电路基础工程案例

工程案例第六组汪强倪嵩浩杨嘉张鹏程Part1工程题目题目：简易直流稳压电源内阻测量仪来源：2018年大学生电子设计大赛陕西省工科五校联赛时间：48小时Part2任务描述制作一台简易直流稳压电源内阻测量仪，用来自动测量直流稳压电源内阻R0的值，整机采用单电源供电。实际直流稳压电源可以用理想电压源U0和内阻R0串联等效。看似好简单好low，就是做一个简易电阻表？下面我们具体看看Part3基本指标（1）当设定U0=5V、I0=1A时，能够自动测量直流稳压电源内阻R0的值。R0的测量范围为：10mΩ-10Ω。误差小于10%。可以看到所要测量电阻最小达到了10mΩ,所以一般的电阻根本无法达到精度的要求，只能采用高精度电阻！（2）当设定U0=10V、I0=1A时，能够自动测量直流稳压电源内阻R0的值。R0的测量范围为：10mΩ-10Ω。误差小于10%。观察到电压值是原来的两倍，单片机采样的IO口最大电压是3.3V，所以在设计电路的过程中，注意不能够超过单片机最大的电压。实际工程实践又发现一旦电压小于2.3V左右，单片机又无法采样！（3）测量速度大于10次/分钟。大赛TI公司提供的是MSP430G2553的单片机，价格低廉、片内的ADC为8位，根本达不到要求测量精度，所以需要采用外部ADC或者另选单片机。Part4发挥指标（1）当设定U0在3~15V范围变化、I0=1A时，能自动测量直流稳压电源内阻R0的值。R0的测量范围为：10mΩ-10Ω。误差小于10%。电压变化的范围更大了，传统的电桥法等根本无法成功，因为单片机IO口能够采样出电压范围只有2.3~3.3V.（2）当设定U0在3~15V范围变化、I0在0.5A~2A范围变化时，能够自动测量直流稳压电源内阻R0的值。R0的测量范围为：10mΩ-10Ω。误差小于10%。这个指标最难，电流和电压一起在变化，并且在专家测评的过程中要求自主实现电流电压的自动变化所以这个指标西电没有同学做出来。（3）尽可能减少测量连接引线导致的测量误差。最后注意以上所有要求任何过程不能出现人为控制，要求实现全自动测量，也不能设计成多个电路进行测量，要实现一体化。MSP430单片机：作为数字部分的主体，实现ADC采样，计算与电阻值显示继电器：实现不同电路之间的自动切换LM324放大器：实现对小信号的放大高精密电阻：精度能精确到小数点后3位，理论上可以达到精度的要求双缠绕式的电源线缠绕方式：减少相互各个线之间的相互电磁干扰！数据手册MSP430F5529编程源码Part5方案比较-测量方案选择【方案一】采用交流分压法测电阻产生一个小信号正弦波，由驱动电路将信号放大，电阻𝑅１和Ro阻值数量级匹配，交流通路中稳压电源被短路，通过信号分压算得内阻值。这样使得阻值测量误差减小。或使用交流恒流源，直接测量稳压电源的交流分压即可得出结果。缺点是产生的正弦波信号微弱，噪声较大，在产生信号和测量信号时需要多步信号处理，电路相对复杂，步骤较为繁琐。如图1所示。Part5方案比较-测量方案选择【方案二】采用“伏安法”测内阻电路原理图如图2所示，其中ｒ和E分别为直流稳压电源的内阻和电动势。其优点是原理简单，利用分压法测量；但是缺点是电源内阻很小，电压大部分集中到负载𝑅Ｌ，在测量毫欧级电阻时误差较大，需要补偿。由于𝑅𝐿耗散了绝大部分功率，需要使用散热性能好但体积庞大的大功率电阻。考虑到本题要求的高精度10mΩ-10Ω电阻，对精度及信噪比要求较高，综合考虑采用方案二。Part5方案比较-衰减网络选择【方案一】采用运放做衰减电路采用运放的优点是前端后端隔离，噪声相互隔离，对于小信号的传输极为有效。缺点是采用运放，输出信号与原信号反相，如对于单电源电路,电源电压值变为相反数，需要更加复杂的电路进行处理。【方案二】采用电阻做衰减电路电阻分压原理简单，易于操作。缺点是电阻阻值存在漂移，热噪声较大，对前后端影响较大，对电路参数测量有一定的误差影响。结合本题要求，电压需正向衰减，故采用方案二，并用电压跟随器做隔离。Part6整体方案系统主要由五个模块组成：继电器电路、可控衰减网络、可控增益模块、单片机控制电路及显示模块。整个系统由+12V单电源供电。系统总体框图如图所示：Part7理论计算等效电路如下所示：Part7理论计算要求𝑈0在3-15V范围变化，考虑到ADC采样输入电压范围0-2.5V，故需对输入电压进行衰减，采用电阻分压法结合CD4051模拟开关选择电阻档位，以保证输出电流在要求范围内。5V，10V，15V对应衰减系数分别为1/2，1/4，1/6。电阻衰减电路如图所示。Part7理论计算MSP430F552912位ADC采样开路电压𝑈𝑠及R1两端的电压，通过衰减系数𝑘计算出𝑅𝐿两端的电压：𝑈𝑅𝐿=1𝑘𝑈𝑅1再由公式：I=𝑈𝑠𝑅0+𝑅𝐿=𝑈𝑅𝐿𝑅𝐿求出电源内阻𝑅0加入恒流源电路部分后，0RssUIR000UUIR根据公式可以求出U的范围。Part8优化设计①电源去耦。为了防止前后电路网络电流大小变化时，在供电电路中所形成的电流冲动对网络的正常工作产生影响，在电源输入端添加去耦模块。采用0.1uF小电容和10uF电解电容并联的方式。②电路板布局。本题为精密仪器仪表题。本题涉及的电流大，主VCC及GND采用粗导线、双排焊锡的方式进行布局，尽量减少导线长度，减小线路电阻，减小测量误差；此外，采用热熔胶来减小噪声干扰。THANKS