【正文】 滑動(dòng)平均的示意圖如圖 所示。在普通模式下， A/D 轉(zhuǎn)換的轉(zhuǎn)換時(shí)間為 13 個(gè)時(shí)鐘周期，時(shí)鐘頻率為 8MHz。首先對(duì)輸出電壓進(jìn)行采樣，將采樣值與設(shè)定值之間進(jìn)行比較，根據(jù)兩者的差不斷調(diào)整占空比，直到兩者相等，或誤差小于一定的范圍。同樣，按鍵 2 的作用是電壓 ，當(dāng) voltage 為 49 時(shí)，賦值為 101；為了加大電壓的變化跨度，方便操作，按鍵 3 的作用是電壓 +1V，當(dāng) voltage 大于 91 時(shí)， voltage=voltage40； 3. 改變占空比 程序中，改變占空比可以通過修改定時(shí) 器 /計(jì)數(shù)器 1 的寄存器 OCR1A 實(shí)現(xiàn)。按鍵 1~3 的作用為改變?cè)O(shè)定電壓，從而改變 PWM信號(hào)的占空比；按鍵 4 為開 /閉環(huán)切換按鍵，按下后通過改變開閉環(huán) 切換標(biāo)志變量，實(shí)現(xiàn)開 /閉環(huán)控制的轉(zhuǎn)換。每次執(zhí)行時(shí)，都檢測(cè)按鍵是否按下，如果按下，則計(jì)數(shù)值key_count 加 1，直到檢測(cè)到按鍵松開。 變量描述 開環(huán)控制程序中用到的主要變量如表 所示。 算法描述 主程序的算法較為簡單，在進(jìn)行初始化完畢后，將 voltage 的千位、百位、十位、個(gè)位分別送給 digi[3]~digi[0]即可。另外，中斷程序每次還對(duì) 1 位數(shù)碼管進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，不斷循環(huán)，多次中斷執(zhí)行后就能在數(shù)碼管上掃描出完整的信息。接著，在主程序的循環(huán)中，不斷對(duì)送入數(shù)碼管顯示的值進(jìn)行更新。 算法流程圖 算法流程圖共分為主程序和中斷服務(wù)子程序兩部分。開環(huán)控制主要根據(jù)已知的電壓 占空比關(guān)系，通過改變單片機(jī)輸出的 PWM 信號(hào)的占空比實(shí)現(xiàn)對(duì) DCDC 開關(guān)電源輸出電壓的控制。 按鍵及數(shù)碼管顯示器 ATmega16 還提供了 4 位七段數(shù)碼管顯示器， 4 個(gè)輸入按鍵以及 1 個(gè)重置按鍵。同樣，當(dāng)計(jì)數(shù)器計(jì)到 TOP 或 OCR1x 時(shí)，用戶可通過中斷標(biāo)志位產(chǎn)生中斷。 以定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器 1（ 16 位）為例，在此模式下，計(jì)數(shù)器從 BOTTOM 值計(jì)數(shù)到 TOP 值，然后立即回到 BOTTOM 重新開始。 1. 普通模式 以定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器 0（ 8 位）為例，在此模式下計(jì)數(shù)器不斷累加，當(dāng)達(dá)到 8 位的最大值（ TOP=OxFF）后，計(jì)數(shù)值溢出，并從最小值 Ox00 開始重新計(jì)數(shù)。數(shù)據(jù)寄存器和數(shù)據(jù)方向寄存器為讀 /寫寄存器，端口輸入引腳為只讀寄存器。例如，我們小組在 11 月月底就完成了開環(huán)控制部分 并通過了期中檢測(cè) ，當(dāng)時(shí)的氣溫是 1015 ，最后的期末檢測(cè)是在 12 月月底，氣溫在 35 左右， 我們?cè)谄谀z測(cè)前發(fā)現(xiàn)開環(huán)控制時(shí)單片機(jī)顯示的數(shù)值和實(shí)際輸出的電壓值相差較大，我們不得不修改代碼來使兩者數(shù)值上相同。 因此，本實(shí)驗(yàn)中用 SallenKey 二階低通濾波器是合理的。 其次，由于濾波器阻帶衰減在 60dB 左右，因此一階濾波器不在選擇范圍之內(nèi)；另一方面二階以上的濾波器實(shí)現(xiàn)難度較大，而且通頻帶變窄。下面討論低通濾波器的衰減量。一個(gè)是低通濾波器的選擇，另一個(gè)是光耦 溫漂的問題。 Rctl 如果選的太小， 4n25 元件中的二極管電流過大，容易燒壞；如果 Rctl 太大， DCDC 開關(guān)穩(wěn)壓 電源 模塊 的輸出的可調(diào)范圍 達(dá) 不 到 510V。 根據(jù) 4n25 的 Datasheet，此時(shí)輸出端有一定電流輸出，此時(shí)從輸出端看進(jìn)去相當(dāng)于一個(gè)隨著輸入端電流改變而改變阻值的等效電阻。 其原理電路圖與實(shí)際電路圖如圖 和圖 所示。此外，大電阻 R8 與電容 C3 的作用是防止運(yùn)放自激振蕩，因此選擇 R8 = 100 kΩ， C3 = 30pF 。我們選擇 SallenKey 二階低通濾波器的原因見 節(jié)。因此我們選取 R1 = 10 kΩ， R2 = 30 kΩ。CD4011B是一塊與非門電路 芯片 ，當(dāng) VDD一定的時(shí)候，只要輸入的電壓高于芯片的閾值電壓，則輸出 高電平 為穩(wěn)定的 VDD 電壓。 結(jié)合實(shí)驗(yàn)室的實(shí)際條件，我們選取 R4 = 18 kΩ， R5 = 30 kΩ， R3 = 100 Ω 。 圖 5 . 1 電壓控制模塊電路圖 第 17 頁 上海交通大學(xué) 電子信息與電氣工程學(xué)院 子模塊設(shè)計(jì) 穩(wěn)壓 子 模塊 穩(wěn)壓子模塊的主要功能是為波形整形子模塊中的 CD4011B 芯片提供一個(gè)穩(wěn)定的 4V的直流電壓。有源濾波器輸出阻抗小，可以增加帶負(fù)載能力，可以提供一定的增益。所以要經(jīng)過有源低通濾波器濾出 PWM 波中的直流分量。 元件 元件參數(shù) 元件 元件參數(shù) R1 51 kΩ R2 51kΩ R3 100Ω R4 10kΩ R5 15kΩ 第 16 頁 上海交通大學(xué) 電子信息與電氣工程學(xué)院 5. 電壓控制 模塊 的硬件設(shè)計(jì) 系統(tǒng)概述： 此系統(tǒng)的主要功能是實(shí)現(xiàn)單片機(jī)對(duì)電壓輸出的開環(huán)控制，單片機(jī)輸出占空比可調(diào)制的 pwm 波，通過此系統(tǒng)選出其直流分量，通過光耦合器件將電壓傳遞至分壓網(wǎng)絡(luò)的 R12 兩端，從而通過改變占空比的大小來改變 R12兩端的電壓值繼而改變 DC－ DC 開關(guān)電源的輸出。我們選擇的參數(shù)是 R4 = 10 kΩ， R5 = 15 kΩ。結(jié)果用二進(jìn)制補(bǔ)碼表示，從 0x200（十進(jìn)制 512）到 0x1FF（十進(jìn)制 +511）。 TL431 的 三個(gè)引腳分別為參考（ Reference），陽極（ Anode） ,陰極（ Cathode）。 TL431 簡介 第 14 頁 上海交通大學(xué) 電子信息與電氣工程學(xué)院 TL431 是一個(gè)有良好的熱穩(wěn)定性能的三端可調(diào)分流基準(zhǔn)源。為了改善編碼空間的使用效率，用足 10 位 ADC 編碼空間，我們選擇差分輸入的方式。 DCDC 開關(guān)電源子系統(tǒng)的輸出電壓經(jīng)過 4N25 后進(jìn)行信號(hào)變換，得到合適的電壓值 Va， ATmega16 對(duì) Va和參考電壓 Vre f的差值進(jìn)行量化、編碼，單片機(jī)根據(jù)程序?qū)敵稣伎毡冗M(jìn)行微調(diào)，實(shí)現(xiàn)對(duì)于電壓的更精確的控制 . 主要功能和指標(biāo) 電壓檢測(cè)模塊的主要功能是將輸出電壓進(jìn)行變換以及產(chǎn)生一個(gè)穩(wěn)定的參考電壓，并將兩者送入單片機(jī)的 A/D 轉(zhuǎn)換接口。 2. 開關(guān)三極管導(dǎo)通深度 降低開關(guān)三極管的導(dǎo)通深度，會(huì)直接導(dǎo)致開關(guān)三極管的開關(guān)過渡狀態(tài)時(shí)間增加，于是三極管消耗功率會(huì)急劇增大，結(jié)果是效率明顯降低。 4. 增大濾波電容 C5。 6. 參數(shù)一覽表 我們小組 DCDC 開關(guān)穩(wěn)壓電源模塊的參數(shù)選擇總結(jié)如表 所示。因此，我們最終選取 R6 = ， R9 = 120Ω 。 圖 3 . 4 輸出電壓采樣電路圖[ 1 ] 4. 限流保護(hù)電路的參數(shù)選取 限流保護(hù)電路如圖 所示。 輸出電壓 Vout經(jīng) R1 R1 R13和 R14組成的串聯(lián)分壓網(wǎng)絡(luò)后，從誤差放大器 1 同相輸入端輸入，與 Vref經(jīng) R R8 的分壓進(jìn)行比較。適當(dāng)?shù)?增加 RR2 的阻值 可以降低導(dǎo)通三極管的飽和深度，減小紋波幅度及尖刺， 但同時(shí)系統(tǒng)的效率也會(huì)相應(yīng)的下降。而 VA的變化會(huì)改變 PWM 比較器（ PWM Comparator）的判決門限，從而使得 PWM 比較器輸出占空比動(dòng)態(tài)改變的 PWM 波控制開關(guān)三極管 Tip42 的開與關(guān)，使得電感處于不斷的充、放電狀態(tài)之中（相應(yīng)的三極管處于截至與導(dǎo)通狀態(tài)），從而實(shí)現(xiàn)輸出的電壓僅產(chǎn)生幅度很小的紋波而使輸出電壓保持恒定。 （ 7） 推或拉兩種輸出方式。 第 8 頁 上海交通大學(xué) 電子信息與電氣工程學(xué)院 （ 3） 內(nèi)置誤差放大器。 圖 3 . 1 D C DC 開關(guān)穩(wěn)壓電源模塊 P C B 板電路圖 第 7 頁 上海交通大學(xué) 電子信息與電氣工程學(xué)院 TL494 簡介 管腳如下圖所示： 1） 1IN＋：差分放大器 1（ Error Amplifier 1）同向輸入端 2） 1IN－：差分放大器 1（ Error Amplifier 1）反向輸入端 3） FEEDBACK：差分放大器輸出端的反饋信號(hào) 4） DTC：死區(qū)時(shí)間控制（ DeadTime Control Comparator）輸入端口 5） CT： RC 振蕩器（ Oscillator）電容接口 6） RT： RC 振蕩器（ Oscillator）電阻接口 7） GND：接地 8） C1： 1 號(hào)輸出集電極 9） E1： 1 號(hào)輸出發(fā)射級(jí) 10） E2： 2 號(hào)輸出發(fā)射級(jí) 11） C2： 2 號(hào)輸出集電級(jí) 12） Vcc：正極輸入 13） OUTPUT CTRL：輸出控制端 14） REF：基準(zhǔn)電壓輸出 15） 2IN－：差分放大器 2（ Error Amplifier 2）反向輸入端 16） 2IN＋：差分放大器 2（ Error Amplifier 2）同向輸入端 TL494 主要起到輸出 5V 基準(zhǔn)電壓、輸出 PWM 波并根據(jù)采樣得來的電壓與參考電壓得分壓比較后改變輸出 PWM 波的占空比以及限流的作用。 其設(shè)計(jì)指標(biāo)如表 所示。開環(huán)電壓控制中單片機(jī)的主要任務(wù)是計(jì)算設(shè)置電壓對(duì)應(yīng)的占空比，輸出相應(yīng)占空比的 PWM 波。 ATmega16 有 16KB 的程序存儲(chǔ)空間， 1KB 內(nèi)部 SRAM， 512B 內(nèi)置 EEPROM。 圖 2 . 3 電壓檢測(cè)模塊結(jié)構(gòu)示意圖 [ 1 ] 電壓控制模塊 電壓控制 模塊 可以實(shí)現(xiàn)對(duì)單片機(jī)輸出的 PWM 信號(hào)進(jìn)行整形濾波，將具有相應(yīng)占空比的 PWM信號(hào)轉(zhuǎn)化為穩(wěn)定的可變電壓，然后通過光耦合對(duì) DCDC 開關(guān)穩(wěn)壓電源模塊 進(jìn)行控制，從而改變輸出電壓。該模塊以 TL494 作為核心元件，三極管 Tip42 作為開關(guān)元件， 通過開關(guān)元件的通斷產(chǎn)生可調(diào)得 PWM 信號(hào)，然后通過整流輸出穩(wěn)定的直流電壓 。開環(huán)控制的精度為電壓輸出誤差小于 。 2030V 的 DC 輸入和 510V 可調(diào)的 DC 輸出均在 DCDC 開關(guān)穩(wěn)壓電源模塊，輸出電壓經(jīng)過電壓檢測(cè)模塊的變換送入單片機(jī)的 A/D 芯片進(jìn)行轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換過后的數(shù)據(jù)與預(yù)設(shè)值進(jìn)行比較，從而改變單片機(jī)輸出 PWM 波的占空比，單片機(jī)輸出的 PWM 波由電壓控制模塊整形、濾波、變換后反饋給 DCDC 開關(guān)穩(wěn)壓電源模塊，調(diào)整最后的輸出結(jié)果。 本實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)目的是實(shí)現(xiàn)一個(gè)通過單片機(jī)進(jìn)行電壓轉(zhuǎn)換控制，輸入為 20～ 30V，輸出為5～ 10V，具有 177。 過流保護(hù)：設(shè)定系統(tǒng)電流上限，防止功耗過大，導(dǎo)致元件損壞。 占空比：方波信號(hào)一周期內(nèi)高電平時(shí)間與周期的比值。 閉環(huán) 控制系統(tǒng)：基于負(fù)反饋基礎(chǔ)上的，通過誤差檢測(cè)糾正誤差的系統(tǒng)。包括 整個(gè)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成、軟硬件設(shè)計(jì)、系統(tǒng)功能、調(diào)試過程與測(cè)試指標(biāo)，以及 系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思路以及調(diào)試技巧，總結(jié)經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)與心得體會(huì) 等。 關(guān)鍵詞： DCDC 開關(guān)電源 ； TL494； AVR ATmega16 單片機(jī) ； 閉環(huán)控制 ABSTRACT This report mainly introduces design scheme of the implementation of switch mode DCDC power supply by using chip TL494 and the implementation of closedloop control circuit by using MCU AVR ATmega 16. This report includes the basic principle, function and technical targets of hardware and implementation and debugging of software, with photos and experiences we get attached. KEYWORDS Switch mode DCDC power supply。 TL494。 名詞 定義 開關(guān)式穩(wěn)壓電源：采用開關(guān) 三極管控制的直流穩(wěn)壓電源，通過不同的開關(guān)占空比可來控制電壓輸出。 低通濾波器 ：一種處理信號(hào)的系統(tǒng)，只允許信號(hào)的低頻部分通過。 紋波：疊加在直流信號(hào)上的幅度遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于直流分量的交流信號(hào)。 硬件開發(fā)環(huán)境 表 硬件開發(fā)工具 開發(fā)工具 備注 直流穩(wěn)壓電源 為系統(tǒng)供電 數(shù)字萬用表 測(cè)量直流電壓 示波器 測(cè)量紋波 QBG3B高頻 Q 表 測(cè)量電感 電源引線 以 及示波器探頭 導(dǎo)線類 第 2 頁 上海交通大學(xué) 電子信息與電氣工程學(xué)院 Protel 99 SE 查看電路 圖以及印刷板圖 Multisim 10 電路仿真 軟件開發(fā)環(huán)境 開發(fā)工具 運(yùn)行環(huán)境 功能 AVR Studio Windows XP 編輯 C 語言 程序 ，編譯程序并生成*.hex 文件 Microcontroller Isp Software Windows XP 將 *.hex 文件下載到單片機(jī)小系統(tǒng) Microsoft Excel Windows XP 擬合用數(shù)據(jù)記錄及數(shù)據(jù)驗(yàn)證 Origin Windows XP 計(jì)算擬和多項(xiàng)式和繪圖 縮略語 DC(direct current)：直