科技创新5第042组组长设计报告

1、上海交通大学 电子信息与电气址：东川路 800 号编：200240地邮班级学号具体负责的工作方式王浩F08030255080309795电路焊接、调试 leon 徐璞F08030255080309778电路焊接、调试F08030255080309779电路调试、报告撰写摘 要：这篇报告主要是关于单片机、采样的开关稳压电源系统。整个系统由 DC-DC 开关电源子系统，单片机子系统，电压子系统，电压测量子系统等模块组成。报告说明了各子系统的设计方法以及电路参数的选取，硬件的工作原理和软件的编程思想，系统测试结果，使用说明，实验心得，以及对关键问题的详细讨论。：DC-DC，开关电源，单片机ABSTR

2、ACT，模数转换，开环，闭环，双电源This report mainly deals with power supply system with singlechip microsystem controlled and sampled. The whole system consists of DC-DC switch power supply microsystem, singlechip microsystem, , voltage-controlled microsystem, voltage measure microsystem and so on. This report det

3、ails in the design method of every subsystem, hardware principles and software algorithm, along with the result of the test of the system, users instructions, difficulties during the experiment, etc.KEYWORDSDC-DC, Switch Power Supply, Singlechip control, A/D convertor, Open-loop Control, Close-loop

4、Control、double power source block上海交通大学 电子信息与电气址：东川路 800 号编：200240地邮目录1. 概述11.1 编写说明11.2 名词定义11.3 硬件开发环境11.4 软件开发环境21.5 缩略语22. 系统总述32.1 系统组成32.1.1 DC-DC开关电源子系统32.1.2 单片机子系统42.1.3 电压子系统42.1.4 电压检测子系统52.1.5 子系统间的耦合方式52.2 系统的主要功能52.2.1 DC-DC模块52.2.2 开环2.2.3 闭环2.3 单片机系统部分5部分5部分53. DC-DC开关稳压电源模块的设计63.1 主

5、要功能和技术指标63.2 设计原理63.2.1 线性电源63.2.2 开关电源63.2.3 本次采用方案73.3 设计电路图73.3.1TL494简介83.3.2 参数选择9第1页上海交通大学 电子信息与电气3.4 纹波,效率与磁饱和问题103.4.1 开关频率和纹波大小103.4.2 开关频率与效率103.4.3 磁饱和问题113.4.4 提高纹波的性能有几种可能措施：114. 电压模块的硬件设计（开环）124.1 主要功能和系统指标124.2 设计方案124.3 具体模块分析144.3.1 基准电源模块（4.3.2 整形模块（4.3.3 低通滤波模块（：TL431）14：CD4011）14

6、器件：LM741）154.3.4 光电耦合模块154.4 输出电压与占空比174.5 问题讨论174.5.1 Rctl的选择174.5.2 温飘问题175. 电压测量子系统的硬件设计195.1 主要功能195.2 设计指标195.3 设计原理195.4 模块设计195.4.1 电压转换模块195.4.2 基准电压模块206. 高级拓展-双电源并联输出模块216.1 主要功能216.2 设计指标1216.3 设计原理与方案216.3.1 设计思路21第2页上海交通大学 电子信息与电气6.3.2 子系统模块226.3.3 电压模块226.3.4 电压检测模块227. 单片机子系统及软件部分设计24

7、8. 致谢329. 参考文献3310. 附录A系统操作说明书3311. 附录B测试和分析34a) 测试项目和方法1035i.ii. iii.DC-DC降压型开关电源部分35部分35部分35.36开环闭环b)测试的i.ii.测试设备与仪表36测试环境36c)测试结果及分析36DC-DC部分的测试结果36i.ii. iii. iv.12. 附录C13. 附录D功能测试结果36功能测试结果37开环闭环升压型DC-DC部分的测试结果37实验心得38软件程序.40第3页上海交通大学 电子信息与电气1. 概述1.1 编写说明本文旨在介绍、说明本次 “科技创新5 电子系统的综合设计和实践” 课程中设计并实现

8、的带有单片机电路的开关稳压电源系统。报告中详细阐述了整个系统的功能，系统的单片机子系统，DC-DC开关电源子系统，电压子系统，电压测子系统四个模块的原理、主要功能、设计思路、电路图等，以及软件的结构框图等并详细描述了每个模块设计过程中遇到的问题和解决问题的经验。本文适合具有一定电子技术及单片机知识基础的或者参与“科技创新5”课程的设计人员阅读。希望本份报告能对读者有所帮助。1.2 名词定义单片机：包括 CPU（进行运算、）、RAM（数据）、ROM（程序）、输入/输出设备（串行口、并行输出口等）的一块集成电路。单片机小系统：以单片机位，通过晶振、输入输出扩展等使之能够完成逻辑功能的一块电路板系统

9、。七段显示数码管: 用七段 LED 的排列组合显示数字，有共阳极和共阴极两种方式。低通滤波器：滤波器是指在指定频带内，使有效信号通过，同时抑制无用成分的电路。低通滤波器是滤除指定频率以上的频率成分，保留频率在指定频率之下的波形输出的滤波器。PWM 信号：脉冲宽度调制信号。脉冲信号的占空比受到调制的一种信号。占空比:周期信号的一个周期内,高电平信号所占的时间比例。D/A 转换：数模转换，即将一个数字信号转换成一个模拟信号。A/D 转换：模数转换，既将一个模拟信号转换成一个数字信号。开环：输出对输入不产生反馈作用的工作方式。闭环：输出对输入施加反馈作用的工作方式，在此方式下，可以使系统输出更稳定。

10、纹波：输出端呈现的与输入频率及开关变换频率同步的分量，用峰峰值Vp-p表示。双电源：两个DC-DC电源并联输出，为同一负载供电，提高功率输出。1.3 硬件开发环境稳压电源，信号发生器，Q表电烙铁，吸焊器，镊子，焊锡等焊接工具。示波器，万用表等测试设备第1页上海交通大学 电子信息与电气1.4 软件开发环境MultisimAVR Studio 4 Protel99se1.5 缩略语DC (direct current) 直流PWM（pulse width modulation）脉冲宽度调制，指一定频率的占空比可变方波信号LPF(low pass filter)低通滤波器A(analog)模拟的D(

11、digital)数字的第2页上海交通大学电子信息与电气2. 系统总述2.1 系统组成本系统设计一个开关电源，目标是用按键的方式输出端的电压，使之能在5V-10V 区间的每 0.1V 输出，并且误差要求在±0.05V 以内，能有一定的稳定度。20-30VDC 输入5-10V 可调/ 1ADC 输出A-D变换 耦合DC-DC开关电源子系统电压检测子系统单片机子系统变换 耦合LPF电系统图 2.1 系统组成示意图1从图 2.1 中可以看出，本实验系统包括降压型与升压型 DC-DC 开关电源两部分，他们分别由开关电源模块、电压（D /A 转换模块）、电压反馈（A/D 转换模块）与单片机小系统

12、四个子系统模块组成，其中电压、电压测量与单片机子系统根据相同的原理。四个子系统模块关系如图 2.1 所示，单片机通过（扁平电缆输出 PWM 波，经电压子系统处理，通过光电耦合器件4n25开关电源的输出电压）；电压测量子系统同样通过（4n25 与开关电源子系统连接，它对输出电压进行采样并处理后经扁平电缆反馈给单片机）。2.1.1 DC-DC 开关电源子系统第3页上海交通大学 电子信息与电气整形20 30 V DC5 10 V DC储能电感开关三极管VrefRLPWMTL494电位器DC DC 开关电源部分图 2.2 DC-DC 开关电源部分结构图（1）本系统是实现开关电源的基本系统。从图 2.2

13、 可以知道整个系统输入不稳定的 20V-30V 的直流电压，通过调节滑动变阻器输出稳定的 5V-10V 电压。其大致原理是，系统通过接收电压子系统的不同占空比的 PWM 波形，开关三极管在一个周期中的通断时间，从而给后面连接的电容的充电时间，电容两端电压，把不稳定的电压转换为可控的稳定电压。2.1.2 单片机子系统本系统是开关电源的指挥中心。它可以通过编程发出任意占空比的 PWM 波。它把电压检测子系统送过来的数字信号，经过处理获知当前的输出电压，并与用户的设置值相比较，如果有误差，就通过修改发出的 PWM 波的占空比将误差消除。单片机小系统还提供了用户交互界面。用四个按键作为用户输入，用四个

14、 LED 灯和四个七段数码管共同显示状态。2.1.3 电压子系统单片机小系统信号变换和有源LPF整形PWM电压部分图 2.3 电压系统模型(1)的桥梁。对于单片机提供的一定占空比但幅度相对不稳的 PWM 波，他先本系统是单片机进行整形稳定幅度，然后通过 LPF 转换为直流信号，信号的强度与占空比成正比，再把这个信号接入 DC-DC 开关电源模块，完成对输出电压的。该子系统由整形、有源低通滤波、信号换与基准电源 4 个电路模块组成。变第4页上海交通大学 电子信息与电气2.1.4 电压检测子系统单片机小系统C = g(Vo)8位编码CAD关键器件：ADC0804信号变换和VO关键器件：4N25图

15、2.4电压检测部分结构图(1)本系统是单片机的信使。它将输出电压转换为数字信号，并将它传给单片机作分析。首先对负载电阻 RL 上电阻采样,然后光耦到 A/D 对采样电压进行编码,最后读到单片机中。事实上，它就是一个简单的 A/D 转换模块。2.1.5 子系统间的耦合方式由图 2.1 注意到，DC-DC 开关电源与电压、电压检测模块之间是使用光耦耦合的，这是一个用电流电流的元件，实现了电气，降低了个系统之间的相互影响。2.2 系统的主要功能2.2.1 DC-DC 模块输入为 20V-30V 的直流电压，可通过手动调节电阻值来实现 5V-10V 可调稳定电压输出，要求输出纹波在 0.1V 以内，效

16、率在 65%以上。本系统是通过检查负载 RL 上的电压来检查各项性能指标。2.2.2 开环部分可以将单片机输出的PWM波转换成直流电压、因此系统必须为线性时不变系统，所以我们必须提供良好的稳压源。而稳压源的特性也直接决定了系统性能指标2.2.3 闭环部分可将5V-10V负载电阻电压转换成0-255的AD值，并且能够将数据通过数据线输入到单片机中。系统性能主要由ADC0804的转换精度和转换速率决定。2.3 单片机系统部分能够输出 PWM 占空比可调脉冲实现开环，并且也可以实现闭环提高精度和对环境改变的适应程度。并且可以用液晶数码管显示目前的状态。第5页上海交通大学 电子信息与电气3. DC-D

17、C 开关稳压电源模块的设计3.1 主要功能和技术指标主要功能：DCDC 降压型开关电源子系统是整个电路的部分之一，其主要功能是将不稳定的 20V30V 输入电压转换为 5V10V 稳定的可调输出电压。技术指标（2）：表 3-1 降压型 DC-DC 开关电源子系统设计指标（2）3.2 设计原理目前市场上主流电源为开关电源和线性电源，首先介绍一下两种电源模式。3.2.1 线性电源线性电源实际上是在可控硅电源的输出端再串一只大功率三极管（实际是多只并联），电路只要输出一个小电流到三极管的基极就能三极管的输出大电流，使得电源系统在可控硅电源的基础上又稳压一次，因而这种线性稳压电源的稳压性能要优于开关电

18、源1-3个数量级。但功率三极管（亦称调整管）上一般要占用10伏电压，每输出1安培电流就要在电源内部多消耗10瓦功率， 例如500V 5A电源在功率管上的损耗为50瓦，占输出总功率的2%，因而线性电源的效率要比可开关电源稍低。3.2.2 开关电源开关电源的调整管工作在饱和和截至状态，因而发热量小，效率高（75以上）而且省掉了大体积的变压器。但开关电源输出的直流上面会叠加较大的纹波（50mV at 5V output typical），在输出端并接稳压二极管可以，另外由于开关管工作是会产生很大的尖峰脉冲干扰，也需要在第6页上海交通大学 电子信息与电气项目指标输入直流电压20V30V输出直流电压5V

19、10V额定输出电流1A限流值1.1A电压调整率<0.5 %电流调整率1%输出电压纹波100mVp-p效率65%截止电流值1.2A电路中串连磁珠加以。开关电源有如下优点：（1）功耗小（2）稳压范围宽（3）体积小，重量轻（4）安全可靠3.2.3 本次采用方案本次实验我们采用的是开关电源因为同线性DC-DC 变换器比较，开关型的稳压器有着更高的效率。由于工作在开关状态，当电路处于开状态时，有电流流过，但是电压较低；当处于关状态时，电压较高但是电流很小，通过电感的续流作用达到输出直流电压的目的。由此可知，通过开关，电路的消耗功率会减小，也就同时提高了电源的效率。由于开关的时间可以较方便的调节，开

20、关型DC-DC 变换器在要求一定输出电压和功率的时候，输入电压范围可以有较大的浮动，而造成效率的大幅度下降，这是线性电源所做不到的。开关电源的原理如图2-3所示，TL494产生脉冲宽度调制信号（PWM），加在开关三极管基极上，开关三极管的导通与否。PWM信号的占空比和频率由TL494及其电路。当开关三极管导通时，加在负载上的电压逐渐增大；当开关三极管截止时，L开始放电，使负载上的电压逐渐地减小。要想使得负载上的电压基本保持不变，只需使得以上过程的频率非常高，使得负载上的电压增大和减小都在较小的范围内，产生很小的纹波。3.3 设计电路图DC-DC 部分的电路图见图 3.1图 3.1DC-DC 的

21、开关电源子系统原理图1其中设计参数如表3-2所示：第7页上海交通大学 电子信息与电气表3-2降压型开关子系统元件参数表元件元件参数元件元件参数元件元件参数元件元件参数C1 C2 C3C4C5100F0.1F1000pF470F100FR1 R2 R3R4R51505147k1M6.8kR6 R7 R8R9R105.1k6.8k5.1k1200.1R11 R12 R13R14RL5.1k022k5.1k01k103.3.1TL494 简介TL494是脉冲宽度调制波的电路。对输出脉冲的调制由信号与振荡器产生的锯齿波的比较来完成。当锯齿波的电压比电压信号的电压高时，能够正常输出。信号由主要由误差放大

22、器产生。图3.2TL494的管脚图TL494的管脚图见图3.2。各管脚定义见表3-3：表3-3TL494管脚定义第8页上海交通大学 电子信息与电气管脚功能1、2 脚误差放大器 I 的同相和反相输入端3 脚相位校正和增益4 脚死区时间端，当 4 脚对地电位为零时，输出脉冲的死区时间的占空比固定为 3%5、6 脚分别用于外接振荡电阻和振荡电容，可产生锯齿波自激振荡7 脚接地端8、9 脚和 11、10 脚分别为 TL494 内部两个末级输出三极管集电极和发射极12 脚电源供电端13 脚输出端，该脚接地时为并联单端输出方式，输出晶体管同时导通或截止，接14 脚时为推挽输出方式，输出晶体管交替导通14

23、脚5V 基准电压输出端，最大输出电流 10mA，除误差放大器外所有片内电路均由它供电；15、1 脚误差放大器 II 的反相和同相输入端图 3.3 TL494 的内部结构图3.3说明了本实验TL494的工作原理。对误差放大器I的利用是关键。此放大器的作用是将从Vout分压得到的电压与参考2.5V电压作比较，把比较的结果送入PWM比较器作脉宽调制。比较的结果误差放大器I的输出端产生了类似PWM的信号，如图3-3，此信号经过后级电容的作用变为了类似三角波的信号，将它与RT与CT谐振产生的标准三角波比较，形成了一定占空比的PWM型号，从11脚输出作为TIP42的基极信号，达到打开时间的作用。放大器的同

24、相端的输入电压来自于对Vout的分压，分压电阻采用变阻器串联固定电阻的形式。电阻R4引入负反馈，为使放大器能稳定工作，在R4两端并接RC网络，以补偿系统的相移和频响特性。3.3.2 参数选择通过以上的介绍，我们对已经有了了解，下面说明一下主要的电路参数设计。3.3.2.1C3 和 R7 的选择C3、R7 用于用于确定 TL494 内部振荡器的频率。将振荡频率 fosc 设定在 100200KHz。当 R7=6.8K,C7=1000pF 时f osc = 1.1/(C3 g R7) =162KHz3.3.2.2R4,R5 的选择如图3-1所示，R4是TL494 2、3端接的反馈电阻，与R5一起确

25、定误差放大器的增益。取R4=1M, R5=6.8K,这时反馈增益为： 增益=R4/R5=1M/6.8K=1473.3.2.3R6,R9,R15 的选择第9页上海交通大学 电子信息与电气这三个电阻主要用于限流保护,其具体的取值可参见 TL494 datasheet（4）3.3.2.4R1,R2 的选择这两个电阻主要决定开关三极管 TIP42 的导通,由TIP42 datasheet（10）可以算出 R1，R2 值,具体算法在此不详细给出。3.4 纹波,效率与磁饱和问题本节详细讲述开关频率、纹波、效率相关问题的讨论。3.4.1 开关频率和纹波大小图 3.4 开关频率与纹波关系从中可以看出开关频率越

26、高，纹波越小。3.4.2 开关频率与效率图 3.5 开关频率与效率关系第10页上海交通大学 电子信息与电气从中可以看出频率越高，效率越低。3.4.3 磁饱和问题图 3-6 纹波的噪声和磁饱和问题图示1由于储能电感有漏感，在三极管开关切换瞬间产生涡流，所以产生了噪声现象，其波形如图 3- 6 左图所示；在电感匝数 N 很大时，由于磁场强度 B 达到磁滞回线的极限，导致了磁饱和现象，其波形如尖帽状，如图 3-6 右图所示。减小磁饱和的方法：1. 可适当减小N2. E型/I型磁芯间加气隙（垫纸片）3.4.4 提高纹波的性能有几种可能措施：1234增大储能电感值：受工艺条件限制增大开关频率：受TL49

27、4性能限制；会降低效率减小开关管饱和导通深度：会较明显降低效率增大滤波电容C5值第11页上海交通大学 电子信息与电气4. 电压模块的硬件设计（开环）4.1 主要功能和系统指标本子系统读入单片机子系统产生的PWM信号，经过变换耦合至DCDC降压型开关电源子系统和DCDC升压型开关电源子系统，实现通过单片机开环开关电源子系统输出电压的功能。系统指标：输入PWM信号：TTL信号，占空比为0100输出耦合信号：要求使工作点大部分在非线性光耦的正常工作区，而非截止区或饱和区。在输入为30.0V±0.1V 时，输出电压精度±0.05V。4.2 设计方案子系统包含四个模块：基准电源模块，

28、PWM整形模块，有源低通滤波模块，光耦模块。框图如图4-1所示。图4.1 电压子系统系统框图1图4.2 电压子系统的模块结构框图1第12页上海交通大学 电子信息与电气电路图1图 4-3 开环元件参数如表 4-1 所示:表 4-1 电压子系统元件参数列表元件元件参数元件元件参数元件元件参数元件元件参数R1 R2 R3R410 k20 k51 10 kR5 R6 R7R815 k30 k30 k100 kR9R10100 k1.8 kC1 C2C31F 1F30 pF第13页上海交通大学 电子信息与电气4.3 具体模块分析4.3.1 基准电源模块（：TL431）6图 4.4 TL431 典型应用电

29、路R1=10k R2=15k实际电路参数：R=514.3.2 整形模块（：CD4011）基准电源电路产生稳定的4V电压，供给4011与非门；由单片机输出的PWM信号经过4011后，信号反向，高电平为稳定的4V。6图4.5 整形模块设计框图7图4.6 CD4011内部结构图及管脚定义第14页上海交通大学 电子信息与电气4.3.3 低通滤波模块（器件：LM741）4.3.3.1 有源低通滤波器如图 4.7 所示。适当选取电容和电阻值，可将除直流外的大部分信号滤去。6图4.7 有源低通滤波器电路图取C1C20.1F R1R2100K则截止频率为 f 15Hz ，可以滤去除直流外的大部分信号c4 3

30、3 28LM741 管脚定义8图4.8LM741内部结构及管脚定义图LM741集成运算放大器内部结构及管脚定义如图4.8所示。在本模块中，工作在双电源模式。V 为正电源，接5V。CCV 为负电源，接5V。EE4.3.4 光电耦合模块4.3.4.1 设计方案第15页上海交通大学 电子信息与电气图4.9耦合模块电路图经调试，实际电路中取Rctl1.8K。4.3.4.2非线性光耦 4N25 内部结构及管脚定义4N25的内部结构如图4.8所示。9图4.104N25内部结构图管脚定义为：123456ANODE： 阳极CATHNODE：阴极NC：无连接EMITTER：发射级COLLECTOR：集电级BAS

31、E：基极第16页上海交通大学 电子信息与电气4.4 输出电压与占空比表 4-2 电压模块输出电压与占空比关系4.5 问题讨论4.5.1 Rctl 的选择系统给的理论值原本是Rctl=3.9K，但实际取这个值的时候，我们粗略估计流过二极管的电流为（实测运放输出电压大概为3V左右，二极管导通电压为1V）：I=（3-1）/3.9K < 1m A无法驱动光耦.所以我们把Rctl=1.8K.这时正好光耦可以工作.实验时发现光耦最开始不工作,无论占空比怎么变化DC-DC板上的电压都变,而这时我们想到了测量光耦输出级上三极管的电压.发现VB>VC，VB=VE+0.7。这时我们知道三极管一直在饱和

32、区,没工作在放大区.而调整Rctl后,我们使三极管工作在放大区,效果良好,可调范围在4.2V-11.4V。4.5.2 温飘问题由于光耦是非线性元件并且和温度相干性很大,所以我们第一次做好开环之后以为以后就都精准了,但是第二次去时发现测量值变化了大概能有-0.2V+0.2V,一下是我们总结的一些可以在实验第17页上海交通大学 电子信息与电气输出电压/V占空比/%输出电压/V占空比/%输出电压/V占空比/%523.959726.734.163428.445.273525.124.57166.834.79828.545.980015.225.148396.935.417728.646.709395.

33、325.77707736.044868.747.394525.426.35087.136.673538.848.157475.526.950487.237.282378.948.891435.627.542537.337.92782949.668125.728.128487.438.559559.150.463115.828.75417.539.211119.251.279475.929.338527.639.845889.352.07446629.922947.740.483719.452.927446.130.508897.841.164269.553.73776.231.11627.94

34、1.857029.654.62736.331.69757842.543689.755.519956.432.314038.143.157099.856.435496.532.898458.243.857489.957.387666.633.505768.344.545661058.31693中用到的经验(a) 将DC-DC上R12和R14那两个滑动变阻器固定好,我们组采用的是用过程中晃动使R12和R14变化.胶缠住,防止由于搬运(b) 每次测量值前让其预热10分钟左右,这时光耦稳定在其工作温度,这时温度系数的影响就太大.第18页上海交通大学 电子信息与电气5. 电压测量子系统的硬件设计5.1

35、主要功能对 DC-DC 的输出电压进行采样，采样得到的电压进行处理后再通过 A/D 转换就能得到二进制代码，单片机则根据到的数据与预制值比较进行相应的操作。5.2 设计指标在输入为30.0V±0.1V 时，输出电压精度0.05V调偏R14，输出电压仍可回到原值。（精度0.05V）5.3 设计原理子模块结构框图如图 5.1 所示，通过电压值转化为-2.5-+2.5V 之间的电压。转换模块与基准电压模块将 DC-DC 模块输出电压ATmega16+A/D 转换差分通道输入出电压05V电压转换模块510V2.5V基准电压模块-图 5.1 电压测量子系统功能框图图25.4 模块设计5.4.1

36、 电压转换模块以 LM741 为5.2。搭建减法器电路，将输入电压减去 5V 变成 0-5V 之间。电路图以及参数见图第19页上海交通大学 电子信息与电气图 5.2 电压转换模块电路图5.4.2 基准电压模块仍以 TL431 为搭建，首先生成 4V 的稳定电压，再通过电阻分出 2.5V 的电压作为差分输入的参考电压输入单片机，这样就将DC-DC 模块输出510V 的电压转换成了-2.5+2.5V 的电压信号。第20页上海交通大学 电子信息与电气6. 高级拓展-双电源并联输出模块6.1 主要功能本系统将实现两个DC-DC电源模块的并联、均流输出。6.2 设计指标1输入直流电压：20V30V输出直

37、流电压：5V10V单模块额定输出电流：1A单模块限流值：1.1A偏差：±0.5V并联输出电压（ | 最大 最小 |模块间输出电流偏差：<20%/ 平均）6.3 设计原理与方案图6.1 双电源系统结构图1子系统比以前多了3个模块,ADC0809检测模块、电压为了设计方便，整个系统全部共地。新系统如图6.1所示。模块(和以前一样)、DC-DC转换模块.6.3.1 设计思路当两个电源模块进行并联输出时，最重要的问题就是防止其中一个电源对另外一个电源进行“倒灌”。为此需要用单片机时刻监视本电源的情况，并对PWM信号的占空比进行不断微调，以使两个电源模块的输出电流几近相等。第21页上海交

38、通大学 电子信息与电气6.3.2 子系统模块图6.2 改动后的DC-DC开关电源原理图1 与基础部分设计功能相同，并作以下改动：(a)在负载电阻两端并联一个假负载电阻，以防止当本级无电流输出时，电感线路停止振荡。(b)将负载电阻串联一个肖特基二极管，以防止双电源工作时，一个电源电流倒流。(c)这时是分三部分采样：负载RL上的电压、DC-DC板1的采样电阻上的电压、DC-DC板2的采样电阻上的电压。6.3.3 电压模块该部分电路仍采用初阶部分的模块，详见报告 4.3，这里不再赘述。6.3.4 电压检测模块电压电流信号调理部分方案如图 6.3 所示图 6.3 电压、电流信号调理部分1电压调理模块分

39、为两个基本模块，一个负责负载电压的转换，另一个检测两个电源输出电流。其中负载电压的转换模块与之前单电源模块电压检测模块相同，高阶拓展主要对电流第22页上海交通大学 电子信息与电气测量模块进行设计。本组的设计思路如下，考虑到系统的电流信号实际上是限流电阻上的压降，因为限流电阻本身比较小且存在着误差，所以两组电源的电流不可能实现很精确的均流，同时，我们只关心两组电源电流的相对大小，而不需要知道两组电流的绝对值，因此我们尝试使用运放搭建简单的减法器电路，将两组电压做差的同时放大 10 倍输入到 AD 模块，提供单片机的参数。因此整个电流测量模块就被简化成一个运放与少许电阻的搭配。图6.4 是相关的电

40、路图和参数。图 6.4 电流检测模块电路图由 6.4 可得 Uout=100/10x(Vin2-Vin1)=10x(Vin2-Vin1)。经测量，在一个输入接地的情况下，剩下的那一段都能达到 10 倍率的增益。6.4 遇到的问题与解决方案在制作过程中主要碰到了下面的几个问题，有的采取措施解决了，有的由于时间关系还没有能够很好的解决，现陈列如下：1）首先是电流检测模块需要精度比较高的电阻，试验室的 5%误差电阻比较难满足要求，在尝试了几种组合之后，将其中的 R4 换成了滑变电阻，通过调节 R4 能够在一定范围内满足精度要求。2）电流检测模块遇到的另一个问题就是其线形度不是非常理想，例如手动输入两

41、个相等的电压，则输出会跟输入电压的绝对值有关，在其他三个电阻阻值都很精确的情况下，当输入为 100mV时调节 R4 使输出为 0，则当输入电压变为 200mV 时输出就不为 0 了。但是偏差比较小，尤其是在10 倍的倍率下这样的偏差就相当于输入差了 12mV 左右，属于可以接受的范围。第23页上海交通大学 电子信息与电气7. 单片机子系统及软件部分设计7.1 单片机子系统的概述7.1.1 单片机概述本单片机小系统板为一单元实验板，使用一颗基于 AVR 构架的 ATmega16 单片机。ATmega16 有 16KB 的程序 空间，1KB 内部 SRAM，512B 内置 EEPROM。外部共有

42、32 个 GPIO，一路USART，一路主从 SPI，一路 I2C，两个 8 位定时器，一个 16 位定时器，4 通道 PWM 输出，8 路10 位 AD 输入。还有各种丰富的管脚中断和不同的时钟可供使用。图 7.1 Block diagram of ATmega167第24页上海交通大学 电子信息与电气7.1.2 硬件说明1 本单片机小系统板的电源输入电压为 DC 2.7-5V，科创课程实验建议使用 DC 5V。2 小系统板上的 P1 为口，可供程序烧录、eeprom 数据读写、熔断丝设置。3 小系统板上的接插件 PB、PC、PD 分别对应 ATmega16引脚的 PB、PC、PD 口。PB

43、、PC、PD口是八位数据端口，可作为通用 IO 口，也可用作第二功能使用，具体请参见 datasheet 的相关部分。4 小系统板上的接插件 PA 的 1-5 脚分别连接 ATmega16PA 口的 PA0-PA4，PA0-PA4 是 AD 转换的模拟电压输入端口，也可作为通用 IO 口使用。5 小系统板上的接插件 PA 的 9 脚连接 ATmega16的 Vref ，10 脚接地。ATmega16 有一个标称值为 2.56V 的内部基准源，每颗的实际值会有所不同。6 ATmega16PA 口的 PA5-PA7 作为串行数据输出到小系统板上的 74HC595 上，有二片 74HC595 驱动

44、4 位数码管和 4 个 LED 灯。小系统板上的 P2 作为串行数据输出总线，可级联 74HC595。7 小系统板上的四个按钮 SW1-4 分别连接在 ATmega16PC4-7。按钮 RST 为复位键。图 7.2 FAST PWM MODE, TIMING DIAGRAM7第25页上海交通大学 电子信息与电气7.2 软件总体结构和功能7.2.1 软件结构框图图 7.3 软件结构框图7.2.1.1 功能说明（1）进行模式的设定和切换（2）对用户按键操作的处理（3）根据计算的定时器 0 初值改变 PWM 占空比（4）每隔大约 4×5ms 对 4 个数码管进行一次扫描（5）主函数循环对各

45、参数的初始化第26页上海交通大学 电子信息与电气7.2.1.2 软件功能模块列表a)宏定义模块b)主程序模块c)定时中断 0d)开环模式e)闭环模式7.2.2 重要的全局变量V_T1s：1s 软件定时器溢出值output_sel：数码管位和指示灯显示数据变量; output_8seg：数码管段显示数据变量; clock1s：1s 软件定时器计数; clock1s_flag：1s 软件定时器溢出标志; Mode：开闭环切换标志，开环时等于 1。PWM1：计数器比较寄存器暂存值，用于闭环部分计数器比较值的确定led1,led2,led3,led4：指示灯驱动信号输出缓存;digi_scaner：数

46、码管扫描驱动指针; test_counter：测试用计数器;volatile digi4：测试用计数值十进制表示;pwmtab51：不压值对应的计数值值utab51：不Vout50：压通过电压检测板后在单片机中 AD 的标定值，通过标定可以增大闭环精度每次时钟中断从 PA1 端口读到的闭环电压值u_ptr = 0：utab 的指针dt50：每次时钟中断从 PA1 端口读到的电源 1 电压值d_ptr ：dt 的指针7.2.3 <宏定义模块>描述7.2.3.1 功能描述在这个模块里，通过宏定义的形式定义定时器 0 的初值，设定中断程序发生的周期，以及数码管扫描周期 5ms 所包含的中

47、断周期个数和数码管段驱动寄存器地址、数码管位驱动寄存器地址。第27页上海交通大学 电子信息与电气7.2.4 <主程序模块>描述7.2.4.1 功能描述1、 初始化单片机参数2、 在中断未发生的空闲时间中主循环不断运行3、 根据当前 Mode 是否为 1 确定计数值为预先设定值或是动态调节值4、 根据当前模式每次循环计算一次数码显示数组的值5、 数字滤波器的实现7.2.4.2 按键模块描述（1）按键功能描述KEY1 电压值加 0.1，KEY2 电压值减 0.1，KEY3 切换开闭环模式7.2.4.3 数码管显示模块首先用 digt数组分别各个数码管所要显示的数值，用 digi_sca

48、ner 扫描各个数码管，并用 output_sel对应数码管的地址，然后调用 unsigned char NUMTOSEG7(unsigned char DATA)函数显示对应的值。最后程序中只显示了设置电压，第一位显示开闭环状态，1为开环，0为闭环。后三位显示电压值，从 5.0V 到 10.0V。调用函数说明调用的函数：unsigned char NUMTOSEG7(unsigned char DATA)功能：用于数码显示，将字符型数据 DATA 转化成数码显示的二进制代码。输入项：DATA 为通过计算得到的要显示的数据，由 digi储存，在主函数中 digi1、digi2和digi3通过计

49、算得到。输出项：输出译码得到的二进制代码给数码管段驱动寄存器，用作数码管的输入。7.2.4.4 数字滤波器实现模块输入电压上叠加有随机干扰，ADC 自有随机误差，这些随机干扰误差是均值为零的、平稳的、各态遍历的随机过程，对足够多个采样值取平均，随机误差的均值会趋近于零。用软件的方法构造一个数字滤波器，用程序设计一个环形队列，50 次的样值的同时产生 50 次计算结果。第28页上海交通大学 电子信息与电气图 7-5 数字低通滤波器原理图17.2.5 <定时中断>描述7.2.5.1 功能描述1、 用于输出对应占空比的 PWM 波2、 AD 转换的开启和数据的。7.2.5.2 PWM 波

50、输出实现我们组采用模式 14 输出 PWM 波，使其从 0x00 开始到 0xFFFF 结束，变量为 OCR1A 和OCR1B 分别两个输出波的占空比。最终得到的 OCR1A / 0xFFFF 或 OCR1B/ 0xFFFF 即为占空比。通过调整 OCR1B 与 OCR1A 来输出的波形，最终电压源。7.2.5.3 AD 转换的开启和数据的当 ADSC 赋值为 1 时开启 AD 转换。通过loop_until_bit_is_clear(ADCSRA, ADSC)来在数组 Vout或者 dt中。转换是否结束，结束后AD 转换的数据并7.2.6 <开环模式>描述7.2.6.1 功能描述

51、该模块用于实现开环的主要功能。输入一定的电压值，通过程序设置相应的占空比，从而使系统输出相应的电压。7.2.6.2 开环模式的实现方法通过 PC5、PC6、PC7 三个按键改变我们需要的电压值，从两个数组中分别和 OCR1B 值，然后输出对应占空比的波形。对应的 OCR1A第29页上海交通大学 电子信息与电气7.2.7 <闭环模式>描述7.2.7.1 功能描述该模块用于实现闭环的功能。通过采样 DC-DC 输出端反馈回来的电压与用户输入的电压进行比较逼近，不断调整占空比，最终使输出电压与用户要求的值相同。7.2.7.2 闭环实现方法利用 AD 转换，将输出电压返回到单片机中，程序中用数组 utab各个标准电压返回的值，然