊接的工作量。

四、恒流源电路部分：

赛题中给到了“权电阻法”的提示和恒流源参考电路，我们根据题意进行DAC电路设计。

1.权电阻网络（如图所示）。

• 电阻网络：R1~R4构成权电阻，阻值按二进制权重配置。最高位（MSB）电阻最小，最低位（LSB）电阻最大。这里R1=10k最小，R4=82k最大，因此R4对应MSB，R1对应LSB。其倒数比约为：

• :::≈8.2:4:2.05:1

• 接近理想二进制权 8:4:2:1，电阻值选用标准值近似。各电阻另一端通过开关Q1-Q4接至+9V（Vr=9V）；且运放反相端与输出端之间短接，构成电压跟随器，将权电阻网络电路与恒流源电路进行电气隔离以保持电路稳定。

• 应用叠加定理，流入运放的总电流及权电阻网络的短路电流：

  I=Vr*（Q4*+Q3*+Q2*+Q1*）

• 全电阻网络的内阻和为（R//2R//4R//8R）；开路电压为：U=I*（R//2R//4R//8R）
  其中 Qi=1 （接入电压）或 0（接地）,将上述式子代入整理可得：

• 而Vr为9v，即U=0.6*(对应的二进制)，由于题目中讲到运放输出上轨为 Vcc-1.5V，则对应输出电压Uout的范围为0-7.5V。

还可以使用R-2R网络DAC电路，该电路使用的电阻种类少，但是数量多。作为扩展知识，感兴趣的同学可以自行查找资料学习，并应用在该赛题的电路设计中。

• 2.恒流源电路（如图所示）。

依然是应用叠加定理来进行分析(为了方便分析将LOAD短接；用来表示结点电压)

当时,整理得,

可见，当输出负载变化引起U5变化时，U1同样的发生变化以维持Iout的不变。

若,则,由前面权电阻网络输出电压范围为0-7.5v，所以Rs的取值近似接近750欧姆时，输出电流对应数码管显示。即取600欧姆最为接近。

此时接入负载LOAD为390欧姆来计算电流的动态变化范围，则有，代入最大输入电压得Iout=7.5mA，无法达到题目要求，所以我们取，,则可以得到，即可以满足发挥部分要求。

其中有一个点，是我没想明白的，为什么我们取后，计算最大电流不考虑该条件？

查资料得到的说法是“调整 R_S 是为了提升最大输出电流，而 R_1 和 R_2 是用来设定电流与输入电压的比例关系的。在解决“电流不够大”这个问题时，我们直接针对限制电流的 R_S 下手，所以暂时不考虑 R_1 和 R_2。”

Proteus仿真环境存在其固有的非理想特性，包括软件BUG和与硬件电路之间的偏差。若要获得与理论高度吻合的仿真结果，就必须在深刻理解电路原理的基础上，对元器件模型和仿真参数进行手动调整与优化。因此，能够精准定位并修正仿真中的错误，最终实现电路的正常仿真，是检验并证明我们已对该电路工作原理具备深刻分析能力和工程实践能力的有效标准。

以上就是我个人对2025年江西省电子专题赛（现场制作） - 简易数控直流电流源电路的完整分析，如果有错误和补充，欢迎在评论区分享交流。