数控直流电源设计

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1、数控直流电源设计报告模拟电路部分第一部分 系统设计1.1 设计题目及要求1) 当输入交流电压为220v10%时，输出电压在3-13v可调；2) 额定电流为0.5A，且纹波不大于10mV；3) 使用按键设定电压，同时具有常用电平快速切换功能（3v、5v、6v、9v、12v），设定后按键可锁定，防止误触；4) 显示设定电压和测量电压，显示精度为0.01v。1.2 总体设计方案1.2.1设计思路 题目要求制作一个简易的可编程直流稳压电源，而我负责的是基础部分，即是电源。而要使得家用交流220v电压变成v、5v、6v、9v、12v的直流电压必然要先经过变压器将电压变小，再经过整流电路、滤波电路和稳压电

2、路才能得到稳定的之路电压。于是基本功能部分全部电路由四部分组成：整流电路、滤波电路、稳压电路、稳压值选择电路、芯片供电电源。1.2.2设计方案及论证比较一、整流电路方案：1. 半波整流电路，用一支二极管就能构成，简单易行。所用元件数量极少，但是它只利用了交流电压的半个周期，所以输出电压低，交流分量大，效率低。因此这种电路只适合用于整流电流较小，对纹波电压（脉动）要求不高的场合。2.全波整流，采用单线桥式整流电路。由四只二极管构成，具有输出电压高、纹波电压小、变压器利用率高等优点。综上所述，虽然单线桥式整流电路所用到的元件较多，但由于元件成本并不高，加之性能大大优于半波整流电路，故选择后者。二、

3、滤波电路方案：1. 电容滤波。在电路中，当有电压加到电容器两端的时候，便对电容器充电，把电能储存在电容器中；当外加电压失去（或降低）之后，电容器将把储存的电能再放出来。充电的时候，电容器两端的电压逐渐升高，直到接近充电电压；放电的时候，电容器两端的电压逐渐降低，直到完全消失。电容器的容量越大，负载电阻值越大，充电和放电所需要的时间越长。这种电容带两端电压不能突变的特性，正好可以用来承担滤波的任务。2.电感滤波。利用电感对交流阻抗大而对直流用抗小的特点，可以用带铁芯的线圈做成滤波器。电磁滤波输出电压较低，相输出电压波动小，随负载变化也很小，适用于负载电流较大的场合。3复式滤波。把电容按在负载并联

4、支路，把电感或电阻接在串联支路，可以组成复式滤波器，又叫型滤波器。由电磁与电容组成的LC滤波器，其滤波效能很高，几乎没有直流电压损失，适用于负载电流较大、要求纹波很小的场合。但是，这种滤波器由于电感体积和重量大（高频时可减小），比较笨重，成本也较高，一般情况下使用得不多。由电阻与电容组成的RC滤波器结构简单，能兼起降压、限流作用，滤波效能也较高，是最后用的一种滤波器。 综合考虑，由于实验室没有提供电感元件，而且电容滤波完全可以得到较好的直流电压，且有电路简单，价格低廉的优势，故应使用电容滤波的方法。三、稳压电路方案1、使用LM78XX系列稳压芯片,即LM7809, LM7812, LM7815

5、构成三路不同的稳压输出,电路简明2、用一个LM317,与四个阻值不同的电阻输出不同的电压.3、用运算放大器,与三个阻值不同的电阻输出不同的电压.第一种方案的优点是各路电压相互独立,输出稳定,纹波较小,缺点是需要三个78XX芯片,成本太高,而第二种方案优点是成本较低,电路简单,缺点是输出受分压电阻的影响,温度变化时导致输出电压有所偏离.第三种方案纹波较大,输出相对不够稳定,输出电流受三极管放大倍数的影响,虽然可以通过达林顿连接增大输出电流,但是这样一来在负载较低时稳压控制难以实现.综上所述,采用方案二为佳.四、稳压值选择电路方案：利用CD4052双四选一模拟开关进行选择。五、芯片供电电源方案：1

6、、电阻分压，用两个电阻分压。2、用7805做开关电源5v辅助电源。方案二做出的稳压效果较好，电路简明，成本低廉，故应用方案二第二部分 单元电路设计2.1 整流电路2.1.1整流电路工作原理及功能说明单相桥式整流电路有四只二极管组成，利用二极管的单向导电性保证在变压器副边电压的整个周期内，负载上的电压和电流始终不变。2.1.2整流电路元件选取与计算 使用全波整流电路二极管选用因为 IN4001耐压50V,电流1A;IN4004耐压400V,电流1A;IN4007耐压1000V,电流1A;应用在电压比较低的电路里可以混用 。而本电路中经过变压器后副变线圈电压约为十八伏特，故三者都可以使用，而考虑到

7、成本问题应首先选用IN4001，应在实际制作中实验室只剩下IN4007，故选用IN4007代替。 工作原理和功能说明2.2 滤波电路2.2.1滤波电路工作原理及功能说明 交流电经过二极管整流之后，方向单一了，但是大小（电流强度）还是处在不断地变化之中。这种脉动直流一般是不能直接用来给无线电装供电的。要把脉动直流变成波形平滑的直流，还需要再做一番“填平取齐”的工作，这便是滤波。换句话说，滤波的任务，就是把整流器输出电压中的波动成分尽可能地减小，改造成接近恒稳的直流电。2.2.2滤波电路元件的选取与计算滤波电容的选择：因为c1满足条件RLC1=T/2.RL约为u/i即是12v/0.5A即24C1=

8、(35)*（2*0.003/2）*（1/24）=12502083uf通过计算结合实际选取合适的参数，得C2200uF。虽然2200uF得电容价格较高，但能够获得较好的滤波效果，加之实验室也能够提供，故选用之。而对于5v供电电源因其对纹波电压要求不高，故选用更经济的1000uf电容。2.3 稳压电路2.3.1稳压电路及其工作原理或功能说明利用lm317产生稳定的电压，根据串联电阻分压原理，得Uo=（1+R1/R2）*U，可得到稳定的输出电压，为了减少电阻上的纹波电路要串联上一个电容c2。但是，在输出开路时，电容c2将向稳压器调整端放电，并使调整管发射结反偏，为了保护稳压器，可加二极管D，提供一个

9、放电回路。C3容量较大时，一旦输入端断开，就将从稳压器的输出端向稳压管放电，易使稳压器损坏。因此要跨接一个二极管，起保护作用。2.3.2 稳压电路元件的选取与计算1.二极管的选择：保护二极管D5、D6：最大电压不会超过50v，故，用In4001.2.R0的选择：由lm317组成的基准电压源电路，输出端和合调整端之间的电压时是稳定的1.25v，而输出电流较大。R0为泄放电阻，由lm317的最小负载电流（取5mA）可得：Rmax=（1.25/0.005）欧=250欧，实际取值应略小，故取240欧。3.c2与c3的选择：电容C2的作用是减小纹波C3的作用是当输出短路时立即放电,而同时C2通过二极管D

10、2放电至0,防止ADJ端子残留正电压.根据成本和效果考虑，c2和c3都应用10uf的电容。4. 根据LM317的器件特性,R0的电流可取5mv根据Uo=由以上公式,各输出电压对应的Rx阻值如下:Uo=3V, R2=374;Uo=5V, R3=920;Uo=6V, R4=1260;Uo=9V, R4=2710;Uo=12V, R5=5510;2.3.3 器件说明LM117/LM317 的输出电压范围是1.2V至37V，负载电流最大为1.5A。它的使用非常简单，仅需两个外接电阻来设置输出电压。此外它的线性调整率和负载调整率也比标准的固定稳压器好。LM117/LM317 内置有过载保护、安全区保护等

11、多种保护电路。调整端使用滤波电容能得到比标准三端稳压器高的多的纹波抑制比。可调整输出电压低到1.2V。保证1.5A 输出电流。典型线性调整率0.01%。典型负载调整率0.1%。80dB 纹波抑制比。输出短路保护。过流、过热保护。调整管安全工作区保护。标准三端晶体管封装。 2.4 程序控制稳压值选择电路2.4.1 稳压值选择电路的工作原理和功能说明 原理图 说明：在调整端加控制电路就可以实现程序控制稳压电路，如图所示，图中晶体管伟电子开关，当基极加高电平是，晶体管饱和导通，相当于开关闭合；当基极加低电平是，晶体管截止，相当予开关断开。2.5 稳压5v直流电源2.5.1工作原理用7805做一个稳压

12、5v直流电源，原理与上面个部分相同。2.5.2模块电路及参数计算Ci用于抵消输入线较长的时的电感效应，以防止电路产生自激振荡，其容量较小，一般小于1uf，故可选用0.33uf。而Co用于消除输出电压中的高频噪音，为使其输出较大的脉冲电流应取较小的电容故Co取1uf3.5.3器件说明7805为三端正稳压器电路,TO-220F封装，能提供多种固定的输出电压，应用范围广。内含过流、过热和过载保护电路。带散热片时，输出电流可达1A。虽然是固定稳压电路，但使用外接元件，可获得不同的电压和电流。主要特点输出电流可达1AVI输入电压(VO=518V) 35V(VO=24V) 40V数字控制部分整体构思：由于

13、我们有AVR的开发板，所以，我们选择了ATMEL公司的ATMEGA 16L作为数字控制部分的核心部件。根据题目要求，我们需要用AVR单片机实现按键设置的 3V 5V 6V 9V 12V电压，而在模拟电路部分我们使用了三极管作为电阻导通的器件。所以要用到单片机的I/O输出高电平，同时要实现按键选择功能，也要使用一个I/O口。数显部分我们使用了1602液晶显示屏，A/D电压采集我也将使用ATMEGA 16L的PA7口作为A/D输入口。所以数字部分的整体构架就如上所述。模块一：按键控制电压选择与数字显示1.扫描键盘这次我们用到的单片机的键盘接法如下：针对此接法编写的子程序如下：/ 扫描键盘函数cha

14、r key=0; / 全局变量key，保存键值，无按键为0，方便不同函数进行访问 char lock=0; / 全局变量lock，保存键值，无按键为0，方便不同函数进行访问 void get_key() key_PORT=0x0f; / 高四位输出低电平，低四位为带上拉输入 key_DDR=0xf0; / 高四位为输出，低四位为输入，重要！增强拉电流能力 if( !key & key_PIN!=0x0f )/ 如果 key=0，即按键已经响应，判断是否有键按下 delay_ms(10); / 延时后再次判断，消除按键抖动的影响 if(key_PIN!=0x0f) / 确实有键按下 switch

15、 (key_PIN) case 0x0e: key=2;break; case 0x0d: key=3;break; case 0x0b: key=5;break; case 0x07: key=6;break; key_PORT=0x30; / 令低三位输出低电平 4、5位为带上拉输入 高三位仍保持输出低电平 key_DDR=0xcf; / 令低三位为输出 4、5位为输入 高三位为输出 asm(nop); / 延时一个机器周期，重要！这个时间为key_PIN 的建立时间，如省略，程序出错！ switch (key_PIN) case 0x20: key+=0;break; /第一位被拉低 c

16、ase 0x10: key=1.5*key+4.5;break; /第二位被拉低 default: key=0; / 该情况属于偶然错误，返回0 while(key_PIN!=0x30); / 等待松开按键时才退出，这里根据要求适当选择，也可以在此进行长按判断 这次的键盘控制一共用到了7个按键（图中的S6不用），其中S2、S3、S4、S7、S8、S9分别控制六种电压（第六种电压是用活动变阻器调节的3-13V连续可变电压），S1键是锁定键，当按下时，保持当前电压，按其它按键不改变电压值，再按一次则解锁，解锁之后电压会自动清零，这时就可以再设置电压了。锁定按键的方法是设置全局变量lock，当loc

17、k=0时不锁定，当lock=lock，即lock=255时进行锁定，具体的锁定程序是在主函数中体现出来的，具体如下：（假设show函数为1602的显示函数）void main() unsigned char i=0; System_Init(); / 系统初始化函数 while(1) get_key(); if(key) if(key=2) lock=lock; while(lock=255) show(j); /加电压控制于此 key=0; get_key(); if(key=2) lock=0; key=0; else if(lock=0) i=key_PIN; while(key_PIN

18、=i) show(key); /加电压控制于此 j=key; key=0; i=0; key=0;2.数字显示1602的显示程序如下： V=get_ad_data(7); V=V*4.59; / 校正系数 data0=V/10000+0X30; /data用于储存测量获得的电压值 data1=V/1000%10+0X30; data2=V/100%10+0X30; data3=V/10%10+0X30; key0=n/10+0x30;/key用于储存设定的电压值 key1=n/10%10+0x30; delay(15); write_com(0X38); delay(5); write_com

19、(0X38); delay(5); write_com(0X02); delay(5); write_com(0X0C); delay(5); write_com(0X06); delay(5); write_com(0X80+0X00); delay(5); for(j=0;j10;j+) write_dat(table1j); delay(5); write_com(0X80+0X40); delay(5); for(i=0;i2;i+) write_dat(datai); delay(1); write_dat(table10); delay(1); for(i=2;i4;i+) wri

20、te_dat(datai); delay(1); write_com(OX80+0x47); delay(5); for(i=0;i2;i+) write_dat(keyi); delay(1); / 显示设定、测量电压 模块二：A/D电压采样与数字显示A/D电压采样的程序如下：void ADC_Init() ADMUX =0x40; / AVCC参考、右对齐、ADC0通道 ADCSRA=0xC6; / 使能ADC、单次模式、启动第一次、12MHz内部时钟64分频 while(ADCSRA & (1ADSC); / 等待采样结束，第一次转换uint get_ad_data(unsigned c

21、har AD_CH) uchar i; uint temp32,value=0; ADMUX=(0xC0|AD_CH); / 配置通道for(i=0;i32;i+)ADCSRA|=1ADSC; / 启动一次转换while(ADCSRA & (1ADSC); / 等待采样结束tempi=(ADCH8)|ADCL;value+=tempi;value=value/32;return( (ADCH8)|ADCL ); / 返回转换结果ADC_Init函数是对AD转换的初始化，其实就是配置两个寄存器的值，这2 个寄存器为： ADMUX：ADC 多工选择寄存器，负载配置参考电压和选择通道 ADCSRA：

22、ADC 控制和状态寄存器，启动ADC、配置ADC参数等 ADMUX 的配置比较简单，8 个数据位定义如下： 首2位决定参考电压源：ADLAR 影响ADC 转换结果在ADC 数据寄存器中的存放形式。ADLAR 置位时转换结 果为左对齐，否则为右对齐，左右对齐不影响精度，自行选择。 最后5 位为通道选择，MUX4 和MUX3 涉及差分通道和增益配置。仔细观察，ADC0 对应MUX4.0 的值为0，ADC1 对应MUX4.0的值为1，因此程序上利用该规律可以方便改变通道。初始化的ADMUX =0x40; 就是使用AVCC参考、右对齐、ADC0通道然后ADMUX=(0xC0|AD_CH);则是把ADM

23、UX的后5位置成00111，也就是选择通道7，用PA7口作为A/D输入口。ADCSRA各位的含义如下：Bit 7 ADEN: ADC 使能ADEN置位即启动ADC，否则ADC功能关闭。在转换过程中关闭ADC将立即中止正在进行 的转换。这里ADEN=1；Bit 6 ADSC: ADC 开始转换在单次转换模式下，ADSC 置位将启动一次ADC 转换。在连续转换模式下，ADSC 置位将启动首次转换。第一次转换( 在ADC 启动之后置位ADSC，或者在使能ADC 的同时置ADSC) 需要25 个ADC 时钟周期，而不是正常情况下的13 个。第一次转换执行ADC初始化的工作。在转换进行过程中读取ADSC

24、 的返回值为1”，直到转换结束。ADSC 清零不产生任何动作。这一位是转换标志位，通过置位来启动，并判断是否转换结束。Bit 5 ADATE: ADC 自动触发使能 ADATE置位将启动ADC 自动触发功能。触发信号的上跳沿启动ADC转换。触发信号源通过 SFIOR 寄存器的ADC 触发信号源选择位ADTS 设置。这里单次转换，不需要自动触发，置0。Bit 4 ADIF: ADC 中断标志 在ADC 转换结束，且数据寄存器被更新后， ADIF 置位。如果ADIE 及SREG 中的全局中断使能位I 也置位，ADC 转换结束中断服务程序即得以执行，同时ADIF 硬件清零。此外，还可以通过向此标志写

25、1 来清ADIF 。要注意的是，如果对ADCSRA 进行读修改写操作，那么待处理的中断会被禁止。这也适用于SBI 及CBI 指令。本实验不需中断，置0。Bit 3 ADIE: ADC 中断使能若ADIE 及SREG 的位I 置位， ADC 转换结束中断即被使能。这里不需中断，置0。Bits 2:0 ADPS2:0: ADC 预分频器选择位由这几位来确定XTAL 与ADC 输入时钟之间的分频因子，决定ADC转换速度。转换速度为ADC时钟/13，对于15ksps的转换速度，需要195kHz的时钟源，本实验晶振为12MHz，进行64 分频恰好。即ADPS2.0：110。程序中ADCSRA=0xC6; 即是：使能ADC、单次模式、启动第一次、12MHz内部时钟64分频关于获得电压值后如何在1602上显示出来，方法同一中提到的显示设定值，这里不再赘述。电路测试部分理想电压3V5V6V9V12V实测电压2.75V4.78V5.69V7.78V12.23V显示电压2.7V4.7V5.6V7.7V12.2V纹波4mV负载电流0.43A误差原因：三极管与电阻串联后有一定的电阻，使得并联后总电阻下降。电阻有误差。