数控直流源.docx

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数控直流源

2014年陕西省第四届大学生德州仪器（TI）杯模拟及模数混合电路应用设计竞赛（模拟赛）

设计报告封面

参赛队编号

（参赛学校填写）

学校编号

组（队）编号

选题编号

0

X

X

X

D

说明

1.本页作为竞赛设计报告的封面和设计报告一同装订；

2.“参赛队编号”由参赛学校填写，其中“学校编号”应按照巡视员提供的组委会印制编号填写，“组（队）编号”由参赛学校根据本校参赛队数按顺序编排，“选题编号”由参赛队员根据所选试题编号填写，例如：

“1213B”或“0283A”。

3.本页复印有效。

数控直流电压源

摘要

本系统以直流电压源为核心，MSP430单片机为主控制器，通过键盘来设置直流电源的输出恒定电压，具有步进功能，并且能够由1602显示实际输出的电压值。

本设计分四个模块:

单片机控制模块、D/A转换模块、恒压模块、按键和显示模块。

通过键盘输入一个值送入单片机处理之后，又经过D/A模块将信息送到稳压模块，稳压模块将D/A转换来的电压模拟量通过稳压和运放电路转换成恒压并输出；单片机系统还可以对恒压源进行采样，输出电压通过A/D转换，实时把模拟量转化为数据量，最终显示到液晶1602上。

此外，系统通过运放还具有数字量形式的反馈环节，使电压更加稳定，最终构成稳定、可数控的直流电压源。

实际测试结果表明，本系统能有效应用于需要小功率恒压源的领域。

关键词：

数控恒压源；D/A转换；采样反馈

1引言

随着电子技术的快速发展，电子设备越来越多，对电源技术的要求也越来越高。

其中开关电源以功耗小、效率高、体积小等特点已经广泛应用于高频电源设计中。

而本次题目要求设计一个纹波特别小的数控直流电压源，因此我们采用性能稳定、没有高频纹波干扰的线性电源。

此次要求要电压可调可步进，且纹波较小，最大仅为10mV，这使得系统中的控制部分要求更加的精准、严格。

2整体设计

本系统设计输入为24V直流，输出为稳定0V～9.9V可调直流电压，1000mA电流的线性电源。

整个系统主要采用MSP430F149为主控芯片，1602液晶显示，稳压、运算放大器调节，通过单片机控制电路、A/D和D/A转换电路、稳压和运放电路、显示电路等几部分组成。

系统通过键盘输入后由单片机处理，经过D/A控制稳压运放电路输出稳定的电压，另外还可以通过采样电阻得出采样值经A/D转换反馈给单片机来进行实时显示。

键盘设定可以将电压恒定在范围内任意值，系统还具有电压步进调节等功能。

其中A/D模块采用ADS1115，D/A模块采用DAC8560，可调稳压器采用LM338，精密运算放大器采用OP07，辅助主要电源芯片采用7815,7805，MC30460等。

系统的整体框图如图2-1所示。

图2-1系统整体框图

3方案选择

3.1恒压源模块选择

方案一：

采用开关电源中的BUCK拓扑电路，利用TL494控制开关管的闭合关断和电容器产生稳压电源，这种拓扑适合于运用低功耗，高效率，小体积的场合。

但这种电路的缺点是自身会产生杂波，而且易受电磁干扰，且电路纹波大。

方案二：

采用线性电源作为稳压电路，利用可调稳压芯片和高精度集成运算放大器产生恒定电压。

这种电路的优点是性能稳定，且产生的纹波特别小，特别适合此次题目，缺点是效率相对开关电源较低。

上述两种电路的搭建方法，各有其优缺点，方案二比较符合本次实验要求，综合各种考虑我们采用了方案二。

3.2稳压芯片的选择

方案一：

采用集成三端稳压LM317，LM317是应用最为广泛的电源集成电路之一，它不仅具有固定式三端稳压电路的最简单形式，又具备输出电压可调的特点。

此外，还具有调压范围宽、稳压性能好、噪声低、纹波抑制比高等优点。

但是缺点是工作允许最大电流只有1.5A。

方案二：

采用LM338，大电流可调集成稳压器LM338的特点是输出电流大，额定电流为5A，最大允许峰值电流为7A；搭建的电路简单；电压调整率可达到0.012%N，漂移可达0.0005V/H；输出电压在1.25～32V之间可调。

此芯片的缺点是它在输出小电压大电流时管压很大，功耗也相对较大。

鉴于上述原因，我们选用了允许输出电流较大的方案二。

3.3辅助电源的选择

方案一：

采用最常用的78xx系列的芯片，采用7815的芯片产生15V电压给运放供电，然后再接7805芯片产生5V的辅助电压给单片机供电。

该方案设计简单，外围器件很少，而且精度也相对较高。

缺点是在芯片承受压降比较大时效率就会变低。

方案二：

辅助电源采用LM2596集成模块，LM2596降压开关型集成稳压芯片，它的输出的电压范围为1.23～37V。

它内含固定频率振荡器（150KHZ）和基准稳压器（1.23V），并具有保护电路、电流限制、热关断电路等。

但此芯片为开关型稳压芯片，虽然效果好，却不太适用于线性电源。

以上两种方案各有其优缺点，比较起来方案一较简单易行，而且输出电压纹波小，综合考虑采用方案一。

4硬件设计

系统主要功能是通过单片机的键盘控制系统键入一个值，经过单片机处理，输出D/A控制可调稳压模块产生稳定电压，从而达到数控的效果；另一方面，通过稳压芯片和运算放大器共同作用完成稳压，并通过采样电阻和A/D转换模块，将模拟量转换为数字量，最后将数据显示到1602上，通过单片机的控制系统来维持电路的稳定，进而达到可控电压源的目的。

4.1稳压模块

如图4-1所示为数控恒压源中的稳定电压部分。

其中LM338为可调稳压芯片，通过单片机送给运放OP07的1脚基准电压的不同从而控制恒压源的基准。

另一方面，通过电位器R4与电阻R6相互调节分压送入2脚来改变输入反馈电压，通过与基准电压的比较来输出稳定电压的目的。

图4-1稳压模块电路图

4.2辅助电源部分

其78XX系列的线稳压器具有稳压特性好，价格便宜，使用简单方便的优点，所以该系统使用7815作为系统的辅助电源，产生的15V电压为运算放大器提供工作电压。

用7805产生5V电压给MC34063A芯片供电，从而产生-15V的电压，共同达到辅助电源的目的。

其连接电路图如图4-3。

图4-2辅助电源部分

4.3A/D与D/A部分

本次设计中D/A模块采用DAC8560，采用MSP430单片机作为整机的控制单元，通过外部键盘键入一个数字信号，由单片机控制处理完成后，将数字信号送出外步，再通过D/A芯片转换，从而控制可调稳压输出的电压，调节运算放大器的基准电压，便可以实现数控的效果。

A/D模块采用ADS1115。

通过取样电阻对输出电压的分压采样，经过A/D模块，将模拟量转换为数字量，最终通过单片机显示到液晶1602上。

除此之外，此系统比较灵活，采用软件方法来解决数据的预置以及电压的步进控制，使系统硬件更加简洁，各类功能易于实现，能很好地满足题目的要求。

5软件部分

软件方面整体思路是采用MSP430单片机作为整机的控制单元，通过外部键盘的输入设定输出电压，分为直接设定和步进两种。

直接设定是扫描键盘键入一个数字信号后，由单片机控制处理完成后，将数字信号送出外部，再通过D/A芯片转换，从而调节运算放大器的基准电压，调节稳压源的输出从而实现数控功能。

步进设定则在直接设定之后，通过判断是否为步进或减少将电压信号进行相应的操作。

本程序通过改变输入数字量来改变输出电压值，便可以实现数控的效果。

为了能够使系统具备检测实际输出电压值的大小，可以通过电阻反馈获取电压，并经过A/D进行模数转换，间接用单片机实时进行采样，然后进行数据处理及显示。

此系统比较灵活，采用软件方法来解决数据的预置以及电压的步进控制。

软件方面的主体流程图如图5-1所示。

图5-1系统软件流程图

6系统测试

6.1测试条件

本次测试采用以下仪器：

数字万用表、直流输出电源、数字示波器等。

6.2测试结果

6.2.1基本测试数据

电压输出范围:

0～15V；

电流：

0～1.1A；

纹波：

9mV；

步进单位：

0.1V。

6.2.2电压显示误差

测试条件：

U为0～9.9V变化，负载30Ω（测试数据为两组）

表6-1测试结果一

次数

U（V）

0.06

0.96

1.96

2.96

3.96

4.96

5.96

6.96

7.96

9.9

1

显示电压

0.07

0.97

1.97

2.97

3.97

4.97

5.97

6.97

7.97

9.97

实测电压

0.069

0.966

1.966

2.966

3.966

4966

5.966

6.966

7.966

9.966

2

显示电压

0.07

0.97

1.97

2.97

3.97

4.97

5.97

6.97

7.97

9.97

实测电压

0.068

0.967

1.965

2.962

3.958

4.955

5.952

6.949

7.941

9.942

平均误差

0.002

0.003

0.005

0.006

0.008

0.009

0.011

0.012

0.015

0.015

6.2.3电压变化量

测试条件：

负载电流在0～1.0A间变化时，电压设定为9.9V，测试电压的变化量

表6-2测试结果二

次数

I（A）

0.14

0.24

0.34

0.44

0.54

0.64

0.74

0.84

0.94

1.04

1

电压

9.971

9.970

9.972

9.970

9.971

9.972

9.973

9.971

9.970

9.964

2

电压

9.976

9.976

9.977

9.978

9.976

9.977

9.975

9.973

9.971

9.966

平均变化

0.04

6.2.3综合测试

表6-3测试结果三

项目

任务

完成情况

基本要求

1

输出电压范围0～9.9V

完成

2

步进0.1V

完成

3

纹波不大于10mV

完成

4

输出电流1000mA

完成

5

输出电压值显示

完成

6

“+，—”控制电压步进

完成

7

自制直流电源，输出±15V,5V

完成

表6-4测试结果四

项目

任务

完成情况

发挥部分

1

输出在0～9.9V任意设定

未完成

2

扩展输出电压种类

完成

3

最大输出2A

未完成

4

负载电流0～1.5A时电压变化量不超过0.1V

完成

5

设计电子负载

未完成

7总结

本次设计主要应用到了模拟电子技术、数字电子技术、单片机控制技术、电源设计、电子工艺等多方面的知识。

本系统实现了数控直流电压源，并可以步进电压，系统相对稳定，功耗低，基本达到了题目的要求。

而本次的设计主要不足是发挥部分完成的项目不是很多，此部分的有些要求没有达到，特别是后面制作电子负载的题目。

在数据测试和调试方面，由于仪表存在误差和电路器件因工作时间过长温度升高而产生的误差，使得测量数据不是很精确。

由此我们也知道了下一步的方向，我们努力弥补自己的不足，进一步的学习新的东西。

参考文献

[1]李义府．模拟电子技术基础．长沙：

国防科技大学出版社，2004

[2]阎石.数字电子技术基础（5版）.北京：

高等教育出版社,2006.

[3]刘守义．单片机应用技术．西安：

西安电子科技大学出版社，2002

[4]何希才．电子电路．北京：

北京航空航天大学出版社，2003

[5]杨素行.模拟电子技术基础（第三版）.北京:

高等教育出版社，2005.

[6]丁道宏，陈东伟.电力电子技术应用（第四版）.北京:

航空工业出版社，2004.

[7]林中.电力电子变换技术.重庆:

重庆大学出版社，2007.

[8]康华光.电子技术基础.（模拟部分）[M].（5版）.北京：

高等教育出版社,2005.

附录

元器件清单：

序号

元件名称

型号

个数

1

集成运算放大器

OP07

1

2

可调稳压芯片

LM338

1

3

DC/DC转换器

MC34063A

1

4

稳压芯片

7805

1

5

稳压芯片

7815

1

6

电感

1000uF

1

7

整流二极管

1N5408

1

8

整流二极管

1N4007

1

9

电解电容

470uF（50V）

2

10

电解电容

220uF（50V）

1

11

电解电容

100uF（50V）

1

12

电解电容

10uF（25V）

1

13

瓷片电容

104

3

14

瓷片电容

105

1

15

功率电阻

0.2Ω（2W）

1

16

电阻

20Ω

1

17

电阻

120Ω

1

18

电阻

1KΩ

2

19

电阻

10KΩ

1

20

电位器

103

1

21

电位器

203

1

22

端子

2P

3

23

万用板

中型

2

24

导线、焊锡

若干