数控直流电压源的设计与制作【keil5 & AD20]

目录

1.设计任务与要求

1.1 设计任务

1.2  设计要求

2.设计方案

2.1  系统方案设计

 2.1.1 滤波电路：

2.2.2 辅助电源电路：

 2.2.3  三端可调稳压电路：

2.2.4  电压、电流采样电路：

  2.2 元器件选型

2.2.1电容、电阻

2.2.2 稳压芯片选择

3.原理图设计、PCB设计与程序设计调试

3.1 原理图设计

 3.2 PCB设计

3.3 程序设计与调试

3.4 核心代码分析：

4. 实物制作与粗调

4.1 实物制作

4.2 PCB电路板粗调

4.3 硬件测试问题出现及解决

5.系统联调与参数测试

5.1硬件参数测试

5.1.1 电源各端口电阻值:

5.1.2  空载0V输出时电压测量记录：

5.1.3 空载，0V时候自激测量

5.1.4  10V输出带负载电压测量

5.1.5 带载时纹波电压测量

 5.2系统联调

5.2.1 系统联调-电压测量

5.2.2 系统联调-电流测量

5.2.3 负载调整率

参考文献

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1.设计任务与要求

1.1 设计任务

设计一款数显数调的直流稳压电源。

1.2  设计要求

1）输出电压0—15V，步进0.1V可调，误差≤0.05V；

2）输出电流0—1000mA；

   3）单片机模块能显示设定的电压值、输出的电压值和输出的电流值；能用“+、-”键步进调节输出电压值；

   4）当输出电流达到1000mA时，由恒压输出模式改为恒流输出模式，即输出电流维持1000mA不变，输出电压降低。当输出电流小于1000mA时，自动恢复恒压输出的工作模式。

根据设计要求，数控直流电压源的组成框图如图1.1所示。

 图1.1  数控直流电压源组成框图

在本次课程设计中，要完成以下具体工作：

1）设计电源板的电路原理图；

2）用Altium Designer软件设计电源板的PCB图；

3）电源板的制作、装配、焊接与调试；

4）单片机模块的软件设计与调试；

5）系统联调与参数测试；

2.设计方案

2.1  系统方案设计

设计思路：本次实验为了达到可调的效果并且本实验利用交流电压220V。所以需要设计：1.整流滤波电路 2.辅助电源电路 3.三端可调稳压电路 4.电压、电流采样电路。整体设计如图2.1所示：

 图2.1 整体设计思路

 2.1.1 滤波电路：

该电路的输入端为220V的交流电，但是电路各器件所需要的电源为直流电所以将220V交流电经过变压器降压后经过桥式整流（仍是交流电）后经过滤波后则（变直流电）输入到电路中,其中利用桥式整流桥过程：将正弦波正向部分：电压方向为a-D1-C-D3-b。正弦波负向部分：电压流向为b-D2-C-D4-b，电路请见图2.2；

滤波利用的是电容的充放电：在脉动波形的上升段，电容充电，由于充电常数很小，所以充电速度很快，在下降端，电容C放电，由于时间常数很大，所以放电速度很慢，在C1还没有完全放电再次开始充电。往复操作达到电压的滤波，滤波结果见图2.3；

                                 图2.2  桥式整流桥                                     图2.3  滤波过程

2.2.2 辅助电源电路：

由于后续电路中需使用运算放大器，器件使用双电源供电，于是利用稳压芯片和电荷泵电压转换芯片获得负电压，为了使得电压的稳定性，在稳压芯片俩端接入滤波电容，具体电路设计见图2.4：

 图2.4  辅助电源电路

 2.2.3  三端可调稳压电路：

为了达到可调的功能，使用可调稳压芯片进行设计，其中调整端为单片机的输入端，利用运放来控制其输出的电压值，达到可调的效果，并且为了使得保护单片机，设计下拉电阻，具体见图2.5；

 图2.5 三端可调稳压电路

2.2.4  电压、电流采样电路：

 为了能够分析相关数据，利用单片机的ADC采样功能，对电路中的输出电压和输出电流进行采样分析，其中由于ADC只能采集0-3.3v的电压，输出电压为0-15v，于是需要将输出电压进行分压操作，对于电流部分需要利用采样电阻，见电压与电流进行线性替换，由于取样取得电压较小，为了ADC采样分析需要对采样电压进行放大操做，具体电路见图2.6；

 图2.6  电压采样、电流采样电路

  2.2 元器件选型

2.2.1电容、电阻

在电路设计中为了使得电压稳定需在电压输入输出端口进行滤波处理，其中电容的容量和耐压值有一定的计算要求，通过网上寻找相关资料，常用规律如下图2.7所示；

图2.7  输出电流与电容容量联系

而对于耐压值的计算公式为 Vcm=  根号2*V2*1.1 。所以对于滤波的电容选择有一定的规律，为了滤除高频干扰信号，常用104瓷片电容。

在电路中为了安全，设计电源指示灯，考虑到LED灯的亮灯状态需要考虑电阻的大小，电路采用的是红色LED,具体电流大小见图2.7所示；

                                                                图2.7 部分LED参数

电路中由于需要设计运算放大器，设计到放大倍数的选择，本实验采用的是同向放大电路，放大倍数=[1+(R1+RP/R2)]，实验电阻使用最好为千分之一的精度。为了电压采样需要对输出电压进行一个分压操作，需要使用变阻器来不断调整。

2.2.2 稳压芯片选择

为了达到可调稳压的效果，使用LM317稳压芯片进行设计，通过查询数据手册见图2.8，可以达到实验要求电压范围。

 图2.8  LM317输入输出电压

通过查询相关数据手册可以得知其参考设计电路如下图2.9所示；为了达到可控的效果利用二极管进行电压偏移的作用。

 图2.9  LM317参考电路

由于可调稳压电路需要使用运算放大器，所以需要辅助电源电路，由于辅助电源的输出电流很小，因此可以小功率的三端稳压，用LM78L15产生+15V的电压，用LM78L05产生+5V的电压，由于需要双电源供电，所以需要将+5V转为-5V使用芯片为TJ7660，通过查询数据手册能达到要求，见图2.10所示；

图2.10 TJ7660数据手册部分参数 

3.原理图设计、PCB设计与程序设计调试

3.1 原理图设计

整体原理图设计如下图3.1所示；

图3.1 整体原理图

 3.2 PCB设计

为了将腐蚀板与打板做比较，绘制俩种版本的pcb，对于单层板需要考虑其走线，对于绕不过区域采样跳线的方式，为了焊接的简便应尽可能的减少跳线的数量，并且对于大电流走线应设计较粗，单层板设计见图3.2中图 a和图b 所示；

                                 图a  电路走线                                    图b  电路3D立体图

图3.2  pcb绘制

 对于打板其设计pcb可以采用大面积铺铜的方式来达到简化电路的设计，并且可以采用双层板绘制的方式来设计走线，使得走线更加的优化，具体设计见图3.3 中图c和图d所示；

                      图c  电路走线设计                                           图d   电路3D立体图

图3.3 电路pcb设计

3.3 程序设计与调试

为了达到闭环控制的效果，需要对整个电路达到一个过程的监控。其中软件需要设计要完成的任务为：

1）用按键来改变输出电压的设定值；

2）设定的电压值D/A转换、显示并送往电源板；

3）取样电压A/D转换、显示；

4）输出电流的取样值A/D转换、显示。

所以对整个电路需要利用AD,DA，OLED，按键等模块进行分析

程序设计包含以下模块：

1）主程序；

2）OLED显示子程序；

3）按键处理子程序；

4）设置电压D/A转换

子程序；

5）输出电压A/D转换

子程序；

6）输出电流A/D转换

子程序；

7）延时子程序。

主程序流程如图3.4所示。

 

 图3.4  主程序流程图

其中为了能够达到利用按键达到可调的效果，利用按键来处理整个效果，拖过按键对输出电压进行抬压和减压的功能，并且设置锁定和粗调和细调来控制整个电路来达到不同的效果，按键处理程序见图3.5所示；

 图3.5 按键处理整体设计

3.4 核心代码分析：

在本次实训中最主要部分为按键代码部分，其中使用三个按键，作用分别为升压、减压、切换模块功能，其中图3.6所示为按键升压主要代码；

 图3.6  按键按下判断

对于减压代码类似与升压代码，需要判断按键的按下与松开情况。具体见图3.7所示；

 图3.7 按键松开判断

由于需要进行粗调和细调，便需要设计第三个按键来切换模块，其中为了程序的优化设计为上锁模式和解锁模块来保证程序的良好性，具体见图3.8所示；

 图3.8  模块切换按键设计

对于ADC采样，DAC采样代码配置好对应的GPIO和功能模块即可，主要是各函数之间的调用，为了程序的高效性，对采集的数据利用DMA运输后进行计算，其屏幕、延时函数较独立。其难点为其按键程序的调用，中断函数的配置和编写。

为了能够使得计算出数值和理论值符合，对数据进行多次计算，并且去除最大和最小的后对数据进行求平均值可以使得计算结果更准确，核心见图3.9所示；

图3.9 对数据计算

由于ADC采样的范围为0-3.3v,对于电路会出现电压和电流出现较大差别时候，为了安全，需要编写警示代码部分，当电压电流超出预定范围则报警提醒，若恢复正常，则取消报警，具体见图3.10所示；

 图3.10 报警提示

软件调试过程：

软件编译完成后见将设计板和单片机相连，并且进行调试，调试过程筋图3.11、图3.12所示；

 图3.11 单片机编译

 

图3.11  单片机调试过程 

 实物调试效果见图3.12，图3.13，图3，14所示

                       图3.13 设置1V电压                                   图3.14 设置2V电压

 图3.15 设置5V电压

4. 实物制作与粗调

4.1 实物制作

将pcb绘制完毕后通过打印和转印后放入腐蚀液中腐蚀后进行器件的焊接，

                            图a 腐蚀板背面                               图b 打板背面

图4.1  电路板背面示意图

 

                    图c  单层板正视图                                       图d  打板正视图

图4.2  电路正视图

4.2 PCB电路板粗调

在对电路板焊接过程中，对器件的正负极区分正确后进行焊接，当全部器件焊接完毕后队电路板进行测试。

首先观察电路板整体走线是否规划，是否出现短路现象，观察电源指示灯的正常亮灭，接入变压器和负载，利用学生电源代替单片机输出端口。调整电压输入为2V，由于电路特性，输出端口理论值为10V。调整RP2的阻值（电路图见图4.3），不断测量输出端口的电压值直到输出端口输出10V则代表RP2调整完毕。 由于需要取样电流的大小，测量康丝铜电阻俩端电压和电流取样端口电压，不断调整RP1（电路图见图4.4） 直到电流取样输出端口电压测量值为康丝铜电阻俩端电压的30倍则调整完毕。

     

           图4.3  电压分压                                        4.4  运算放大器调整

4.3 硬件测试问题出现及解决

1.当器件焊接完毕后出现测量U5的6脚与理论值相差较大。

解决办法：通过计算LM317的基准电压为1.2V，电流为5mA，则下方的压降为0.5V，由于二极管的存在有导通电压所以导致测量值与理论值存在一定的误差，解决办法为更换二极管或者调整电阻大小。

2.当系统联调时，OLED屏幕的电压显示值不断的变化浮动。

解决办法：通过检查原理图和PCB，发现是某一电容出现了反接，导致充放电部分出现错误，导致输出电压不断变化，通过调整电容的正负极得到解决。

3. 当出现稳压芯片引脚与理论值出现较大误差，未得到滤波效果

解决办法：在PCB布局时，需要考虑滤波电容的放置，当电源端口需要将电容靠近放置，pcb走线不只是将相同网络进行连接，还需考虑信号流向问题。

对pcb绘制进行改进。

4.单片机输出3V电压时，电路输出端口电压无法达到15V的理论值

解决办法：通过更换性能更好的LM317型号解决了该问题

5.在测量电流相关数据时，无法准确测得电流值

解决办法：通过测量取样电阻俩端的电压值，通过欧姆定律获得其电流值

5.系统联调与参数测试

5.1硬件参数测试

5.1.1 电源各端口电阻值:

为了测试电路板的是否工作正常，对电路中各端口进行电阻进行测量并进行记录，具体见表5.1；

表5.1  电源各端口电阻值

测量端口	电压输入端口	整流滤波后两端	电压输出端口	+15V对地	+5V对地	-5V对地
理论值	>1MΩ	>10KΩ	≈5KΩ	≈10KΩ	≈4KΩ	>100KΩ
测量值	27.1MΩ	10.61KΩ	5.3KΩ	10.7KΩ	3.658KΩ	13.65MΩ

5.1.2  空载0V输出时电压测量记录：

为了测量当接入电源时，电路的工作情况，对电路中芯片端口，电压端口进行测量并进行记录，与理论值做对比，具体记录见表格5.2所示；

表5.2空载0V输出时电压测量记录表

测量点	输入电压（交流）	整流滤波后电压	+15V	+5V	-5V	输出电压
理论值	16V左右	21V左右	+15V	+5V	-4到-4.8V	0V
测量值	16.15V	20.95V	+15.24V	+5.08V	-4.62V	0.02V
测量点	U5②脚	U5③脚	U5⑥脚	U6②脚	U6③脚	U6⑥脚
理论值	0	0	-2.4V	0	0	0
测量值	0	0	-3.2V	0	0	0.02V

其中U5的6脚通过计算：由于LM317存在基准电压和二极管的导通压降，其电路的理论值的本实验的理论值存在一定的误差，是属于正常范围的。

5.1.3 空载，0V时候自激测量

为了观测电路中是否出现自激现象，并测量纹波电压的峰峰值，对电路中重要端口处进行测量其电压的测量值来评估电路板的质量，具体测量见表5.3所示：

表5.3空载0V输出时纹波电压测量记录表

测量点	输出电压	+15V	+5V	5V	U5⑥脚	U6⑥脚
理论值	小于50mV	小于50mV	小于50mV	小于100mV	小于50mV	小于50mV
测量值	4 mV	0 mV	0 mV	85 mV	0 mV	1 mV

5.1.4  10V输出带负载电压测量

当接入电源并且接入负载时，为了得到电路相关数据，对电路中中重要端点进行电压的测量，并且进行记录，具体见表5.4所示；

表3.4  10V输出带载时电压测量记录表

测量点	输入电压（交流）	整流滤波后电压	+15V	+5V	-5V	输出电压
理论值	15V左右	19V左右	+15V	+5V	-4到-4.8V	10V
测量值	15.92V	19.13V	15.17V	5.05V	-4.58V	9.98V
测量点	U5②脚	U5③脚	U5⑥脚	U6②脚	U6③脚	U6⑥脚
理论值	2V	2V	7.6V	0.02V	0.02V	0.6V
测量值	2.0V	2.002V	7.57V	0.020V	0.02V	0.058V

5.1.5 带载时纹波电压测量

同理为了观测当接入负载时，电路的工作的特性，对电路进行观测电路是否存在自激现象，并测量纹波电压的峰峰值，具体记录表见表5.5所示：

表5.5带载时纹波电压测量记录表

测量点	输出电压	+15V	+5V	-5V	U5⑥脚	U6⑥脚
理论值	小于100mV	小于100mV	小于100mV	小于 100mV	小于100mV	小于 100mV
测量值	7 mV	6 mV	0 mV	1 mV	2 mV	1 mV

 5.2系统联调

5.2.1 系统联调-电压测量

表5.1  系统联调数据记录表-电压测量

设定电压（V）	0	1	2	5	10	15
显示电压（V）	0.02	1.0	2.0	4.99	10.1	15.0
测量电压（V）	0.02	0.995	1.972	4.91	9.84	14.73
误差（%）	0	0.5%	1.4%	1.8%	1.6%	1.6%

5.2.2 系统联调-电流测量

表5.2系统联调数据记录表-电流测量

设定电压（V）	0	1	2	5	10	15
显示电流（A）	0	0.03	0.05	0.12	0.25	0.37
测量电流（A）	0	0.0198	0.394	0.0978	0.1956	0.294
误差（%）	0	1%	2.2%	2.2%	2.2%	1.7%

5.2.3 负载调整率

表5.3  负载调整率测试数据记录表（电压设定10V）

输出电流（mA）	0		100	200		500	800		1000
显示电流（mA）	0		90	210		510	830		970
负载电阻	∞		101.2	50.6		20.3	12.5		10.6
输出电压（V）	9.65		9.44	9.95		10.14	10.09		9.37
负载调整率		6.3%			输出电阻			0.63

根据表5.3的测量数据，用坐标纸画出电压源的输出特性曲线

参考文献

[1] 谢自美.电子线路设计、实验、测试[M].华中科技大学出社,2000.5  

[2] 高吉祥.电子技术基础实验与课程设计[M].电子工业出版,2005.8  

[3] 刘修文.实用电子电路图集[M].中国电力出版社,2006.9  

[4] 邱关源.电路原理（五版）.北京:高等教育出版社,2006.3

[5] 康华光.电子技术基础---模拟部分［M］北京：高等教育出版社2000.7  

[6] 杨文霞.孙青林  数字逻辑电路［M］ 北京：科学出版社，2007.3  

[7] 毕满清.电子技术实验与课程设计（第三版）