目錄

1.設計任務與要求

1.1 設計任務

1.2? 設計要求

2.設計方案

2.1? 系統方案設計

?2.1.1 濾波電路：

2.2.2 輔助電源電路：

?2.2.3? 三端可調穩壓電路：

2.2.4? 電壓、電流采樣電路：

? 2.2 元器件選型

2.2.1電容、電阻

2.2.2 穩壓芯片選擇

3.原理圖設計、PCB設計與程序設計調試

3.1 原理圖設計

?3.2 PCB設計

3.3 程序設計與調試

3.4 核心代碼分析：

4. 實物制作與粗調

4.1 實物制作

4.2 PCB電路板粗調

4.3 硬件測試問題出現及解決

5.系統聯調與參數測試

5.1硬件參數測試

5.1.1 電源各端口電阻值:

5.1.2 ?空載0V輸出時電壓測量記錄：

5.1.3 空載，0V時候自激測量

5.1.4? 10V輸出帶負載電壓測量

5.1.5 帶載時紋波電壓測量

?5.2系統聯調

5.2.1 系統聯調-電壓測量

5.2.2 系統聯調-電流測量

5.2.3 負載調整率

參考文獻

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1.設計任務與要求

1.1 設計任務

設計一款數顯數調的直流穩壓電源。

1.2? 設計要求

1）輸出電壓0—15V，步進0.1V可調，誤差≤0.05V；

2）輸出電流0—1000mA；

???3）單片機模塊能顯示設定的電壓值、輸出的電壓值和輸出的電流值；能用“+、-”鍵步進調節輸出電壓值；

???4）當輸出電流達到1000mA時，由恒壓輸出模式改為恒流輸出模式，即輸出電流維持1000mA不變，輸出電壓降低。當輸出電流小于1000mA時，自動恢復恒壓輸出的工作模式。

根據設計要求，數控直流電壓源的組成框圖如圖1.1所示。

?圖1.1 ?數控直流電壓源組成框圖

在本次課程設計中，要完成以下具體工作：

1）設計電源板的電路原理圖；

2）用Altium Designer軟件設計電源板的PCB圖；

3）電源板的制作、裝配、焊接與調試；

4）單片機模塊的軟件設計與調試；

5）系統聯調與參數測試；

2.設計方案

2.1? 系統方案設計

設計思路：本次實驗為了達到可調的效果并且本實驗利用交流電壓220V。所以需要設計：1.整流濾波電路 2.輔助電源電路 3.三端可調穩壓電路 4.電壓、電流采樣電路。整體設計如圖2.1所示：

?圖2.1 整體設計思路

?2.1.1 濾波電路：

該電路的輸入端為220V的交流電，但是電路各器件所需要的電源為直流電所以將220V交流電經過變壓器降壓后經過橋式整流（仍是交流電）后經過濾波后則（變直流電）輸入到電路中,其中利用橋式整流橋過程：將正弦波正向部分：電壓方向為a-D1-C-D3-b。正弦波負向部分：電壓流向為b-D2-C-D4-b，電路請見圖2.2；

濾波利用的是電容的充放電：在脈動波形的上升段，電容充電，由于充電常數很小，所以充電速度很快，在下降端，電容C放電，由于時間常數很大，所以放電速度很慢，在C1還沒有完全放電再次開始充電。往復操作達到電壓的濾波，濾波結果見圖2.3；

? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?圖2.2??橋式整流橋? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?圖2.3??濾波過程

2.2.2 輔助電源電路：

由于后續電路中需使用運算放大器，器件使用雙電源供電，于是利用穩壓芯片和電荷泵電壓轉換芯片獲得負電壓，為了使得電壓的穩定性，在穩壓芯片倆端接入濾波電容，具體電路設計見圖2.4：

?圖2.4??輔助電源電路

?2.2.3? 三端可調穩壓電路：

為了達到可調的功能，使用可調穩壓芯片進行設計，其中調整端為單片機的輸入端，利用運放來控制其輸出的電壓值，達到可調的效果，并且為了使得保護單片機，設計下拉電阻，具體見圖2.5；

?圖2.5?三端可調穩壓電路

2.2.4? 電壓、電流采樣電路：

?為了能夠分析相關數據，利用單片機的ADC采樣功能，對電路中的輸出電壓和輸出電流進行采樣分析，其中由于ADC只能采集0-3.3v的電壓，輸出電壓為0-15v，于是需要將輸出電壓進行分壓操作，對于電流部分需要利用采樣電阻，見電壓與電流進行線性替換，由于取樣取得電壓較小，為了ADC采樣分析需要對采樣電壓進行放大操做，具體電路見圖2.6；

?圖2.6 ?電壓采樣、電流采樣電路

? 2.2 元器件選型

2.2.1電容、電阻

在電路設計中為了使得電壓穩定需在電壓輸入輸出端口進行濾波處理，其中電容的容量和耐壓值有一定的計算要求，通過網上尋找相關資料，常用規律如下圖2.7所示；

圖2.7 ?輸出電流與電容容量聯系

而對于耐壓值的計算公式為 Vcm=? 根號2*V2*1.1?。所以對于濾波的電容選擇有一定的規律，為了濾除高頻干擾信號，常用104瓷片電容。

在電路中為了安全，設計電源指示燈，考慮到LED燈的亮燈狀態需要考慮電阻的大小，電路采用的是紅色LED,具體電流大小見圖2.7所示；

? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 圖2.7 部分LED參數

電路中由于需要設計運算放大器，設計到放大倍數的選擇，本實驗采用的是同向放大電路，放大倍數=[1+(R1+RP/R2)]，實驗電阻使用最好為千分之一的精度。為了電壓采樣需要對輸出電壓進行一個分壓操作，需要使用變阻器來不斷調整。

2.2.2 穩壓芯片選擇

為了達到可調穩壓的效果，使用LM317穩壓芯片進行設計，通過查詢數據手冊見圖2.8，可以達到實驗要求電壓范圍。

?圖2.8 ?LM317輸入輸出電壓

通過查詢相關數據手冊可以得知其參考設計電路如下圖2.9所示；為了達到可控的效果利用二極管進行電壓偏移的作用。

?圖2.9 ?LM317參考電路

由于可調穩壓電路需要使用運算放大器，所以需要輔助電源電路，由于輔助電源的輸出電流很小，因此可以小功率的三端穩壓，用LM78L15產生+15V的電壓，用LM78L05產生+5V的電壓，由于需要雙電源供電，所以需要將+5V轉為-5V使用芯片為TJ7660，通過查詢數據手冊能達到要求，見圖2.10所示；

圖2.10 TJ7660數據手冊部分參數?

3.原理圖設計、PCB設計與程序設計調試

3.1 原理圖設計

整體原理圖設計如下圖3.1所示；

圖3.1 整體原理圖

?3.2 PCB設計

為了將腐蝕板與打板做比較，繪制倆種版本的pcb，對于單層板需要考慮其走線，對于繞不過區域采樣跳線的方式，為了焊接的簡便應盡可能的減少跳線的數量，并且對于大電流走線應設計較粗，單層板設計見圖3.2中圖 a和圖b 所示；

? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?圖a ?電路走線? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 圖b ?電路3D立體圖

圖3.2 ?pcb繪制

?對于打板其設計pcb可以采用大面積鋪銅的方式來達到簡化電路的設計，并且可以采用雙層板繪制的方式來設計走線，使得走線更加的優化，具體設計見圖3.3 中圖c和圖d所示；

? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 圖c ?電路走線設計? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?圖d ??電路3D立體圖

圖3.3 電路pcb設計

3.3 程序設計與調試

為了達到閉環控制的效果，需要對整個電路達到一個過程的監控。其中軟件需要設計要完成的任務為：

1）用按鍵來改變輸出電壓的設定值；

2）設定的電壓值D/A轉換、顯示并送往電源板；

3）取樣電壓A/D轉換、顯示；

4）輸出電流的取樣值A/D轉換、顯示。

所以對整個電路需要利用AD,DA，OLED，按鍵等模塊進行分析

程序設計包含以下模塊：

1）主程序；

2）OLED顯示子程序；

3）按鍵處理子程序；

4）設置電壓D/A轉換

子程序；

5）輸出電壓A/D轉換

子程序；

6）輸出電流A/D轉換

子程序；

7）延時子程序。

主程序流程如圖3.4所示。

?

?圖3.4? 主程序流程圖

其中為了能夠達到利用按鍵達到可調的效果，利用按鍵來處理整個效果，拖過按鍵對輸出電壓進行抬壓和減壓的功能，并且設置鎖定和粗調和細調來控制整個電路來達到不同的效果，按鍵處理程序見圖3.5所示；

?圖3.5 按鍵處理整體設計

3.4 核心代碼分析：

在本次實訓中最主要部分為按鍵代碼部分，其中使用三個按鍵，作用分別為升壓、減壓、切換模塊功能，其中圖3.6所示為按鍵升壓主要代碼；

?圖3.6 ?按鍵按下判斷

對于減壓代碼類似與升壓代碼，需要判斷按鍵的按下與松開情況。具體見圖3.7所示；

?圖3.7 按鍵松開判斷

由于需要進行粗調和細調，便需要設計第三個按鍵來切換模塊，其中為了程序的優化設計為上鎖模式和解鎖模塊來保證程序的良好性，具體見圖3.8所示；

?圖3.8 ?模塊切換按鍵設計

對于ADC采樣，DAC采樣代碼配置好對應的GPIO和功能模塊即可，主要是各函數之間的調用，為了程序的高效性，對采集的數據利用DMA運輸后進行計算，其屏幕、延時函數較獨立。其難點為其按鍵程序的調用，中斷函數的配置和編寫。

為了能夠使得計算出數值和理論值符合，對數據進行多次計算，并且去除最大和最小的后對數據進行求平均值可以使得計算結果更準確，核心見圖3.9所示；

圖3.9 對數據計算

由于ADC采樣的范圍為0-3.3v,對于電路會出現電壓和電流出現較大差別時候，為了安全，需要編寫警示代碼部分，當電壓電流超出預定范圍則報警提醒，若恢復正常，則取消報警，具體見圖3.10所示；

?圖3.10 報警提示

軟件調試過程：

軟件編譯完成后見將設計板和單片機相連，并且進行調試，調試過程筋圖3.11、圖3.12所示；

?圖3.11 單片機編譯

?

圖3.11 ?單片機調試過程?

?實物調試效果見圖3.12，圖3.13，圖3，14所示

? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?圖3.13 設置1V電壓? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?圖3.14 設置2V電壓

?圖3.15 設置5V電壓

4. 實物制作與粗調

4.1 實物制作

將pcb繪制完畢后通過打印和轉印后放入腐蝕液中腐蝕后進行器件的焊接，

? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?? ? ?圖a?腐蝕板背面? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?圖b?打板背面

圖4.1 ?電路板背面示意圖

?

? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 圖c??單層板正視圖? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?圖d??打板正視圖

圖4.2 ?電路正視圖

4.2 PCB電路板粗調

在對電路板焊接過程中，對器件的正負極區分正確后進行焊接，當全部器件焊接完畢后隊電路板進行測試。

首先觀察電路板整體走線是否規劃，是否出現短路現象，觀察電源指示燈的正常亮滅，接入變壓器和負載，利用學生電源代替單片機輸出端口。調整電壓輸入為2V，由于電路特性，輸出端口理論值為10V。調整RP2的阻值（電路圖見圖4.3），不斷測量輸出端口的電壓值直到輸出端口輸出10V則代表RP2調整完畢。 由于需要取樣電流的大小，測量康絲銅電阻倆端電壓和電流取樣端口電壓，不斷調整RP1（電路圖見圖4.4） 直到電流取樣輸出端口電壓測量值為康絲銅電阻倆端電壓的30倍則調整完畢。

? ? ?

? ? ? ? ? ?圖4.3 ?電壓分壓? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 4.4 ?運算放大器調整

4.3 硬件測試問題出現及解決

1.當器件焊接完畢后出現測量U5的6腳與理論值相差較大。

解決辦法：通過計算LM317的基準電壓為1.2V，電流為5mA，則下方的壓降為0.5V，由于二極管的存在有導通電壓所以導致測量值與理論值存在一定的誤差，解決辦法為更換二極管或者調整電阻大小。

2.當系統聯調時，OLED屏幕的電壓顯示值不斷的變化浮動。

解決辦法：通過檢查原理圖和PCB，發現是某一電容出現了反接，導致充放電部分出現錯誤，導致輸出電壓不斷變化，通過調整電容的正負極得到解決。

3. 當出現穩壓芯片引腳與理論值出現較大誤差，未得到濾波效果

解決辦法：在PCB布局時，需要考慮濾波電容的放置，當電源端口需要將電容靠近放置，pcb走線不只是將相同網絡進行連接，還需考慮信號流向問題。

對pcb繪制進行改進。

4.單片機輸出3V電壓時，電路輸出端口電壓無法達到15V的理論值

解決辦法：通過更換性能更好的LM317型號解決了該問題

5.在測量電流相關數據時，無法準確測得電流值

解決辦法：通過測量取樣電阻倆端的電壓值，通過歐姆定律獲得其電流值

5.系統聯調與參數測試

5.1硬件參數測試

5.1.1 電源各端口電阻值:

為了測試電路板的是否工作正常，對電路中各端口進行電阻進行測量并進行記錄，具體見表5.1；

表5.1 ?電源各端口電阻值

測量端口	電壓輸入端口	整流濾波后兩端	電壓輸出端口	+15V對地	+5V對地	-5V對地
理論值	>1MΩ	>10KΩ	≈5KΩ	≈10KΩ	≈4KΩ	>100KΩ
測量值	27.1MΩ	10.61KΩ	5.3KΩ	10.7KΩ	3.658KΩ	13.65MΩ

5.1.2 ?空載0V輸出時電壓測量記錄：

為了測量當接入電源時，電路的工作情況，對電路中芯片端口，電壓端口進行測量并進行記錄，與理論值做對比，具體記錄見表格5.2所示；

表5.2空載0V輸出時電壓測量記錄表

測量點	輸入電壓（交流）	整流濾波后電壓	+15V	+5V	-5V	輸出電壓
理論值	16V左右	21V左右	+15V	+5V	-4到-4.8V	0V
測量值	16.15V	20.95V	+15.24V	+5.08V	-4.62V	0.02V
測量點	U5②腳	U5③腳	U5⑥腳	U6②腳	U6③腳	U6⑥腳
理論值	0	0	-2.4V	0	0	0
測量值	0	0	-3.2V	0	0	0.02V

其中U5的6腳通過計算：由于LM317存在基準電壓和二極管的導通壓降，其電路的理論值的本實驗的理論值存在一定的誤差，是屬于正常范圍的。

5.1.3 空載，0V時候自激測量

為了觀測電路中是否出現自激現象，并測量紋波電壓的峰峰值，對電路中重要端口處進行測量其電壓的測量值來評估電路板的質量，具體測量見表5.3所示：

表5.3空載0V輸出時紋波電壓測量記錄表

測量點	輸出電壓	+15V	+5V	5V	U5⑥腳	U6⑥腳
理論值	小于50mV	小于50mV	小于50mV	小于100mV	小于50mV	小于50mV
測量值	4?mV	???0 mV	0?mV	85 mV	0?mV	1?mV

5.1.4? 10V輸出帶負載電壓測量

當接入電源并且接入負載時，為了得到電路相關數據，對電路中中重要端點進行電壓的測量，并且進行記錄，具體見表5.4所示；

表3.4??10V輸出帶載時電壓測量記錄表

測量點	輸入電壓（交流）	整流濾波后電壓	+15V	+5V	-5V	輸出電壓
理論值	15V左右	19V左右	+15V	+5V	-4到-4.8V	10V
測量值	15.92V	19.13V	15.17V	5.05V	-4.58V	9.98V
測量點	U5②腳	U5③腳	U5⑥腳	U6②腳	U6③腳	U6⑥腳
理論值	2V	2V	7.6V	0.02V	0.02V	0.6V
測量值	2.0V	2.002V	7.57V	0.020V	0.02V	0.058V

5.1.5 帶載時紋波電壓測量

同理為了觀測當接入負載時，電路的工作的特性，對電路進行觀測電路是否存在自激現象，并測量紋波電壓的峰峰值，具體記錄表見表5.5所示：

表5.5帶載時紋波電壓測量記錄表

測量點	輸出電壓	+15V	+5V	-5V	U5⑥腳	U6⑥腳
理論值	小于100mV	小于100mV	小于100mV	小于 100mV	小于100mV	小于 100mV
測量值	7?mV	6?mV	0?mV	??1 mV	2?mV	1?mV

?5.2系統聯調

5.2.1 系統聯調-電壓測量

表5.1 ?系統聯調數據記錄表-電壓測量

設定電壓（V）	0	1	2	5	10	15
顯示電壓（V）	0.02	1.0	2.0	4.99	10.1	15.0
測量電壓（V）	0.02	0.995	1.972	4.91	9.84	14.73
誤差（%）	0	0.5%	1.4%	1.8%	1.6%	1.6%

5.2.2 系統聯調-電流測量

表5.2系統聯調數據記錄表-電流測量

設定電壓（V）	0	1	2	5	10	15
顯示電流（A）	0	0.03	0.05	0.12	0.25	0.37
測量電流（A）	0	0.0198	0.394	0.0978	0.1956	0.294
誤差（%）	0	1%	2.2%	2.2%	2.2%	1.7%

5.2.3 負載調整率

表5.3 ?負載調整率測試數據記錄表（電壓設定10V）

輸出電流（mA）	0		100	200		500	800		1000
顯示電流（mA）	0		90	210		510	830		970
負載電阻	∞		101.2	50.6		20.3	12.5		10.6
輸出電壓（V）	9.65		9.44	9.95		10.14	10.09		9.37
負載調整率		6.3%			輸出電阻			0.63

根據表5.3的測量數據，用坐標紙畫出電壓源的輸出特性曲線

參考文獻

[1]?謝自美.電子線路設計、實驗、測試[M].華中科技大學出社,2000.5 ?

[2]?高吉祥.電子技術基礎實驗與課程設計[M].電子工業出版,2005.8 ?

[3]?劉修文.實用電子電路圖集[M].中國電力出版社,2006.9 ?

[4]?邱關源.電路原理（五版）.北京:高等教育出版社,2006.3

[5]?康華光.電子技術基礎---模擬部分［M］北京：高等教育出版社2000.7 ?

[6]?楊文霞.孫青林 ?數字邏輯電路［M］ 北京：科學出版社，2007.3 ?

[7]?畢滿清.電子技術實驗與課程設計（第三版）

總結

以上是生活随笔為你收集整理的数控直流电压源的设计与制作【keil5 AD20]的全部內容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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