数控直流电压源(设计报告)

1系统设计1.1总体设计方案1.2.1设计分析从题目来看，要求设计并制作一个数控直流电压源。输入交流200～240V，50Hz，输出电压范围：0.01V～+11.99V；可设置并显示输出电压给定值。1.2.2设计思路题目要求设计一个数控直流电压源，在设计时采用ATmega16单片机作为控制核心，通过运算放大器LF356放大单片机输入的PWM信号电压，然后利用三极管TIP122和TIP127互补对管推挽放大信号电流，利用运算放大器负反馈调节电压增益，通过AD采样与单片机组成闭环控制系统，从而实现对输出电压的有效控制。控制部分由键盘输入需要的电压设定值，按下确认按键后，通过闭环控制将预置值与AD采样的值相比较，寻找与预置的电压相匹配的值，最后在LCD12864液晶上显示。1.2.3方案论证(1)控制系统的方案论证与选择基于系统闭环控制的调节精度可控，且稳定性较高，设计时对输出电压的实时采样，通过单片机对系统进行闭环控制，利用相对误差来调节PWM的占空比，使采样的输出电压接近于输入需要的电压设定值。设计的总体方框图如图1.2.2所示。该方案采用资源丰富的主流AVR单片机ATmega16，此单片机带有8通道单端或差分输入的10位AD转换器，简化了外围电路的设计，节约了资源，该单片机运行速度快，性价比高，能够很好的满足设计的各项要求。另外，为了保障系统的稳定性,本数控恒压源系统电路中还加入了过流保护电路，实时保障系统的安全性能。Atmega16线性电源同向功率放大PWMA/D采样过流保护LCD键盘图1.2.1数控恒压源的原理方框图2硬件电路的设计2.1总体方案电路的设计系统主要由供电电源、运算放大电路、单片机小系统、互补推挽放大电路、AD采样和滤波电路、过流保护电路组成，其系统方案总图如图2.1.1所示。单片机小系统核心芯片采用ATmega16作为主控芯片，由各个模块组成的闭环控制系统来调节预置电压与输出电压的差值，使输出电压尽可能的接近于预置电压，从而实现高精度的有效控制。GND+15VCC+5VCC-15VCCU_供电电源供电电源.SchDocGND-15VCC+15VCCPWMAmplify0FeedbackU_运算放大电路运算放大电路.SchDoc-15VCC+15VCCAmplify0Amplify1U_互补推挽放大电路互补推挽放大电路.SchDocADC0FeedbackU_AD采样和滤波电路AD采样和滤波电路.SchDocINT0+5VCC-15VCCFeedbackAmplify1U_过流保护电路过流保护电路.SchDoc+5VCCGNDPWMINT0ADC0U_单片机小系统单片机小系统.SchDoc图2.1.1系统方案总图2.2运算放大电路的设计该电路采用LF356运算放大器对PWM信号进行放大。此集成运算放大器的特点是差模输入阻抗非常高，输入偏置电流非常小，运算速度快速、噪声低等。PWM信号经积分器从运算放大器的同相端输入，放大后的信号从端口6输出，反馈信号经电阻15R和电位器2VR输入到运放的反向输入端，通过改变2VR的大小可以调节运放的电压增益，增益的计算公式为：17215RVRRA(2.1.1)运放的端口7和端口4分别接正负15V电源，端口1和端口5接调零电位器3VR，通过调节电位器3VR可对运放进行调零。运算放大电路如图2.1.2所示。R165.1KR159.1KR1710K-CCW+C图2.1.2运算放大电路原理图2.3互补推挽放大电路的设计互补推挽放大电路如图2.1.3所示。此电路利用NPN型（TIP122）和PNP型（TIP127）三极管的互补特性，用放大的PWM信号来驱动三极管导通和截止。当信号为正向偏置状态时，TIP122导通，TIP127截止；反之，当信号为反向偏置状态时，TIP122截止，TIP127导通。因此两个异极性管工作时，一只三极管导通、放大，另一只三极管截止，工作在“推挽”状态，组成了互补推挽放大器，PWM信号经推挽放大器放大电流。Q4TIP127R142.7KC21101PFQ3TIP122-15VCC+15VCCAmplify0Amplify1图2.1.3互补推挽放大电路原理图2.4AD采样电路和滤波电路的设计AD采样电路和滤波电路如图2.1.4所示。单片机的AD端口通过取样电阻7R和8R中间的支路，从而获得8R上的采样电压，采样后的电压值反馈给单片机，利用单片机对采样的电压值进行处理；另外，因为输出电压通过推挽电路放大有一定的纹波，利用小电容组成的滤波电路消除纹波。AD采样电路和滤波电路如图2.1.4所示。150KR7R8100KGNDADC0C18104PFGNDC19103PFC1725v/1uf12P1Header2HFeedback图2.1.4AD采样电路和滤波电路原理图2.5过流保护电路的设计过流保护电路主要由三极管9015和9014组成，1VR用来调节过流保护电流大小。正常工作时，晶体管9015截止，集电极电平为-15V，使晶体管9014截止，输出为高电平，不触发单片机中断；当输出电流过大时，晶体管9015导通，集电极电平升高，使晶体管9014也导通，输出变为低电平，触发单片机中断，单片机执行中断保护程序。过流保护电路如图2.1.5所示。C3B2E1Q29014Q19015R1115K330KR12R1310KR91.5KR105.6KVR14.7KC200.1UFINT0+5VCC-15VCCFeedbackAmplify1+5VCC图2.1.5过流保护电路原理图2.6线性电源电路的设计电源模块采用线性电源，采用常用美国国家半导体公司生产的集成三端稳压器。LM7815是正15V电源输出，LM1915是负15V电源输出，LM7805是正5V电源输出的线性直流稳压器。在设计时使用了大滤波电容，纹波系数小，性能优良可靠，能够满足系统设计的需求。电源模块电路如图2.1.6所示。C10104pFD3IN4001VIN1VOUT3GND2U2LM7805C1116v/100ufA1C2K3C4D5整流桥GBU606123J1DG128-5.0C950V/2200ufC1450V/2200ufC7104pFC15104pFF1保险(2A)GNDGNDIN21OUT3GNDU4L7915D6IN4001C1250V/1000ufC13104pFIN12OUT3GNDU3L7815D4IN4001C650V/1000ufC8104pFGND+15VCC+5VCC-15VCC图2.1.6线性电源电路原理图3软件设计鉴于单片机计数比较成熟，且开发过程中可以利用的资料和工具丰富、价格便宜、成本低。故设计用C语言对其编程并烧录到芯片内部，C语言表达和运算能力比较强，且具有很好的可移植性和硬件控制能力。采用AVRStdio4.0编译器进行程序编译和开发，此平台界面和常用的微软VC++的界面相似，界面友好，易学易用，在调试程序，软件仿真方面也有很强的功能。3.1软件设计和硬件设计的关系硬件设计和软件设计是电子设计中必不可少的内容，为了满足设计的功能和指标的要求，我们必须在开始设计时就考虑到硬件和软件的协调；不然不是造成硬件资源的浪费，就是增加软件实现时困难和复杂程度，甚至造成信号的断层，即使硬件和软件能单独使用，却不能使它们组成的系统工作。故在设计的过程中必须考虑软硬件的处理能力以及它们的接口是否兼容，实现软硬件的信号过度。其次设计时硬件之间应尽可能减小联系，只要把必要的信号线相连则可。这样做的优点是：首先，调试时可以减少很多不必要的麻烦，因为电路模块是相对独立的，故在调整电路参数值时其影响和干扰就小，在满足系统设计模块的要求后可单独对控制模块进行调整；再者，当出现问题时检查电路就容易缩小问题的范围，使得排错效率高。由于硬件的分离，在软件的调试时就可以单独针对控制模块。3.2系统程序设计主程序流程图如图3.1.1所示。程序清单见附录2。YNN开始预置键是否按下？输入需要的预置电压值系统初始化N显示预置电流与输出电流值Y预置键是否按下？预置电压≥12V？输出电压自动调整为默认值Y结束图3.1.1系统主程序流程图4系统测试4.1系统测试使用的仪器表4.1.1测试使用的仪器序号型号1TektronixTDS1012B型100MHz数字存储示波器2YB1602P功率函数信号发生器3LINI-TUT804数字电压表4万用表4.2指标测试和测试结果表4.2.1指标测试和测试结果序号预置电压输出电压绝对值差101.00V00.98V0.02V203.00V02.99V0.01V305.00V04.98V0.02V407.00V06.98V0.02V509.00V08.99V0.01V611.00V10.98V0.02V