電子設計大賽

數(shù)控直流恒流電源(E)、任務設計并制作一個數(shù)控直流恒流電源，其原理示意圖如下圖所示。二、要求1.基本要求24VDC供電(可以使用成品穩(wěn)壓電源或者自制)，輸出電流范圍：0mA?1000mA；帶負載能力：＞10。(在負載電阻5。時，效率＞70%)；具有"+”、“-”步進調整按鍵，能夠調整輸出電流，設置范圍0mA?1000mA，其步進值為10mA；能夠數(shù)字顯示輸出電流給定值和實際輸出電流值，要求實際輸出電流與顯示的電流值之差的差值小于5mA；改變負載電阻大小(10。?15。之間可調節(jié))，要求輸出電流穩(wěn)態(tài)誤差值小于5mA。2.發(fā)揮部分輸出電流范圍擴展為0mA?2000mA，步進為1mA；（2）具有供電電源電壓值、電流值、輸出電流值、負載兩端電壓值顯示功能（要求實際輸出電流與顯示電流值的差值小于1個讀數(shù)值）；（3）改變負載電阻（10Q?5Q之間可調節(jié)）時，實際輸出電流值與給定電流值間的差值小于1mA；（4）改變輸入電源電壓（增加或減少20%），直流數(shù)控恒流源輸出變化應小于2%；（5）進一步提高數(shù)控直流恒流源效率使其達到85%以上；（6）恒流電源具有開路、短路保護及報警功能；（7）創(chuàng)新性。三、評分標準項目滿分基本要求設計與總結報告：方案比較、設計與論證、理論分析與計算、電路圖及有關設計文件、測試方法與儀器、測試數(shù)據(jù)及測試結果分析。50實際制作完成情況（包括工藝結構及經(jīng)濟性）50發(fā)揮部分完成第（1）項10完成第（2）項10完成第（3）項10完成第（4）項5完成第（5）項5完成第（6）項5創(chuàng)新性5四、說明1.需留出恒流電源輸出電流和電壓測量端子。目錄TOC\o"1-5"\h\z\o"CurrentDocument"目錄1\o"CurrentDocument"摘要2方案討論3\o"CurrentDocument"理論分析與論證4硬件電路設計與參數(shù)計算4電壓轉換恒定電流電路5DC-DC轉換電路5采樣測試電路6軟件設計6\o"CurrentDocument"系統(tǒng)測試結果與分析7倉0新點論述8摘要本作品設計的數(shù)控直流恒流電源是由DC-DC轉換模塊，電壓轉換電流模塊，采樣測試模塊，鍵盤及顯示模塊和單片機控制模塊組成。負載中輸出的電流可以設定并且可以從0開始進行手動調節(jié)，在10歐負載的條件下的最大輸出電流可以達到2A。利用MC434063構成升壓和降壓電路來實現(xiàn)對不同模塊的供電。OP07引入電流串聯(lián)負反饋將電壓轉換成電流，把三極管2N3055和5069進行復合來增大輸出負載的電流，利用ATMEGA128單片機進行D/A轉換來輸出不同的電壓，從而實現(xiàn)對輸出電流的控制。為了實現(xiàn)電流的測量，通過采樣電阻將電阻兩端電位進行比例求差運算來獲取所需電位差，送入單片機后通過數(shù)字PID算法來對輸出電流不斷進行調整，來實現(xiàn)設定的恒流輸出。本設計達到了大部分的基本功能，對于部分的擴展功能也能夠實現(xiàn)。關鍵字：壓控恒流，DC-DC轉換Abstract:ThisworkdesignofCNCDCpowersupplyisconstantbyDCvoltageDCconvertermodule-module,samplingtestingconvertcurrentmodule,keyboardanddisplaymoduleandsingle-chipmicrocomputercontrolmodule.Inthecurrentloadcanbesetandoutputfrom0tomanualadjustment,in10loadconditionscanachievethemaximumoutputcurrent2A.UseMC434063constituteboosterandstep-downcircuittoachievedifferentmodulesofthepowersupply.OP07introducingcurrentseriesnegativefeedbackwillconvertthecurrent,voltageand5069composite2N3055transistortoincreaseoutput,usingthecurrentloadATMEGA128single-chipprocessorisproposedforD/Atransformationfordifferentvoltageoutput,soastorealizethecontrolofcurrentoutput.Inordertorealizethecurrentmeasurement,throughsamplingresistancewillresistanceratioforpotentialdifferenceoperationacquirepotentials,intoSCMbydigitalPIDalgorithmafteradjustmentforoutputcurrentconstantly,torealizetheconstant-currentoutputSettings.Thisdesigntomostofthebasicfunctions,andthefunctionexpansionforparts.Keywords:voltagecontrolledconstant-current,DC-DCconversion一：方案討論萬案一根據(jù)題目要求，可以構建出的系統(tǒng)框圖如下:首先利用單片機進行D/A轉換，輸出的電壓給系統(tǒng)電路，可以通過電壓-電流轉換來輸出電流，同時對流過負載的電流進行監(jiān)測，其A/D轉換值送入單片機，來控制D/A輸出的電壓值，從而間接地控制電流。整個框圖構成閉環(huán)系統(tǒng)，可以實現(xiàn)穩(wěn)定的輸出。由于輸出電流范圍可為0—2000ma，電流范圍較大，需要加入保護電路，當輸出電流過大則自動關斷系統(tǒng)，若電路回復正常則自動開啟。萬案一此方案與方案一的不同之處在于利用PWM來控制輸出電流的大小，通過改變PWM波的占空比，可以相應的控制輸出電流的大小，并通過控制實現(xiàn)穩(wěn)定電流。兩個方案都能滿足設計要求，但是方案二用的BTS7960一塊就20元錢，整個系統(tǒng)還得用兩塊，且芯片得從網(wǎng)上郵購，制作成本高，鑒于經(jīng)濟效益考慮，我們采用方案一。二：理論分析與論證1：直流供電電源直流電源采用成品穩(wěn)壓電源，可穩(wěn)定輸出25V的電壓。2：DC-DC變換分析由于系統(tǒng)中各模塊所需電源電壓不同，因此采用MC34063將25V電壓進行降壓和反向變換，使其輸出15V、-15V、5V的穩(wěn)定電壓。MC34063是一單片雙極型線性集成電路芯片，專用于直流直流變換器控制部分，片內(nèi)包含有溫度補償帶隙基準源、一個占空比可調周期控制振蕩器和大電流輸出開關等部分，能輸出1.5A的開關電流，工作振蕩頻率從100HZ到100KHZ，它能使用最少的外接元件構成開關式升壓變換器、降壓式變換器和電源反向器，其效率可以達到80%以上，滿足設計要求。3：控制模塊分析控制模塊主要完成的功能是利用鍵盤對輸出電流的的大小和步進進行設定，利用液晶顯示屏對輸出電流進行顯示，并且能夠程控輸出電流，使系統(tǒng)輸出穩(wěn)定、可以變化的電流。這部分工作主要是以單片機為核心來開展。單片機的選取范圍很廣，本設計采用ATMEGA128

單片機，它是ATMEL公司的8位系列單片機的最高配置的一款單片機，應用極其廣泛，是高性能、低功耗的AVR8位微處理器，具有先進的RISC結構，133條指令（大多數(shù)可以在一個時鐘周期內(nèi)完成），32x8通用工作寄存器和外設控制寄存器，工作于16MHz時性能高達16MIPS，只需兩個時鐘周期的硬件乘法器，非易失性的程序和數(shù)據(jù)存儲器，用此單片機遠遠滿足設計的要求。為了滿足輸出電流的可調節(jié)性，可以利用ATMEGA128內(nèi)部自帶12位D/A轉換器來輸出不同的電壓，通過電壓-電流轉換來實現(xiàn)輸出電流的變化。為了輸出穩(wěn)定的電流，可以利用反饋構成閉環(huán)系統(tǒng)，不斷對輸出端的采樣電阻進行采樣，之后進行A/D轉換送入單片機，采用增量式數(shù)字PID控制算法來不斷糾正輸出值，從而實現(xiàn)電流的穩(wěn)定輸出。三：硬件電路及參數(shù)計算電壓轉換恒定電流電路：從而在10歐負載的情況下采用OP07和三極管5069和2N3055組成的復合管構成電流串聯(lián)負反饋來實現(xiàn)電壓到電流的轉換。三極管5609和2N3055的1肌/?分別為1A/20V/1W、15A/60V/115W。OP07是精度高、低漂移運算放大器。為了擴大輸出電流，采用三級擴流，輸出電流達到2A.具體電路如下圖所示：從而在10歐負載的情況下V0UT1以此以單級為例進行分析，單級電路形式如下圖所示。

V0UT1以此以單級為例進行分析，單級電路形式如下圖所示。由于OP07與三極管5609和2N3055構成負反饋，滿足“虛短、虛斷”理論，因此N3055的發(fā)射極電位與輸入的電壓值相等。負載電流.^'勺挪3負載電流負載電流1L正比于數(shù)模轉換的輸出電壓U,與負載電阻無關，數(shù)模轉換的輸出電壓U一定，可以得到恒流輸出。2:DC-DC轉換電路：DC-DC變換利用開關穩(wěn)壓芯片MC34063,MC34063可以實現(xiàn)直流電壓的升壓與降壓，并可以實現(xiàn)電壓的反向變換和可調節(jié)電壓輸出。MC34063構成的典型降壓電路如下圖：Vout=(1+R3/R2)*1.25(V)1CMC34063O?351CMC34063O?351一.呻PuL!iLlLhifGRANDL理PuU330UFMC34063構成的典型反向變換電路如下圖：Vout=-(1+R2/R3)*1.25(V)L之MC34063O?L之MC34063O?3*竺1一理PuL!lOLtiiFL理PuLl3301TF通過兩個OP07組成電壓跟隨器來采集所測兩端點的電位，之后組成通過求差運算電路來獲取所需的電位差值。調整R7、R8可以使輸出電壓VOUT=VIN1-VIN2,具體電路如下:F?4F如>1o：.OK0-SMT20Kn<IN電=A；；如知::VIN1：.：：：R1：：：：：：---?VAlO.OK^SMT''''Vlbl2???WllO.OK^SMT由于采樣:電路要求采集的電壓必須U1VOUT十分精確，才能保證單片機正確程控輸出電流值，因此必須對運放有較高的要求。首先，:運放選用OP07,OP07具有非常低的輸入失調電壓（對于OP07A最大為25〃V），為了保險起見，圖中的電路仍然采用了調零電路，使輸入為零時輸出電壓為零。由于OP07的供電電壓為+15V和-15V,而電源供電為24V,因此不適合利用電壓跟隨器一：、,一，■-,，■--?一vy—，…、一|,、一.、，，'--■----采集采樣電阻兩端的電位，但可以利用比例求差電:路直接采集采樣電阻兩端的電位差，只要電阻匹配的好，通過調節(jié)滑動變阻器可以使輸出:VO^=VIN^IN2v之后將采樣值送入A/D，最后:再送入單片機，從而為革片機程控敢-士白

提供了依據(jù)?！鯰四：軟件設計軟件設計中特別為電路的過流保護編寫了相應的程序，當負載電流過大時會通過蜂鳴器來實現(xiàn)報警，同時也會自動改變D/A的輸出電壓，從而實現(xiàn)減少負載電流，達到保護電路的中斷程序:注釋：具體的程序見附件1。五：系統(tǒng)測試結果與分析測試實驗數(shù)據(jù)Vi/v0.010.020.030.030.19Vo/v0.660.730.790.861.22Vx/v0.0060.0090.0120.0290.0320.0350.0380.055Vi/v80.340.40.460.470.53Vo/v1.31.371.732.092.432.782.863.22Vx/v0.0580.0160.0780.0940.110.1260.130.146Vi/v0.590.650.710.830.891.011.071.13Vo/v3.563.924.264.965.316.016.356.75Vx/v0.1620.1780.1940.2250.2410.2730.2890.305Vi/v21.481.541.661.721.78Vo/v7.397.748.438.779.119.8110.1410.5Vx/v0.3370.3520.3840.40.4150.4470.4630.479Vi/v1.91.962.062.382.5

不同阻值的測量結果:Rl=10QVi/v2.863.03.82Vo/v9.419.9110.5711.211.8512.52Ir/A0.9410.9911.0571.121.1851.252Vi/v4.024.234.