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：2015-12-012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3目录1系统设计...................................................................41.1设计要求...............................................................41.1.1设计任务...........................................................41.1.2、基本要求..........................................................41.1.3、发挥部分..........................................................41.1.4测试要求...........................................................41.1.5系统框图...........................................................41.2方案论证与比较.........................................................51.2.1电压采样模块.......................................................51.2.2稳压模块...........................................................51.2.3过载保护模块.......................................................61.2.4最终方案...........................................................72.单元电路分析...............................................................72.1D/A转换模块..........................................................72.1.1工作原理...........................................................72.1.2参数选择...........................................................82.2电压放大模块...........................................................82.2.1工作原理...........................................................82.2.2参数选择...........................................................82.3稳定电压源及电压采样模块...............................................92.3.1工作原理...........................................................92.3.2参数选择...........................................................92.4过载保护模块..........................................................102.4.1工作原理............................................................102.4.2参数选择............................................................103.软件设计..................................................................113.1实现功能...............................................错误!未定义书签。3.2软件平台及开发工具....................................................113.3软件流程图............................................................114.系统测试..................................................................134.1电路测试步骤：........................................................135.结论.....................................................................146.参考文献.................................................................157.附录....................................................................1541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151.2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。6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。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10KR1410KR1333KR1510KR101/2WR810KR1110KR1210KR910KRW2L100uH100uFC61000uFC12C7104104C13+12A/D121314411IC49108411IC3104C8R16100T1TIP122T39013U5U6U8U10U11U12U13VOUT...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图57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8源。MCP41010的1、2、3脚分别与PIC的三个I/O口相连。当CS=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CS=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2C、瓷片电容1C是为了对+2.5V参考电压进行滤波，故可选取电解电容2C为100µF、瓷片电容1C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92.2.2参数选择（1）电路负反馈放大倍数：95)(13221322