简易数控直流电压源.docx
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简易数控直流电压源
数
控
电
压
源
实
习
报
告
班级:
测控12-131号
设计人:
王秋桦
指导老师:
庄严
设计时间:
2015-12-01
摘要
本设计采用数字电位器MCP41010和功率放大电路LM324构成输出电压在0.1-9.9V的直流稳压电源,整个电路由D/A转换模块、电压放大模块、精密电压源模块和过流保护模块组成。
数字控制部分采用+/-按键来调整预设电压值,调整步进0.1V,当按下+/-按键超过1秒时进入快速调整状态,每秒步进为0.4V。
最后再将放大后的输出电压值和输出电流值,经过PIC16F877A的内部A/D转换并在数码管上实时显示。
关键词:
数字电位器、D/A转换、电压源、过流保护
目录
1系统设计4
1.1设计要求4
1.1.1设计任务4
1.1.2、基本要求4
1.1.3、发挥部分4
1.1.4测试要求4
1.1.5系统框图4
1.2方案论证与比较5
1.2.1电压采样模块5
1.2.2稳压模块6
1.2.3过载保护模块6
1.2.4最终方案7
2.单元电路分析8
2.1D/A转换模块8
2.1.1工作原理8
2.1.2参数选择8
2.2电压放大模块8
2.2.1工作原理8
2.2.2参数选择9
2.3稳定电压源及电压采样模块9
2.3.1工作原理9
2.3.2参数选择10
2.4过载保护模块10
2.4.1工作原理10
2.4.2参数选择11
3.软件设计11
3.1实现功能11
3.2软件平台及开发工具12
3.3软件流程图12
4.系统测试12
4.1电路测试步骤:
12
5.结论12
6.参考文献12
7.附录
13
1系统设计
1.1设计要求
1.1.1设计任务
设计一台直流稳压电源,电压变化范围±10%.
1.1.2、基本要求
(1)输出电压:
范围0~+9.9V,步进0.1V,纹波不大于10mV。
(2)最大输出电流:
500mA。
(3)启停键:
“工作”与“停止”两状态的转换键,每按该键一次状态翻转一次。
(4)“停止”状态:
禁止电压输出,状态指示灯灭,电压指示器显示预设电压,负载电流为0;在该状态下按“+”、“-”两键调整预设电压值,调整步进0.1V。
(5)“工作状态”:
允许输出预设电压,正常工作指示灯亮,电压、电流指示器实时显示输出电压和负载电流。
一旦负载电流超限输出保护关断信号,转入“保护”状态,保护响应时间不超过10mS。
处在“工作”状态时输出电压不能调整,按启停键转换到“停止”状态。
(6)“保护”状态:
禁止电压输出,过载指示灯亮,电压、电流指示器显示预设电压和超载时的电流值,5秒后自动回到“停止”状态。
1.1.3、发挥部分
(1)增加快速调整功能,按下“+”、“-”键超过1秒后进入快速调整,每秒步进0.4V。
(2)系统能保存预设电压值,每次开机时的预设电压值为上次关机前的预设电压值。
1.1.4测试要求
在最小系统板数码管上可以清晰读出预设电压值、采样电压值和采样电流值。
1.1.5系统框图
图1
1.2方案论证与比较
1.2.1电压采样模块
方案一:
在输出口串上两个大电阻和一个电位器,从电位器的中间抽头进行采样,这样不但可以得到完全采样,而且可调.因为实际的电阻值与所标的电阻值会有一些误差,电位器的精密度等都会增加电压采样误差.电路图如下:
方案二:
由于产生的稳定直流电压源的电压值高达9.9V,不能直接送给PIC的I/O采样,则需将其线性降压,而此降压电路模块不会影响电压源的各性能。
因此利用电压跟随器的输入电阻无穷大的特性,得出采样电压。
图3
综合以上分析,方案二较好。
1.2.2稳压模块
方案一:
如下图所示,电路接成串联型电压负反馈,我们把输入电压加到运放的同相端,与6脚的取样电压构成差动放大器,把他们之间的电压差进行放大,放大后的电压再接到调整管的基级,通过调整管的调整作用,来达到稳定输出电压的效果。
方案二:
如图,电压经过差分放大后由功率三极管放大电流组成电压负反馈电路。
图5
再经过电容滤波,电路即可输出稳定的直流电压。
综合以上分析,方案二较好。
1.2.3过载保护模块
方案一:
如下图所示
图6
上图采用复合管组成限流型保护电路,通过调整电阻R8,当电路中的电流达到或超过需保护的设定值时,R8两端的电压超过0.5V,9013导通工作,电流中的电流可通过9013进行分流,使得TIP122的基极电位被拉下来,使得TIP122截止,以此来保护调整管。
当R8两端的电压小于0.5V时,9013截止,TIP122恢复工作。
但过载时,电流不易测得。
而且LM324的输入端电压最小为300mV,当取样电阻两端电压过小时,LM324取样不到,从而影响后续的同相比例放大及A/D值。
方案二:
如下图所示
图7
在如上的电路中,将负载接在电流取样电阻之前,输出电压会受到电流取样电阻的影响。
一旦取样电阻确定后,通过观测其两端电压大小即可得出流经负载的电流值大小。
通过软件控制过载时对电路的保护。
从而,使得过载时,电流易于测得。
综上所述,选用方案二。
1.2.4最终方案
单片机PIC16F877A主要用于预设输出电压值并通过按键来实现输出电压的步进控制,当电路输出较大电压,若输出端所接负载较小,电路中电流较大,超过设计要求,系统启动保护状态,过载保护通过软件来实现。
系统将电路中实时采样的电压值和电流值送数码管显示。
(1)单片机控制模块:
采用PIC16F877A单片机为核心。
(2)基准电压模块:
采用数字电位器MCP41010进行D/A转换输出基准电压。
(3)控制调整模块:
采用达林顿管TIP122进行控制调整输出电压。
(4)输出取样模块:
采用电阻臂进行电压取样,小功率电阻进行电流取样。
(5)显示模块:
采用数码管显示。
2.单元电路分析
2.1D/A转换模块
2.1.1工作原理
如图所示,利用PIC16F877A及数字电位器MCP41010进行D/A转换,从而得到步进电压源。
MCP41010的1、2、3脚分别与PIC的三个I/O口相连。
当
=0时,MCP41010才工作。
SCK用于接入PIC的C2口输出的时钟信号。
SI为MCP41010的数据输入引脚,用于接收从PIC的C3口输出的数据信号,即步进电压信号。
当
=0时,SCK的上升沿到来时,数据从SI引脚输入数字电位器,从而得到步进电压。
2.1.2参数选择图8
电解电容
、瓷片电容
是为了对+2.5V参考电压进行滤波,故可选取电解电容
为100µF、瓷片电容
为104。
2.2电压放大模块
2.2.1工作原理
如图所示,由于MCP41010是8位电流型串行数字电位器,可产生256个步进。
当参考电压为+2.5V时,PW0输出的步进值约为0.01V。
所以要想得到步进值为0.1V,需放大5倍,并且电位器每次步进2阶同时自动调整。
通过对输出D/A的输出电压进行同相放大,该电路的放大倍数大约为5倍,并通过电位器来改变它的放大倍数,从而达到对输出电压进行硬件校准的目的。
图9
2.2.2参数选择
(1)电路负反馈放大倍数:
不妨选取
。
(2)集成运放选取LM324。
2.3稳定电压源及电压采样模块
2.3.1工作原理
如图所示,集成运放的5、6、7引脚构成差分放大电路,与功率三极管TIP122组成闭环负反馈电路,使得5和6引脚的电压保持相等。
其中功率三极管还起到放大电流的作用,各电容起到稳压滤波作用。
由于输出电压范围为0~9.9V,不能直接将其作为电压采样值送给PIC的I/O口,所以需要将其线性降压。
根据电压跟随器的输入电阻无穷大的特性,组成如图采样电路,并且不影响直流电压源的各参数性质。
图10
2.3.2参数选择
(1)由于设计要求电压源输出的电压高达9.9V,所以用大于9.9V的电源给电路供电。
三极管是电流控制电流型器件,考虑到流经其上的电流要高达0.5A,因此所选三极管的功率要承受:
所以需要选择散热性好的功率三极管TIP122,并且加上散热片帮助其尽快散热。
(2)稳压滤波电容
(3)电压采样电阻
使得
范围是0~4.95V,符合I/O口采样电压值要求。
2.4过载保护模块
2.4.1工作原理
如图所示,通过对电阻
两端电压的取样及放大,从而得到对应电流值所对应的电压值
。
IC4构成同相输入比例放大电路,放大倍数为5倍。
需A/D转换的电流进行滤波。
图11
2.4.2参数选择
(1)为便于运算,
选用1Ω。
由于输出的最大电流可达500mA,由
可得,
=0.25W,为保险起见,故
选用1Ω/2W的功率电阻。
(2)
可取瓷片电容104。
注意:
14引脚输出出不可加电容值较大的电解电容。
由于采样功率电阻阻值非常小,在电流值不大的情况下,相应的电压值也很小,一旦在14引脚出接一个较大的电解电容虽然有稳压滤波的作用,可是其充放电会严重影响A/D采样的电压值,即相应的电流采样值。
(3)过载保护电路放大倍数
因此不妨选取
。
3.软件设计
3.1软件平台及开发工具
本系统软件的开发平台是MPLABIDE,开发工具为MPLABICD2。
3.2软件流程图
4.系统测试
4.1测试步骤:
①第一步:
检查电路没有问题,上电
②第二步:
预设置电压值,并用数字万用表检测输出电压,及功率电阻两端的电压。
③第三步:
用示波器测输出电压的纹波。
4.2测试结果
①输出电压及功率电阻两端的电压见下表:
Vout设定值/V
Vout测量值/V
功率电阻两端电压/mV
流过功率电阻电流/mA
A/D显示的电流/mA
Vout误差/%
电流误差/%
0.1
0.143
5.30
5.30
3.0
43.00
43.40
0.2
0.243
8.90
8.90
7.0
21.50
21.35
0.5
0.591
21.70
21.70
21.0
18.20
3.23
0.7
0.725
29.00
29.00
28.0
3.57
3.45
1.2
1.280
47.00
47.00
46.0
6.67
2.13
1.6
1.660
61.50
61.50
65.0
3.75
(5.69)
2.0
2.080
76.00
76.00
76.0
4.00
0.00
2.5
2.570
95.90
95.90
93.0
2.80
3.02
3.0
3.090
114.10
114.10
111.0
3.00
2.72
3.5
3.560
132.20
132.20
129.0
1.71
2.42
4.0
4.050
150.30
150.30
147.0
1.25
2.20
4.5
4.540
168.00
168.00
165.0
0.89
1.79
5.0
5.070
188.50
188.50
194.0
1.40
(2.92)
5.5
5.540
206.00
206.00
226.0
0.73
(9.71)
6.0
6.030
224.00
224.00
221.0
0.50
1.34
6.5
6.540
244.00
244.00
242.0
0.62
0.82
7.0
7.010
262.00
262.00
260.0
0.14
0.76
7.5
7.510
280.00
280.00
277.0
0.13
1.07
8.0
8.030
300.00
300.00
297.0
0.37
1.00
8.5
8.620
318.00
318.00
314.0
1.41
1.26
9.0
9.090
336.00
336.00
331.0
1.00
1.49
9.3
9.390
347.00
347.00
344.0
0.97
0.86
9.5
9.580
354.00
354.00
349.0
0.84
1.41
9.7
9.800
363.00
363.00
359.0
1.03
1.10
9.9
10.000
371.00
371.00
367.0
1.01
1.08
以上为负载=25欧,功率电阻=1欧
②输出电压的纹波在10~20mV之间。
5.结论
本设计基本完成基本要求里面的内容和发挥部分的功能和指标。
表1
基本要求
发挥部分
实现性能
输出电压:
范围0~+9.9V,步进0.1V,纹波不大于10mV
基本实现
纹波10~20mV
最大输出电流:
500mA
实现
启停键:
“工作”与“停止”两状态的转换键,每按该键一次状态翻转一次
实现
“停止”状态:
禁止电压输出,状态指示灯灭,电压指示器显示预设电压,负载电流为0;在该状态下按“+”、“-”两键调整预设电压值,调整步进0.1V
实现
“工作状态”:
允许输出预设电压,正常工作指示灯亮,电压、电流指示器实时显示输出电压和负载电流。
一旦负载电流超限输出保护关断信号,转入“保护”状态,保护响应时间不超过10mS。
处在“工作”状态时输出电压不能调整,按启停键转换到“停止”状态
实现
“保护”状态:
禁止电压输出,过载指示灯亮,电压、电流指示器显示预设电压和超载时的电流值,5秒后自动回到“停止”状态
实现
增加快速调整功能,按下“+”、“-”键超过1秒后进入快速调整,每秒步进0.4V
实现
系统能保存预设电压值,每次开机时的预设电压值为上次关机前的预设电压值
实现
6.参考文献
[1]清华大学电子学教研组编,阎石主编.数字电子技术基础(第五版).北京:
高等教育出版社,2006.5
[2]张华林,周小方编著.电子设计竞赛实训教程[M].北京:
北京航空航天大学出版社,2007.7
7.附录
7.1原器件明细表
器件名称
数量
备注
器件名称
数量
备注
MCP41010
1
LM324
1
已有
TIP122
1
已有
电容(104)
4
电阻(1Ω/2W)
2
电阻(33K)
2
电阻(1K)
1
电阻(10K)
10
电位器(10K)
2
电阻(5K1)
2
7.2电路原理图
7.3电路PCB图
7.4源程序如下:
;系统程序设计(080727)
;----几个重要子程序及主子程序之间的关系
;-----------------------
;以下为特殊功能存储器的定义
;-----------------------
INCLUDE"PIC16F877A.INC"
;-----------------------
;以下为I/O口定义
;-----------------------
#DEFINECS41010RC,2;MCP41010器片选
#DEFINECS3202RC,1;12位AD转换器片选
#DEFINELDACRC,0;数据转存到DAC寄存器
#DEFINESCKRC,4;SPI串口时钟线
#DEFINESDIRC,5;SPI串口数据输入
#DEFINESDORC,6;SPI串口数据输出
#DEFINEBEERA,5;蜂鸣
#DEFINECS0RB,1;LED0
#DEFINECS1RB,2
#DEFINECS2RB,3
#DEFINECS3RB,4
#DEFINECS4RB,5
#DEFINECS5RE,0
#DEFINECS6RE,1
#DEFINECS7RE,2;LED7
;-----------------------
;以下为内部RAM的定义
;-----------------------
WBUFEQU20H;W保护单元,含0A0H单元
STBUFEQU21H;STATUS保护单元
FSBUFEQU22H;FSR保护单元
PCBUFEQU23H;PCLATH保护单元
R0EQU24H;R0~7工作寄存器
R1EQU25H;R0~7循环变量或中间结果
R2EQU26H
R3EQU27H
R4EQU28H
R5EQU29H
R6EQU2AH
R7EQU2BH
R8EQU2CH
R9EQU2DH
DSBITEQU2EH;显示位选,0~7=LED0~LED7
DSBUF0EQU2FH;LED0
DSBUF1EQU30H;显缓,LED1
DSBUF2EQU31H;显缓LED2
DSBUF3EQU32H;显缓LED3
DSBUF4EQU33H;显缓LED4
DSBUF5EQU34H;显缓LED5
DSBUF6EQU35H;显缓LED6
DSBUF7EQU36H;显缓LED7
DSDOTEQU37H;小数点位
#DEFINEDOT0DSDOT,0
#DEFINEDOT1DSDOT,1
#DEFINEDOT2DSDOT,2
#DEFINEDOT3DSDOT,3
#DEFINEDOT4DSDOT,4
#DEFINEDOT5DSDOT,5
#DEFINEDOT6DSDOT,6
#DEFINEDOT7DSDOT,7
DSFLEQU38H;显示位闪烁控制(0-7分别对应LED0-7)
SHANEQU39H
#DEFINEFLONSHAN,0;闪烁总控位,=1闪
#DEFINEADFLAGSHAN,1
#DEFINEDAFLAGSHAN,2;
#DEFINEJJDAFLAGSHAN,3
#DEFINEXIEBZSHAN,4
#DEFINEXIEFLAGSHAN,5
#DEFINEXIEWANSHAN,6
;-----------------------
KEY1EQU3AH;键值1,触发型
KEY2EQU3BH;键值2,触发型
#DEFINEK0KEY1,0
#DEFINEK1KEY1,1
#DEFINEK2KEY1,2
#DEFINEK3KEY1,3
#DEFINEK4KEY1,4
#DEFINEK5KEY1,5
#DEFINEK6KEY1,6
#DEFINEK7KEY1,7
#DEFINEK8KEY2,0
#DEFINEK9KEY2,1
#DEFINEK10KEY2,2
#DEFINEK11KEY2,3
#DEFINEBIAOKEY2,4
LASTK1EQU3CH;旧键值1,控制型
LASTK2EQU3DH;旧键值2,控制型
#DEFINELK0LASTK1,0
#DEFINELK1LASTK1,1
#DEFINELK2LASTK1,2
#DEFINELK3LASTK1,3
#DEFINELK4LASTK1,4
#DEFINELK5LASTK1,5
#DEFINELK6LASTK1,6
#DEFINELK7LASTK1,7
#DEFINELK8LASTK2,0
#DEFINELK9LASTK2,1
#DEFINELK10LASTK2,2
#DEFINELK11LASTK2,3
ANJCOUNTEQU3EH;按键去抖
HOUHEQU3FH;时单元,非压缩BCD码
HOULEQU40H
MINHEQU41H;分单元,非压缩BCD码
MINLEQU42H
SECEQU43H;秒单元,2进制
SECWEQU46H
SECCEQU47H;0.5秒单元,2进制
TURNEQU48H
SHUKONEQU49H
GEEQU50H
SHIEQU51H
BAIEQU52H
QIANEQU53H
TIMEREQU44H;走时用,5ms加1
CYDYDIEQU60H;采样电压低位
CYDYGAOEQU61H;采样电压高位
KUAIJINEQU62H;预设电压缓冲器
COUNTEQU63H
S1HEQU64H
S1ZEQU65H
S1LEQU66H
R1HEQU67H
R1LEQU68H
ZCEQU69H
CISHUEQU70H
COUNTEREQU71H
;-------
STAEQU45H;工作状态寄存器
;-----------------------
VAN0EQU54H
;模拟AN0的AD值,2字节,VAN0高位,VAN0+1低位
;-----------------------
;宏定义,W,STATUS,FSR,PCLATH进栈
;-----------------------
PUSHMACRO
MOVWFWBUF
SWAPFWBUF,1
SWAPFSTATUS,W
BCFRP0
BCFRP1
MOVWFSTBUF
SWAPFFSR,W
MOVWFFSBUF
SWAPFPCLATH,W
MOVWFPCBUF
ENDM
;-----------------------
;宏定义,W,STATUS,FSR,PCLATH出栈
;-----------------------
POPMACRO
BCFRP0
BCFRP1
SWAPFPCBUF,W
MOVWFPCLATH
SWAPFFSBUF,W
MOVWFFSR
SWAPFSTBUF,W
MOVWFSTATUS
SWAPFWBUF,W
ENDM
;-----------------------
;宏定义,RAM体选择
;-----------------------
BANK0MACRO
BCFRP1
BCFRP0
ENDM
BANK1MACRO
BCFRP1
BSFRP0
ENDM
BANK2MACRO
BSFRP1
BCFRP0
ENDM
BANK3MACRO
BSFRP
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- 简易 数控 直流 电压