数控直流电流源硬件设计论文

信息与控制工程学院硬件课程设计说明书 数控直流电流源设计数控直流电流源设计 学生学号：09580113 学生姓名： 专业班级： 指导教师： 职称：教授 起止日期：2012.03.052011.03.25 吉林化工学院 Jilin InstituteofChemical Technology 信息与控制工程学院硬件课程设计说明书 - I - 课程设计任务书课程设计任务书 一、设计题目：数控直流电流源设计一、设计题目：数控直流电流源设计 二、设计目的二、设计目的 1掌握MSP430F169 单片机的设计； 2掌握数控直流电流源电路及显示驱动电路设计； 3熟练掌握单片机的编程方法； 4掌握利用 IAR 进行程序编辑，程序调试及程序下载的方法。 三、设计任务及要求三、设计任务及要求 设计并实现数控直流电流源系统。数控直流电流源系统应具有以下基本功能; （1）15DC 供电（可以使用成品稳压电源），输出电流范围： 200mA2000mA； （2）带负载能力：10（在负载电阻 10时，效率70%）； （3）具有“+”、“-”步进调整按键，能够调整输出电流，设置范围 200mA2000mA， （4）能够数字显示输出电流给定值和实际输出电流值; （5）改变负载电阻大小（1015之间），输出电流稳态误差值小于10mA 。 四、设计时间及进度安排四、设计时间及进度安排 设计时间共三周（2012.3.5 2012.3.25）,具体安排如下表： 周安排设计内容设计时间 第一周 设计单片机最小系统和数字直流电流源电路的原理图，学 习单片机开发工具 IAR 的使用。 2012.3.5 2012.3.11 第二周 按照原理图焊接电路板，并检查和调试硬件电路。学习单片 机的编程驱动方法以及掌握利用 IAR 进行软件调试程序。 2012.3.12 2012.3.18 第三周 调试程序实现数字直流电流源的基本功能。完成并提交硬件 设计作品及硬件课程设计说明书，课程设计答辩。 2012.3.19 2012.3.25 五、指导教师评语及学生成绩五、指导教师评语及学生成绩 指导教师评语: 年月日 年月日 成绩指导教师(签字): 数控直流电流源设计 - II - 目录 课程设计任务书I 第一章 数控直流电流源设计目的1 第二章 数控直流电流源方案选择2 2.1 总体方案选择2 2.2 器件的选择3 2.2.1 控制芯片选择3 2.2.2 显示器选择4 2.2.3 键盘模块选择4 2.2.4 开关管选择4 2.2.5 PWM 芯片选择5 2.3 检测方案选择5 第三章 数控直流电流源系统硬件设计7 3.1 系统结构概述7 3.2 MSP430 系列单片机8 3.2.1 MSP430 系列单片机的特点8 3.2.2 MSP430F169 引脚功能 9 3.3 1602 液晶显示器9 3.3.1 1602 液晶引脚功能9 3.3.2 1602 液晶寄存器功能10 3.3.3 1602 液晶的字符集11 3.3.4 1602 液晶操作时序11 3.4 A/D 转换模块 13 3.4.1 MSP430F169 单片机 ADC12 模块特点13 3.4.2 MSP430F169 单片机 ADC12 寄存器设置13 3.5 D/A 转换模块 15 3.5.1 D/A转换器的主要技术指标15 3.5.2 MSP430F169 单片机 DAC12 寄存器设置15 3.6 PWM 控制芯片 SG352516 3.6.1 SG3525 功能简介16 3.6.2 SG3525 引脚功能16 3.6.3 SG3525 的特点17 信息与控制工程学院硬件课程设计说明书 - III - 3.6.4 SG3525 的工作原理18 3.7 斩波与滤波稳流20 第四章 数控直流电流源软件调试 21 4.1 IAR Embedded WorkbenchIDE 软件使用 21 4.1.1IAR EmbeddedWorkbench IDE 简介 21 4.1.2IAR EmbeddedWorkbench IDE 操作步骤 21 4.2 主程序21 4.3 定时器 A 中断子程序22 4.4 A/D 采样子程序 22 4.5 测试工具22 4.6 测试数据及测试结果分析23 结论 24 参考文献25 附录 26 信息与控制工程学院硬件课程设计说明书 - 1 - 第一章第一章 数控直流电流源设计目的数控直流电流源设计目的 通过数控直流电流源的设计， 掌握基于MSP430F169 单片机和 SG3525 芯片实现直流电流源控制 的电路设计和软件编程方法； 掌握 MSP430 单片机内部定时器模块、 A/D 模块、 D/A 模块的编程方法； 掌握利用IAR 进行程序编辑，程序调试及程序下载的方法。熟悉 Altium Designer 软件绘制电路原 理图的基本方法和技巧；掌握硬件电路的焊接和调试方法。最重要的是从设计这个过程中学习怎么 与队员之间合作，学习设计的基本思路与过程。融会贯通自己所学的理论基础知识。提高自己将理 论知识转化为实际作品的的动手能力。 数控直流电流源设计 - 2 - 第二章第二章 数控直流电流源方案选择数控直流电流源方案选择 2.1 总体方案选择 方案一：根据传统线性恒流源的原理，以集成稳压芯片（如 LM337）与数字电位器构成电流源 的主体部分，通过单片机改变数字电位器的阻值，以实现对恒流源输出值的调整，并使用数码管 LED 显示其数值，其原理方框图如图 2-1 所示。该方案电路结构简单，容易实现，但由于目前数字 电位器分度有限，市场上能找到的最高分度只有 10 位，如 MAXIM 公司的 MAX5484，难以实现发挥 部分的功能。此外，由于流过的电流较大，需要并串多个数字电位器才能满足输出的电流要求，且 系统为开环控制，稳定性差，精度较低。 负载电阻 18V 恒流输出 单片机 LM337MAX5484 键盘 显示 图2-1 方案一原理方框图 方案二：根据开关电源的原理，经 AC/DC/DC 变换过程来实现可调稳流的功能，主电路由整流 滤波电路、斩波电路和恒流电路构成。其工作过程如下：市电经隔离变压器降压后，通过整流桥整 流，电容器滤波，变成平稳的直流电，完成 AC/DC 的变换过程；通过由 FPGA（可编程逻辑器件） 产生PWM 调制波控制开关管的通断构成斩波电路，输出高频的直流脉冲，经储能电感平波、电容高 频滤波后，输出可调的直流电；使用 HCPL7870 光电隔离 A/D 转换芯片（转换精度达15）对输出电 流进行采集，构成闭环控制系统。该系统组成原理方框图图 2-2 所示，由于 FPGA 的系统时钟频率 高（一般使用50MHz），且以并行处理数据，所以该方案可靠性高，编程容易。但经仔细分析后发 现，该方案有如下几个缺点：系统成本较高；由于使用的是离散数字 PWM 调制方式，当 FPGA 芯片 使用50MHz 的系统时钟时， 若PWM 得占空比要实现2000 个分度， 则PWM 的最高频率只能达到25KHZ， 根据输出电流的纹波与输出的频率成反比的规律，在25KHZ 频带范围内，输出电流纹波较大，给后 级的稳流滤波电路电路带来困难，影响输出的电流指标，难以达到发挥部分的要求：采用的是离散 的数字信号反馈控制，对数字信号的量化精度要求较高。 信息与控制工程学院硬件课程设计说明书 - 3 - 负载电阻 AC/DC 开关管 HCPL7870 FPGA 显示 键盘 PWM调制波 PWM调制波 恒流输出 光电耦合A/D芯片 L 220V 图2-2 方案二原理方框图 方案三：按照方案二 AC/DC/DC 的设计思路，再在斩波电路的前级增加一级稳压电路，使用集 成稳压器来降低电网波动对斩波电路的影响。 控制部分选用单片机与专用的 PWM调制芯片相结合的 方式来控制 MOSFET 开关管的导通。其输出电流的大小通过隔离型电流传感器转换成对应的模拟信 号，并将这一模拟量分为两路：一路直接反馈到 PWM集成芯片的反馈输入端，构成连续的闭环控制 系统；另一路经模/数转换芯片变成数字信号传送给单片机处理，作为辅助的调节反馈量，使用软 件算法来修正给定量，减小稳态误差，其组成原理框图如图2-3 所示。 负载电阻 AC/DC 开关管 显示 键盘 恒流输出 电流检测 报警信息 单片机 PWM芯片 给定值 反馈量 反 馈 给定值数模转换 稳压管 模数转换 图2-3 方案三原理方框图 方案三与前面的方案相比，具有以下特点：系统为双环控制系统，动态响应快，超调量和稳态 误差小；成本较低，技术成熟；软硬件相结合，可靠性高，功能全，扩展余地达，理论上可达到设 计题目的所有性能指标，该系统设计确定使用方案三。 2.2 器件的选择 2.2.1 控制芯片选择 方案一：采用目前比较通用的 51 系列单片机。此单片机的运算能力强,软件编程灵活,自由度 大。 虽然该系统采用单片机为核心,能够实现对外围电路的智能控制,但核心控制部件使用89C51 时, 为达到设计精度的要求,外围电路必须加上 12 位的 A/D 和 D/A,这就使得整个系统硬件电路变得复 杂,而且12 位的A/D 和D/A 器件价格较高,使得系统的性价比偏低。 数控直流电流源设计 - 4 - 方案二：采用 MSP430F169 单片机。此单片机功能较强，性价比高、集成度高、易扩展、可靠 性高、功耗小及具有较高的数据处理和运算能力。由于 MSP430F169 单片机内部集成了 A/D 转换器, 不需外加 A/D。通过采样取样,结合内部 A/D 构成闭环反馈调整控制。种方案既能实现智能化的特 点,简化硬件电路,提高测量精度,同时也能利用软件对测量误差进行补偿,这给调试、 维护和功能的 扩展、性能的提高,带来了极大的方便。 鉴于上面考虑,我们采用方案二。 2.2.2 显示器选择 方案一：采用 LED 显示，把测量所得到的高度通过数码管显示。数码管亮度高，体积小，重量 轻。但是动态显示要求单片机定时地对显示器件扫描，如不调用显示程序，就会立即停止显示，而 且显示信息简单、有限，在本题目中应用受到很大的限制。 方案二：采用 12864LCM 点阵显示器，点阵显示界面友好，显示信息量丰富，接口电路简单， 可以和单片机直接相连。但成本相对较高。 方案三：采用 1602 字符液晶显示器， 能够同时显示 1602 即32 个字符。 1602 液晶驱动简单， 性价比相对较高。 考虑到本题显示信息比较简单， 只需要显示给定输出电流和实际输出电流， 我们决定选择 1602 字符液晶显示器作为本系统的显示模块。 2.2.3 键盘模块选择 方案一：采用普通四位按键模式，通过点阵显示器索显示的信息对系统进行控制，方便快捷， 易于实现。 方案二：采用 44 矩阵键盘，其优点是按键数目较多，方便数据输入，但需要单片机对其进 行动态扫描，耗电量较高，编程较难。 考虑到本系统的输入信息较少，我们选择普通四位键盘作为本体统的键盘模块。 2.2.4 开关管选择 根据相关技术资料，对比 MOSFET 与IGBT 两种开关管，其性能参数的对比如表 2-1 所示。 表2-1MOSFET 与IGBT 性能参数的对比 性能指标MOSFETIGBT 驱动类型电压型电压型 驱动功率小较小 开关速度快（能达到5MHz）较快（一般在100kHz 以下） 能通过电流较大（一般在100A 以下）大（能达到1000A 以上） 通态压降小于或等于 2V一般大于2V 由于设计要求输出的功率不大，主要指标体现在输出电流的分辨率、测量值的误差、纹波、稳 定度等方面。为了获得很好的滤波效果，希望其斩波的频率越高越好（至少在 100kHz 以上）。对 信息与控制工程学院硬件课程设计说明书 - 5 - 照表2-1 分析，由于 MOSFET 管的开关速度快，可作为选择开关管的对象，经查阅P 沟道的MOSFET IRF9540 的技术资料，能满足设计要求。 2.2.5 PWM 芯片选择 PWM 芯片根据其控制形式可分为电压模式控制和电流模式控制两种。其功能和驱动能力也随型 号不同有所区别。根据相关技术资料，对比TL494、UC3573 和SG3525 三款芯片如下： TL494 内有两个误差信号比较器，能同时实现电压模式控制和电流模式控制，但在本系统中不 能发挥这一优势，且没有外部强制封锁端，不便于实现过压过流保护。 UC3575 属于 DIP 封装，其 PWM 占空比可从 0%100%之间调节，能直接驱动 P 沟道的 MOSFET 开 关管，但在功能上不能直接实现误差放大和控制，难以满足系统设计要求。 SG3525 具有很高的温度稳定性和较低的噪声等级， 据有欠压保护和外部封存功能， 能方便的实 现过压过流保护，能输出两路波形一致、相位相差 180的 PWM 信号，结合双 MOSFET 管斩波电路 的独特设计，能有效的减少输出电流的纹波。 基于以上分析，选择 SG3525 作为斩波电路的 PWM 调制芯片比较理想。SG3525 主要技术指标如 图2-2 所列。 表2-2SG3525 主要技术指标 参数名称数值 最大电源电压40V 启动电压8V 最高工作频率500kHz 误差放大器开环增益75dB 放大器输入失调电压2mV 封锁阈值电压0.4V 待机电流14mA 基准源温度稳定性0.3mV/ 误差放大器增益带宽2MHz 驱动输出峰值电流500mA 2.3 检测方案选择 方案一：直接对负载进行采样 直接对负载进行采样简单易行。但由于负载电阻为可调节电阻，输出可能有电流可能会受接触 电阻的变化而不稳定，故不宜选取。 方案二：对采样电阻进行采样 采样电阻采用标准精密电阻，阻值稳定，将阻值的变化对电流的影响降低到最小程度。另外，对采 样电阻进行采样，有效避免了外接测量电路对电流的影响。因此采用方案二。 数控直流电流源设计 - 6 - 信息与控制工程学院硬件课程设计说明书 - 7 - 第三章第三章 数控直流电流源系统硬件设计数控直流电流源系统硬件设计 3.1 系统结构概述 系统结构框图如图 3-1 所示： 此次设计的主要任务是保证输出电流的恒定，所以当负载及其他参数发生变化时，我们可以在 硬件及软件两方面采取适当的措施使输出电流保持不变。软件上，利用单片机内部 A/D 模块读取电 流源发出的电流值，并控制调整给定值，已达到准确、稳定值直流输出；硬件上，利用反馈电路将 输出电流反馈进单片机使之与设定电流值进行比较，从而调节占空比使电流稳定在设定值。图 3-2 所示为数控恒流源的闭环控制系统。 图3-1 系统结构框图 图3-2 数控恒流源的闭环控制系统 以 MSP430F169 单片机作为系统控制单元， 外配 4MHz 主晶振和 32768Hz 的辅助晶振、 复位电路、 按键电路、1602 显示器构成单片机小系统，如图 3-3 所示；单片机通过按键读取用户的设置输出 电流值，再通过 A/D 转换发出给定值，电流检测电路通过 D/A 转换把输出值传回单片机，单片机通 过比较微调输出值。 数控直流电流源设计 - 8 - 图 3-3 单片机小系统 3.2 MSP430 系列单片机 3.2.1 MSP430 系列单片机的特点 MSP430 系列单片机是美国德州仪器公司于上世纪九十年代开发出的产品，已在许多领域得到 了广泛应用。MSP430 系列单片机具有超低功耗、强大的处理能力、高性能模拟技术及丰富的片上 外围模块、方便高效的开发环境等优点。MSP430 系列单片机是一个 16 位的单片机，采用了精简 信息与控制工程学院硬件课程设计说明书 - 9 - 指令集（RISC）结构，具有丰富的寻址方式（7 种源操作数寻址、4 种目的操作数寻址）、简洁的 27 条内核指令以及大量的模拟指令；大量的寄存器以及片内数据存储器都可参加多种运算；还有 高效的查表处理指令；有较高的处理速度，在 8MHz 晶体驱动下指令周期为 125 ns 。这些特点保 证了可编制出高效率的源程序。 3.2.2 MSP430F169 引脚功能 1PIO 端口是并行输入输出端口，8 位。MSP430 单片机PIO 端口特点： （1）引脚丰富： P1，P2，P3，P4，P5，P6。 （2）功能丰富：I/O，中断能力，其它片内外设功能。 （3）寄存器丰富：P1 与P2 各有 7 个寄存器，P3、P4、P5、P6 有四个寄存器。 2 具有中断功能的数据输入、 输出端口 P1 和P2 各寄存器符号和功能如下所述 （以P1 口为例） ： （1）P1IN：输入寄存器 。 （2）P1OUT：输出寄存器。 （3）P1DIR：方向选择寄存器，为 1 位输出，为 0 位输入 。 （4）P1IFG：中断标志寄存器 。 （5）P1IES：中断触发沿选择寄存器。 （6）P1IE：中断使能寄存器。 （7）P1SEL：功能选择寄存器。 3没有中断功能的数据输入、输出端口 P3、P4、P5 和 P6 各寄存器符号和功能如下所述（以 P3口为例）： （1）P3IN：输入寄存器。 （2）P3OUT：输出寄存器。 （3）P3DIR：方向选择寄存器。 （4）P3SEL：功能选择寄存器。 4其他功能引脚： （1）RST/NMI：复位输入，不可屏蔽中断输入端口。 （2）TCK ：测试时钟，TCK 是芯片编程测试和 bootstrap loader 启动的时钟输入端口。 （3）TDI ： 测试数据输入，TDI 用作数据输入端口，芯片保护熔丝连接到 TDI。 （4）TDO/TDI ：测试数据输出端口，TDO/TDI 数据输出或者编程数据输出引脚。 （5）TMS ：测试模式选择，TMS 用作芯片编程和测试的输入端口。 （6）VeREF+ ：外部参考电压的输入。 （7）VREF+ ：参考电压的正输出引脚。 （8）VREF-/VeREF-： 内部参考电压或者外加参考电压的引脚。 3.3 1602 液晶显示器 3.3.1 1602 液晶引脚功能 数控直流电流源设计 - 10 - 1602 字符型LCD 有 16 条引脚线，引脚图如图 3-4 所示： 图3-41602LCD引脚图 其中 15 引脚和16 引脚是背光电源线，具体引脚功能如表3-1 所示： 表3-1 1602 液晶显示器引脚 引脚符号功能说明 1VSSGND 2VDD+5V 电源 3VO液晶显示器对比度调整端，接正电源时对比度最弱，接地电源时对比度最高 4RSRS 为寄存器选择， 高电平1 时选择数据寄存器， 低电平0 时选择指令寄存器 5R/WR/W 为读写信号线，高电平(1)时进行读操作，低电平(0)时进行写操作 6EE(或EN)端为使能(enable)端，下降沿使能。 7DB0底 4 位三态、 双向数据总线 0 位（最低位） 8DB1底4 位三态、 双向数据总线 1 位 9DB2底4 位三态、 双向数据总线 2 位 10DB3底4 位三态、 双向数据总线 3 位 11DB4高4 位三态、 双向数据总线 4 位 12DB5高4 位三态、 双向数据总线 5 位 13DB6高4 位三态、 双向数据总线 6 位 14DB7高4 位三态、 双向数据总线 7 位（最高位）（也是busy flag） 15BLA背光电源正极 16BLK背光 电源负极 3.3.2 1602 液晶寄存器功能 1602 液晶显示器主要有两个寄存器 RS 和 R/W 组成，他们的组合使用实现不同的功能，寄存 器功能如表 3-2 所示： 信息与控制工程学院硬件课程设计说明书 - 11 - 表3-2 寄存器选择控制表 RSR/W操作说明 00写入指令寄存器（清除屏等） 01读busy flag（DB7），以及读取位址计数器（DB0DB6）值 10写入数据寄存器（显示各字型等） 11从数据寄存器读取数据 3.3.3 1602 液晶的字符集 1602 液晶模块内部的字符发生存储器 （CGROM)已经存储了 160 个不同的点阵字符图形， 这些字 符有：阿拉伯数字、英文字母的大小写、常用的符号、和日文假名等，每一个字符都有一个固定的 代码，比如大写的英文字母“A”的代码是01000001B（41H），显示时模块把地址 41H 中的点阵字 符图形显示出来，我们就能看到字母“A”。 因为 1602 识别的是 ASCII 码，试验可以用 ASCII 码直接赋值，在单片机编程中还可以用字符 型常量或变量赋值，如A。 3.3.4 1602 液晶操作时序 1.读操作时序图如图3-5 所示： 图3-5 读操作时序图 2.写操作时序图如图3-6 所示： 数控直流电流源设计 - 12 - 图3-6 写操作时序图 3.时序参数 对应读时序图和写时序图的时间参数如表 3-3 所示，编程时应严格遵守时间参数。 表3-3 时序参数 时序参数序号 极限值 单位测试条件 最小值典型值最大值 E 信号周期tC400ns 引脚E E 脉冲宽度tPW150ns E 上升沿/下降沿时间tR,tF25ns 地址建立时间tSP130ns 引脚 E、RS、R/W 地址保持时间tHD110ns 数据建立时间（读操作）tD100ns 引脚DB0DB8 数据保持时间（读操作）tHD220ns 数据建立时间（写操作）tSP240ns 数据保持时间（写操作）tHD210ns 信息与控制工程学院硬件课程设计说明书 - 13 - 3.4 A/D 转换模块 本题要求输出电流范围为 01000mA(综合基本要求和发挥要求)，步进 1mA，也即分辨率为 1mA，根据式 3-1 得 （3-1） 最小位数为11 位，而为了给精度指标留有余地，A/D 模块应选择12 位 A/D，MSP430F169 单片机 的ADC12 模块满足设计要求。 3.4.1 MSP430F169 单片机ADC12 模块特点 (1)12 位转换精度，1 位非线性微分误差，1 位非线性积分误差。 (2)有多种时钟源提供给A/DC12 模块，而且模块本身内置时钟发生器。 (3)内置温度传感器。 (4)Timer_A/Timer_B 硬件触发器。 (5)配置有8 路外部通道与 4 路内部通道。 (6)内置参考电源，并且参考电压有6 种组合。 (7)模数转换有 4 种模式。 (8)16 字转换缓存。 (9)ADC12 可关断内核支持超低功耗应用。 (10)采样速度快，最高可达 200ksps。 (11)自动扫描。 (12)DMA 使能。 3.4.2 MSP430F169 单片机ADC12 寄存器设置 MSP430F169 单片机内部 A/D 模块原理图如图 3-7所示。 MSP430F169 单片机 ADC12 寄存器主要有 ADC12CTL0、ADC12CTL1、ADC12MCTLx、ADC12IE、 ADC12IFG、ADC12IV、ADC12MEM0 等。对寄存器进行相应的设置，即可启动 MSP430F169 内部的 A/D 模块，主要的设置操作有：（1）设置参考电压。（2）设置转换通道。（3）设置 A/D 时钟。（4） 启动转换。 AD 都需要一个基准信号，通常为电压基准。ADC12 内置参考电源，而且参考电压有 6 种可编程 选择，分别为 VR+与VR-的组合。其中 VR+（有 3 种）：AVCC (模拟电源正端)、VREF+ (A/D 转换器 内部参考电源的输出正端)、VeREF+(外部参考电源的正输入端)；VR-（有2 种）：AVSS (模拟电源 负端)、VREF- 或 VeREF-（A/D 转换器内部或者外部参考电源负端）。 MSP430F169 单片机内部 A/D 模块初始化程序代码： void Init_ADC12(void)/*ADC12 初始化*/ P6SEL=0x03;/ 使能A/D 通道A0、A1 ADC12CTL0= ADC12ON+SHT0_2+REFON+MSC+REF2_5V;/设置ADC12，其中参考电压为 2.5V max 22 I2000mA nloglog11 I1mA 数控直流电流源设计 - 14 - ADC12CTL1=SHP+CONSEQ_3;/多通道顺序转换 ADC12MCTL0= INCH_0+SREF_1;/序列开始 选择通道 ADC12MCTL1 = INCH_1+SREF_1+EOS;/选择通道 通道选择结束 ADC12IE = 0x02;/ 使能ADC12IFG.1 ADC12CTL0 |= ENC;/ 使能转换 ADC12CTL0 |= ADC12SC;/ 启动转换 图3-7MSP430F169 单片机内部A/D模块原理图 信息与控制工程学院硬件课程设计说明书 - 15 - 3.5 D/A 转换模块 3.5.1 D/A 转换器的主要技术指标 （1）分辨率(Resolution) 指最小模拟输出量与最大量之比。 （2）建立时间(Setting Time) 是将一个数字量转换为稳定模拟信号所需的时间，也可以认为 是转换时间。D/A 中常用建立时间来描述其速度，而不是A/D 中常用的转换速率。一般地，电流输 出D/A 建立时间较短，电压输出 D/A 则较长。 3.5.2 MSP430F169 单片机DAC12 寄存器设置 MSP430F169 单片机内部 D/A 模块原理图如图 3-8 所示。 MSP430F169 单片机 DAC12 寄存器主要有 DAC12_0CTL、DAC12_0DAT、DAC12_1CTL、 DAC12_1DAT 等。对寄存器进行相应的设置，即可启动 MSP430F169 内部的D/A 模块。 图3-8MSP430F169 单片机内部D/A模块原理图 数控直流电流源设计 - 16 - 3.6 PWM 控制芯片 SG3525 3.6.1 SG3525 功能简介 随着电能变换技术的发展，功率 MOSFET 在开关变换器中开始广泛使用，为此美国硅通用半导 体公司（Silicon General）推出 SG3525。SG3525 是用于驱动N 沟道功率 MOSFET。SG3525 系列PWM 控制器分军品、工业品、民品三个等级。SG3525 是电流控制型 PWM 控制器，所谓电流控制型脉宽 读调制器是按照接反馈电流来调节脉宽的。 在脉宽比较器的输入端直接用流过输出电感线圈的信号 与误差放大器输出信号进行比较，从而调节占空比使输出的电感峰值电流跟随误差电压变化而变 化。由于结构上有电压环和电流环双环系统，因此，无论开关电源的电压调整率、负载调整率和瞬 态响应特性都有提高，是目前比较理想的新型控制器。 3.6.2 SG3525 引脚功能 SG3525 芯片内部功能框图如图 3-9 所示。 图3-9 SG3525 芯片内部功能框图 各引脚功能如下所述： 1Inv.input(引脚 1)：误差放大器反向输入端。在闭环系统中，该引脚接反馈信号。在开环系 统中，该端与补偿信号输入端（引脚 9）相连，可构成跟随器。 2 Noninv.input(引脚2)： 误差放大器同向输入端。 在闭环系统和开环系统中， 该端接给定信号。 根据需要，在该端与补偿信号输入端（引脚 9）之间接入不同类型的反馈网络，可以构成比例、比 例积分和积分等类型的调节器。 3 Sync(引脚 3)： 振荡器外接同步信号输入端。 该端接外部同步脉冲信号可实现与外电路同步。 信息与控制工程学院硬件课程设计说明书 - 17 - 4OSC.Output(引脚4)：振荡器输出端。 5CT(引脚 5)：振荡器定时电容接入端。 6RT（引脚 6）：振荡器定时电阻接入端。 7Discharge(引脚7)：振荡器放电端。该端与引脚5 之间外接一只放电电阻，构成放电回路。 8Soft-Start(引脚 8)：软启动电容接入端。该端通常接一只软启动电容。 9Compensation(引脚9)：PWM 比较器补偿信号输入端。在该端与引脚 2 之间接入不同类型 的反馈网络，可以构成比例、比例积分和积分等类型调节器。 10Shutdown(引脚 10)：外部关断信号输入端。该端接高电平时控制器输出被禁止。该端可与 保护电路相连，以实现故障保护。 11OutputA（引脚 11）：输出端 A。引脚11 和引脚14 是两路互补输出端。 12Ground(引脚 12)：信号地。 13Vc(引脚 13)：输出级偏置电压接入端。 14OutputB（引脚14）：输出端 B。引脚14 和引脚11 是两路互补输出端。 15Vcc（引脚15）：偏置电源接入端。 16Vref(引脚 16)：基准电源输出端。该端可输出一温度稳定性极好的基准电压。 3.6.3 SG3525 的特点 SG3525 芯片特点如下所述： 1工作电压范围宽：835V。 25.1V（1.0%）微调基准电源。 3振荡器工作频率范围宽：100Hz400KHz。 4具有振荡器外部同步功能。 5死区时间可调。 6内置软启动电路。 7具有输入欠电压锁定功能。 8具有 PWM 琐存功能，禁止多脉冲。 9逐个脉冲关断。 10双路输出（灌电流/拉电流）： 200mA(峰值)。 作为 SG3524 的增强版本，SG3525 在以下方面进行了改进： 1增加欠电压锁定电路。当SG3525 输入电压低于 8V 时，控制器内部电路锁定，除基准电源 和一些必要电路之外的所有电路停止工作，此时控制器消耗的电流极小。 2 增加了软启动电路。 引脚8 为软启动控制端， 该端可外接软启动电容。 软启动电容由 SG3525 内部50 的恒流源进行充电。 3提高了基准电源的精度。SG3525 中基准电源的精度提高了 1%，而SG3524 中基准电源的 精度只有 8%。 4 去除了限流比较器。 SG3525 去除了 SG3524 中的限流比较器， 改由外部关断信号输入端 （引 脚10）来实现限流功能，同时还具有逐个脉冲关断和直流输出电流限幅功能。实际使用中，一般 在引脚10 上接电流检测信号，如果过电流检测信号维持时间较长，软启动电容将被放电。 数控直流电流源设计 - 18 - 5PWM 比较器的反向输入端增加至两个。在SG3524 中，误差放大器输出端、限流比较器输 出端和外部关断信号输入电路共用PWM 比较器的反向输入端。在 SG3525 中对此进行了改进，使 误差放大器输出端和外部关断信号输入电路分别送至 PWM 比较器的一个反向输入端。 这样做的好 处在于，避免了误差放大器和外部关断信号输入电路之间相互影响，有利于误差放大器和补偿网络 工作精度提高。 6增加了PWM 锁存器。为了使关断电路更可靠的工作， SG3525 在其内部增加了 PWM 锁 存器。PWM 比较器输出信号首先送至 PWM 锁存器，锁存器由关断电路置位，由振荡器输出时间 脉冲复位。 当关断电路工作时， 即使过电流信号立即消失， 锁存器也可以维持一个周期的关断控制， 直到下一周期时钟信号使锁存器复位为止。同时，由于 PWM 锁存器对 PWM 比较器的置位信号进 行琐存，误差放大器上的噪声信号、振铃及其他信号在此过程中都被消除了。只有在下一个时钟周 期才能重新复位，可靠性大大提高。 7 振荡器增加了同步端和放电端。SG3524 中的振荡器只有 CT 和RT 两个引脚，其充电和放 电回路是相同的。 在SG3525 中的振荡器除了 CT 和RT 两个引脚外， 又增加了一个同步端 （引脚 3） 和一个放电端（引脚 7）。RT 的阻值决定了内部恒流源对 CT 充电电流的大小，而 CT 的放电则由 引脚5 和引脚7 之间的外接电阻决定。将充电回路和放电回路分开，有利于通过引脚 5 和引脚7 之 间的外接电阻来调节死区时间。这样 SG3525 的震荡频率由下式进行计算： )37 . 0( 1 RRC f DTT 同步端 （引脚3） 主要用于多只 SG3525 之间的外部同步， 同步脉冲的频率应比震荡频率 FOSC 略低一些。 8改进了输出级的结构。SG3525 对SG3524 输出级进行了改进，以适应功率MOS-FET 的需 要，其末级采用了推挽式电路，关断速度更快。 SG3525 的输出级采用图腾柱式结构，其灌电流/拉电流能力超过 200mA。 当输出晶体管开通时， R1 上会有电流流过， R1 上的压降将使 VT1 导通。 因此VT1 是在 SG3525 内部的输出晶体管导通时间内导通的，因此其开关频率等于SG3525 内部振荡器的频率。 VT1 和 VT2 分别由 SG3525 的输出端A 和输出端B 输出的正向驱动电流驱动。电阻 R2 和R3 是限流电阻，是为了防止注入 VT1 和 VT2 的正向基极电流超出控制器所允许的输出电流。C1 和 C2 是加速电容，起到加速 VT1和VT2 导通的作用。 由于 SG3525 的输出驱动电路是低阻抗的，而功率 MOSFET 的输入阻抗很高，因此输出端 A 和输出端B与VT1和VT2栅极之间无须串接限流电阻和加速电容， 就可以直接推动功率MOSFET。 另外，SG3525 还能够直接驱动半桥变换器中的小功率变压器。如果变压器一次绕组的两端分 别直接接到 SG3525 的两个输出端上，则在死区时间内可以实现变压器的自动复位。 3.6.4 SG3525 的工作原理 SG3525 内置了5.1V 精密基准电源，微调至 1.0%，在误差放大器共模输入电压范围内，无须 外接分压电组。SG3525 还增加了同步功能，可以工作在主从模式，也可以与外部系统时钟信号同 步，为设计提供了极大的灵活性。在 CT引脚和 Discharge引脚之间加入一个电阻就可以实现对死 区时间的调节功能。由于 SG3525 内部集成了软启动电路，因此只需要一个外接定时电容。 信息与控制工程学院硬件课程设计说明书 - 19 - SG3525 的软启动接入端（引脚 8）上通常接一个软启动电容。上电过程中，由于电容两端的 电压不能突变，因此与软启动电容接入端相连的PWM 比较器反向输入端处于低电平，PWM 比较 器输出高电平。此时，PWM 锁存器的输出也为高电平，该高电平通过两个或非门加到输出晶体管 上，使之无法导通。只有软启动电容充电至其上的电压使引脚 8 处于高电平时， SG3525 才开始工 作。由于实际中，基准电压通常是接在误差放大器的同相输入端上，而输出电压的采样电压则加在 误差放大器的反相输入端上。当输出电压因输入电压的升高或负载的变化而升高时，误差放大器的 输出将减小， 这将导致 PWM 比较器输出为正的时间变长， PWM 锁存器输出高电平的时间也变长， 因此输出晶体管的导通时间将最终变短，从而使输出电压回落到额定值，实现了稳态。反之亦然。 外接关断信号对输出级和软启动电路都起作用。 当 Shutdown （引脚 10） 上的信号为高电平时， PWM 锁存器将立即动作，禁止 SG3525 的输出，同时，软启动电容将开始放电。如果该高电平持 续，软启动电容将充分放电，直到关断信号结束，才重新进入软启动过程。注意，Shutdown 引脚 不能悬空，应通过接地电阻可靠接地，以防止外部干扰信号耦合而影响SG3525 的正常工作。 欠电压锁定功能同样作用于输出级和软启动电路。