数控直流电源.docx
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数控直流电源
多功能数控直流电源设计报告
摘要：
本数显式移相信号发生器可以测量移相网络输入和输出信号的相位差及输入信号的频率，进行数字式显示，并且测量显示值的误差均在设计要求的范围内。
硬件部分主要包括移相网络、整形电路、单片机系统以及动态数字显示电路。
单片机实现程序采用c语言编写，主要包括主程序、初始化程序和中断程序。
另外，本系统除了一个四运放的比较器，几乎无另增器件，实现成本很低。
关键词：
移相网络、单片机、数字显示
Abstract：
Thedigitalphaseshiftingnetworkgeneratorcanmeasurethephaseshiftofthephasedifferencebetweentheinputandoutputofthesignalsandthefrequencyofinputsignal,digitallydisplayed.Besides,theerrorofthemeasuredvaluedisplaywithinthescopeofthedesign.Hardwarepartsincludesphaseshiftingnetwork,shapingcircuit,microcontrollersystemsanddynamicdigitaldisplaycircuit.MCUprogramusingClanguage,includingthemainprogram,initializationprogramandinterruptroutines.Inaddition,thesystem,exceptforacomparator,almostusesnootheradditionaldevicestoachievethelowestcost.
Keywords：
Phaseshiftingnetwork,microcontroller,digitaldisplay
1.设计任务与要求5
1.1设计任务5
1.2设计要求5
1.2.1基本要求5
1.2.2扩展要求5
2.方案论证6
2.1总体方案设计6
2.2关键电路设计6
2.2.1整形电路选择6
2.2.2相位与频率测量7
3.单元电路设计8
3.1系统整体硬件原理图8
3.2移相电路9
3.2.1移相电路设计9
3.2.2移相电路仿真10
3.3整形电路10
3.3.1整形电路的设计10
3.3.2整形电路的仿真11
3.4主控电路12
3.4.1主控电路设计12
3.5显示电路13
3.5.1显示电路设计13
3.5.2显示电路仿真14
4.软件设计15
4.1主程序（初始化程序）15
4.1.1主程序16
4.1.2初始化程序16
4.2外部中断0程序17
4.3外部中断1程序18
4.4定时器1中断程序18
5.系统测试20
5.1测试条件20
5.1.1测试仪器20
5.1.2测试条件20
5.2测试方法与步骤20
5.3测试数据与结果分析20
5.3.1相位测量21
5.3.2频率测量21
6.结论21
参考文献21
附录22
附录1元器件清单22
附录2硬件电路图22
附录3使用说明23
1.设计任务与要求
1.1设计任务
设计一个有一定输出电压、输出电流范围的多功能数控电源。
1.2设计要求
1.2.1基本要求
（1）稳压源输出时，给定输出电压范围0~9.9V，步进0.1V；输出电压静态误差≤1%FS，纹波峰-峰值不大于20mV；允许负载电流变化范围0~99mA；
（2）稳流源输出时，给定输出电流范围0~99mA，步进1mA；输出电流静态误差≤2%FS，允许负载电流变化范围0~9.9V
（3）有过流保护功能，当电流达到105mA±2mA时产生保护动作；
（4）用十进制数码显示输出电压、电流值；显示效果清晰、稳定、无闪烁；
（5）可由“+”、“-”两键分别控制输出电压、电流的步进增减，也可由键盘直接输入给定值；要求输出控制尽可能简便；
（6）输出电压或电流可预置在给定范围内的任意一个值，在下一次上电时无需操作即可按设定模式和设定参数输出。
1.2.2扩展要求
（1）可用电位器分别调节输出电压和电流值，调节范围符合上述输出给定范围。
（2）负载改变时，输出电压、电流需要同时满足不超过电位器的设定值的要求，并能实现稳压源模式与稳流源模式的自动切换。
（3）有信号源输出功能，信号输出种类由方波、三角波、锯齿波、正弦波等，每周波不少于32点；频率范围：
10~10KHz，步进10Hz，频率误差≤10Hz；幅度（峰-峰值）可调范围：
0~9.9V，步进0.1V；
（4）有通讯功能，可用上位机（例如计算机等）控制输出电压和电流值，并能从数控直流电源获取电压或电流数据；
（5）其他；
2方案论证
2.1总体方案设计
根据设计要求，系统可由数控模块、按键模块、信号放大和功率放大模块、信号采样模块、过流过压保护模块、显示模块、信号输出模块等构成，系统框图如图2.1所示：
其中，按键模块和显示模块构成人机交互模块，操作人员可以通过按键和液晶屏显示对各个功能的实现和参数的设定进行操作，数控模块向硬件系统发出信号，通过信号放大和功率放大得到满足要求的直流电压或电流，采样模块和过流保护模块的反馈作用可以使系统更加稳定，保证系统运行的安全。
数控模块还可以通过DAC输出波形信号，经过波形输出模块的放大，得到满足幅度要求、频率要求的正弦波、三角波或方波。
系统由+12V，-12V，+5V电源供电，保证系统的功率部分和数控部分的正常稳定工作。
图2.1系统构成图
2.2关键电路设计
2.2.1数控模块
（1）方案一：
51系列单片机控制系统
51系列单片机，由于硬件结构合理，指令系统规范，价格低廉等原因，得到了广泛的应用。
但是51系列单片机运行速度慢，当晶振频率为12MHz时，机器周期已达us级，这对某些指令的执行是不能容忍的。
而且功能相对较少，许多功能通过拓展才能实现，这不仅占用了许多资源，更使编程复杂化，困难化。
因此，本系统采用STM32系列微控制器及其主控板实现数控功能模块的功能。
（2）方案二：
STM32系列微控制器
·本设计使用意法半导体公司生产的STM32F103VC型号的单片机，相比于51系列单片机，STM32F103VC有以下的优势：
①具有更快的时钟速度，保证系统响应特性和控制精度。
②内部集成了12位的AD装换器，不必自己扩展AD模块，12位的AD转换器保了控制精度。
③内部集成了12位的DA装换器，不必自己扩展DA模块，同时12位的DA转换器保证了系统的控制精度，稳定精确的输出波形。
④内部集成了I2C总线模块，不必自己扩展I2C模块，可以便捷的扩招EEPROM，保证系统在下次上电时，按设定值输出。
⑤内部集成了串口通讯模块，可实现上位机功能，通过计算机给系统发送指令。
⑥内部集成了SPI总线模块，可以便捷的控制液晶显示模块，实现很好的人机交互功能。
⑦内部集成DMA，可以在波形的输出和采样过程中，减少对CPU的占用率，更大的发挥出控制的性能。
2.2.2电压信号功率放大
由于D/A转换输出的模拟电压信号一般只有几个毫安电流驱动能力，因此必须通过输出电路中的功率放大部分将电流驱动能力提高到500mA以上；
（1）方案一：
采用分立元件
此方案采用分立元件构成功率放大电路。
随着集成技术的发展，构成功率放大器的单元电路已经很少全部采用分立元件了，该方案首先排除。
（2）方案二：
采用运放加功率器件；
此方案在电压放大级采用集成运放，功率放大级采用分立元件进行功率扩展，原理如图2.2所示；通过改变集成运放的外接电阻R1、R2，可以方便地改变输出电压的调整范围；通过改变功放级分立元件的输出功率，也可以方便地改变系统输出的电流驱动能力。
因此，此方案比较实用、灵活。
图2.2电压输出方案二原理图图2.3电压输出方案四原理图
（3）方案三：
采用集成功率放大器
集成功率放大器将运算放大器的输出级改为复合管形式，以增大输出电流；采用集成功率放大器可以简化外围电路、改善性能、提高可靠性，同时也可减少驱动电路的设计工作量；但是，集成功率放大器的价格也比普通运算放大器要高许多，且最大输出电流或功率为固定值，不如分立元件调整起来方便。
（4）方案四：
采用集成稳压器件
此方案采用集成稳压器，如图2.3所示；集成稳压器7805的输出端与基准点之间的电压固定为+5V。
因此，只要通过外接电路改变基准点的电压值，就可以使其输出电压也跟随发生改变；这种可调稳压输出电路具有良好的负载特性，输出最大负载电流达1.5A，且内部还集成了过流保护和过热保护等电路，具有较高性能/价格比。
根据以上各方案的优缺点比较，最终确定使用方案二。
2.2.3电流信号功率放大
（1）方案一：
采用电压/电流转换器
如图所示是一种适用于接地负载的转换器，根据运放线性放大区时“虚短”“虚断”工作条件可得，输出电流的表达式为：
由上式可知，负载电流由信号源vi2提供，故要求输入的电压信号vi2要有一定的电流驱动能力，即数控系统输出的电压信号要先经过功率放大环节再输入到次转换器实现电流功率的放大，但此方案不可与电压信号的功率放大电路共用，增加了硬件的开销，故不采用次方案。
图2.3电流输出方案一原理图图2.4电流输出方案一原理图
（2）方案二：
此方案的电路原理图如图2.4所示，根据运放的工作条件，可推得负载RL的电流：
由上式可知，负载上的电流主要取决于采样电阻Rs两端的电压，但运放U2需要进行功率放大，与其他方案相比，该电路控制电流的精度较高，但同时也需要较多的运放和阻容器件，硬件开销较大。
故不采用此方案。
（3）方案三：
此方案的电路原理图如图2.5所示，同样根据运放的工作条件，可推得负载电流为恒定：
图2.5电流输出方案三原理图图2.6电流输出方案四原理图
与方案二相同，该方案输出电流主要取决于采样电阻Rs上的电压，同样需要对运放U5进行功率放大，才能输出理想电流。
该方案所用运放和阻容器件较少，硬件成本较低，但本系统还需对输出电流进行采样并放大，以采取电流保护措施，故方案三与方案四相比，硬件开销依然很大。
综合以上，本系统设计采用方案四对电流进行放大。
（4）方案四：
此方案的原理图如图2.6所示，对采样电阻的电压进行差分放大再送回运放反向输入端，使得输出电流最后趋于稳定。
此方案硬件开销小，并且与过流保护相结合，实现了多种功能，本设计采用方案四对电流进行功率放大输出。
2.2.4过流保护
（1）方案一：
利用三极管的导通特性
此方案是利用硬件对输出进行过流保护，原理图如图2.7所示，利用三极管发射结导通时vBE≈0.7V的特性，当采样电阻R上因负载电流增加而使压降大于0.7V时使三极管T1、T2均导通，产生过流保护信号；此信号可直接接输出至驱动管，限制输出电流的继续增加，也可以送入数控部分，经处理后切断输出电压信号。
硬件电流保护可靠性较高，但对器件精度的要求较高，如本方案中，T1管的开通压降Veb要严格等于0.7V，否则过流保护动作时，采样电阻两端压差会发生偏差，从而过流保护不能达到较好的效果。
对电阻阻值的选取同样非常苛刻，根据计算得到的阻值不一定为常用电阻，很有可能需要定制。
另外，硬件过流保护动作值是在设计中确定的，在使用中不能根据负载的变化进行更改，使应用范围受限。
图2.7过流保护方案一原理图图2.8过流保护方案二原理图
（2）方案二：
利用电压比较器
此方案仍是硬件过流保护，利用电压比较器，当采样电阻压降达到某个设定值时比较器输出信号发生翻转，起到过流保护的作用；如图所示，当电压比较器同相输入端电压比vO高出VZ（即R上的压降vR≥VZ）时，电压比较器输出信号发生翻转；该信号经处理后可直接控制输出电路的输出，也可送到数控部分，由数控部分切断整个电路的输出，实现保护功能。
与方案一相似，对硬件器件的要求较高，而且不能进行在线修改。
因此，本系统采用方案三所采用的软件保护。
（3）方案三：
用A/D转换器
此方案先将采样电阻两端压差用差分放大电路处理后送A/D转换器，转换的结果送入单片机系统，由单片机系统通过软件判断输出回路的负载电流情况；当负载电流大于设定值时，由软件控制D/A转换器，切断整个电路的输出。
这个方案的优点是过流点的设置可由软件完成，调整比较灵活；而且在前面所述的电流功率放大电路就采用了差分放大电路，因此提高了硬件的利用率，而STM32F103VC内部集成了丰富的ADC通道，很容易实现软件的过流保护。
图2.10过流保护方案三原理图
2.2.5稳压源与稳流源自动切换
（1）方案一：
利用继电器切换电路
利用继电器切换电路的工作状态，原理如图2.11所示，当系统工作在稳压源或稳流源模式下，数控模块接收到电压和电流采样值，当电压或电流达到幅值时，通过控制继电器触点的通断对工作模式进行切换。
采用继电器切换的方案，实现了自动切换的基本要求，避免了手动切换的不便，但同时继电器的动作时间为毫秒级，对于电路来说仍较长。
在切换的时间内，电路的状态不受控制，电路中集成运放容易出现饱和或短时间内的震荡，过冲等。
图2.11过流保护方案一原理图图2.12过流保护方案二原理图
（2）方案二：
利用二极管切换电路
利用二极管的单向导电性切换工作电路的原理图如图2.12所示，将电路的电压输出和电流输出通过方向串联二极管，接上拉电阻，汇于一点输出电压或电流。
这样可以将电路的
输出电压，钳位在低的电位上，电路自动在电压闭环和电流闭环间切换。
采用这种方案，利用了电特性实现了电压电流源的自动切换，切换速度明显优于方案一，同时输出模块可以共用同一输出电路，节省了元器件，有助于电路的成本降低和稳定性的提高。
同时电路的动态性能会明显好于前一种方案。
因此本系统采用方案三实现电流源和电压源的自动切换。
2.2.6波形输出
（1）方案一：
硬件电路产生波形
利用硬件电路产生波形的原理图如图2.13所示。
为了得到比较精准的正弦波、三角波和方波，首先通过硬件电路产生波形，其中积分器产生三角波，比较器产生方波，而三角波经过正弦波发生器得到较好的正弦波形。
由硬件产生的波形通过ADC转换送到单片机内，根据操作人员的需要，对三路信号的幅度和频率进行改变，选择一种波形通过DAC通道转换后，再经放大电路进行发达得到所需波形。
此方案的优点是，波形较为精准，当然缺点也很明显：
硬件电路太过复杂，开销大。
因此，此系统采用软件查询的方式产生波形。
图2.13波形产生方案方案一原理图图2.14波形产生方案方案二原理图
（2）方案二：
软件实现波形输出
利用软件直接产生波形的原理图如图2.14所示。
此方案是通过软件编程的方式，首先将信号的波形数据存入程序中，以不同频率输出数据表对应的电压值，即可得到相关波形，经过硬件电路的信号放大，等到满足电压幅值要求和频率要求的波形。
这种方案的优点是硬件电路简单，调节方便。
因此本系统采用方案二是实现波形的输出。
3单元电路设计
3.1稳压输出
3.1.1信号放大电路设计
信号放大电路为一同相比列放大器，原理图如图3.1所示。
由单片机DAC输出的电压给定值从运放OP-07的同相端输入，电压采样信号从反向端输入，构成电压负反馈电路，使电压采样值逐渐趋于电压给定值。
NE5532起阻抗变换的作用，是与稳流输出电路公用的。
设计要求负载输出电压值为0~9.9V，而当单片机DAC输出电压值为0~2V时，可知采样电阻比值为
取R13的阻值为100K，R14的阻值为（范围是0~50K的电位器）。
同时为了可以将电压采样信号安全地、不超过ADC电压最大值地传送回给单片机，以实现电压监控，令R13为固定电阻，而R14为可调阻值的电位器。
R10，C2对相位进行补偿，避免自激振荡。
图3.1稳压输出原理图
3.1.2功率放大电路
由于运放电流放大能力非常有限，要达到100mA的电流输出，必须经过功率放大级。
功率放大的原理图如图3.2所示。
此次电路设计利用三极管实现功率推挽放大。
由于负反馈接于功率放大的输出端和运放的输入端，推挽电路并不要求对称设计。
考虑电路工作的极限情况，即短路输出100mA电流时，上管上的耗散功率将达到1W，这是一般三级管所无法承受的，所以上管采用达林顿结构的TIP122，极大地增强了电路的电流输出能力。
2个1N4148二极管用来补偿达林顿管的压降，使得在12V工作电压下能输出10V以上的电压值。
由于下管不流过功率，所以只使用一个普通的PNP三极管。
由于考虑到极端情况该三极管的耐压，此处我们选择了耐压为25V的8055三极管，以保证电路稳定可靠。
理论上，只用一个TIP122即可实现电路的输出功能，但下管提供了电流回流通路，增强了电路的稳定性。
R1和R14为电路提供一个合适的静态工作点，即提供三极管微导通所需要的基极电流，选择电阻值为1K。
图3.2功率放大级原理图
3.1.3过流保护
在稳压源输出模式下，负载电流极容易产生很大值，对负载及电路产生较大的危害，为此要进行过流保护，当电流超过设定值时，便进行过流保护。
本系统采用软件保护方式，硬件电流采样的原理图如图3.3所示。
图3.3稳压源模式下的过流保护原理图
在输出回路串入一个电流采样电阻，其两点电压差经过差分放大电路输入的单片的ADC通道，为了降低漏电流产生的误差，电流采样电阻R3尽量取小，为方便计算取为1Ω。
差分放大电路性质满足：
，当
，
根据设计要求，负载输出电流约为0~100mA，即
的范围约为0~0.1V，而单片机ADC设定电压范围可为0~2V，故确定
取R7为200K，R5为10K，一方面可以满足设计需求，另一方面可以尽量减少漏电流的产生。
输出电压Vo经过ADC转换，若大于单片机内部设定值，则可以将输出电压给定置为零，从而达到过流保护的效果。
3.2稳流输出
3.2.1信号放大电路设计
信号放大电路原理图如图3.4所示，通过电流串联负反馈实现。
运放OP-07同相端输入单片机给定值，对负载电流进行采样输入运放的反相端，经过电流负反馈，使得反相输入端电压逐渐接近同相输入端电压。
图3.4稳流输出信号放大原理图
电流采样所用的差分放大电路器件选取已在3.1.3中有详述，当单片机电流给定信号在0~2V之间变化时，由放大倍数可知，采样电阻R3两端压差变化为0~0.1V，,又采样电阻阻值为1Ω，所以负载电流变化范围为0~100mA满足要求。
NE5532构成电压跟随器，对阻抗进行变换。
R9、C1对相位进行补偿，避免自激振荡。
3.2.2功率放大电路设计
由于运放有限的电流放大能力，虽然理论上经过信号放大电路，输出电流可以达到100mA，但实际输出远远不及100mA，因此要采用功率放大对电流进一步放大。
稳流模式下的功率放大电路与稳压模式下的功率放大电路的原理图完全相同，器件参数与运行条件也完全相同，这里不再赘述。
3.2.3稳流模式下的过压保护
在稳流模式下，负载容易受到较大的电压，对负载和电路产生不利影响。
故采用过压保护电路对电压进行检测。
与过流保护相同，过压保护也采用软件保护，对负载电压进行采样，通过ADC输入到单片机，对设定值进行对比，若大于设定值，则使电流给定值置为零，以达到过压保护的效果。
过压保护电路原理图为图3.5，电压采样的范围为0~2V，器件选取原理与3.1.1中相同，也不再赘述。
图3.5温流输出模式下过压保护原理图
3.3稳压与稳流的自动切换电路
该系统设计中采用硬件电路实现电压源和电流源的自动切换。
电路原理图如图3.6所示。
电路的切换功能由D1和D2管实现。
在刚上电时，电压和电流的实际输出都小于给定，运放两端均输出正饱和电压，VCC通过R11使得电路输出迅速增加，电压、电流中有一个首先达到给定值，运放输出减小，由于二极管的钳位作用，该路运放接管了负反馈回路，电路输出将会稳定在这个状态，另一路由于输出小于给定，依然是正饱和输出，不会对反馈回路产生影响。
该电路的实质是哪一路的反馈等于给定，哪一路就接管负反馈回路，此时，另一路总处于饱和输出状态，在小负载时是电流源输出，大负载时是电压源输出。
这样，便可实现电压电流源的自动切换。
图3.6稳压模式与稳流模式自动切换原理图
3.4波形输出电路
三种波形的产生由STM32单片机实现（在软件设计部分阐释），硬件部分主要实现波形放大和偏置调整功能，使得波形能够达到10V峰峰值输出，以及偏置正负可调，完整电路如图3.7所示：
图3.7波形输出电路原理图
波形信号由STM32单片机提供，波形信号和电压给定共用一路DAC，U5以及电阻构成同相比例放大电路，单片机输出最大电压为2V，所以放大倍数为
选取R15为50K，R16为10K。
即可满足要求，也可以减少误差。
通过调节电位器可以实现波形的上下平移，以满足不同用户的需求。
3.5电位器给定
基准源电路为电压电流源提供外部给定值，因此要求其电压值相当稳定。
在此电路设计时利用LM336设计2.5V基准源，其典型工作电流为1mA，故串联电阻值为10K。
再通过电位器分压提供给电压电流源的给定输入。
图3.8电位器给定电路原理图
3.6抗干扰设计
为了增强电路的抗干扰能力，在电源输入端加入47uf的滤波电容和0.1uf的去耦电容，在每一个运放的正负电源和地之间并上0.1uf的去耦电容。
4软件设计
4.1主程序（初始化程序）
移相网络的输入输出信号经过过零比较器的整形后，作为外部中断0和外部中断1输入到单片机中。
假设Vo滞后于Vi（Vo超前Vi情况类似），图18所示的为Vi与Vo的输入时序图，测量Vi的频率时，通过记录外部中断1两次下降沿之间的时间，求倒数求得频率；测量Vi与VoTTL方波相位差时，通过外部中断0第一次响应和外部中断1第一次响应之间的时间差，换算出相位差。
为了减少在移相角为0附近的测量误差，我们对Vo进行反向的处理，拉长需要测量的时间。
此时，相位差等于测量值减去半周期长。
整个程序的流程图可参照图6所示。
图18Vo滞后于Vi的处理时序图
4.1.1主程序
本系统的主程序主要实现两个内容，一是初始化子函数的调用，二是无限循环等待中断响应。
程序如下：
voidmain（）
{
Init（）;//初始化
while
（1）//主循环
{}
}
4.1.2初始化程序
初始化程序主要完成对各个变量的赋值，对外部中断0和1及定时器0和1的设置与开关，程序如下，流程如图19：
voidInit（void）
{
ENA=1;//低电平使能，初始化三个都不使能
ENB=1;
ENC=1;
TempData[0]=0xc0;//初值显示"0"图17初始化程序流程图
TempData[1]=0xc0;
TempData[2]=0xc0;
flag=0;//flag=0表示这是第一次捕捉到Vi的下降沿图19初始化程序流程图
t=0;
f_vi=1000
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