【正文】 的輸入信號，由 C2 引入的正反饋可以決定對信號的增益。如低通濾波器電路圖所示，對于低頻的輸入信號， C1， C2 可以看作開路，此時信號直接輸入集成運算放大器的正向輸入端，而直接從輸出端輸出。 主要功能和指標(biāo) 單片機(jī)輸出的是數(shù)字信號，需要轉(zhuǎn)化為模擬信號。因此，我們只要測出每一個電壓所對應(yīng)的占空比，在單片機(jī)輸出時，晶體管上顯示電壓值，單片機(jī)輸出相應(yīng)占空比大小的PWM 波即可。 Vref為 標(biāo)準(zhǔn)值，為使輸出 VKA 達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)的 ， ， 實際上 我們?nèi)?R1 = 51 kΩ， R2 = 51 kΩ， R3 阻值不能太大，取 R3 = 100 Ω。 本模塊中利用 TL431 產(chǎn)生一個 所示。 將 510V直流電壓分壓成為 ，只需要兩個阻值相同的電阻串聯(lián)，并將中間抽頭引出即可。我們組選擇 GAIN 為 1，且 VNEG 為 VPOS 變化范圍內(nèi)的中點電壓 （即 ） ，所以 ，于是我們?nèi)?VPOSMAX = 5V， VPOSMIN = ， VNEG = 。 圖 4 . 2 TL 4 3 1 管腳、功能及結(jié)構(gòu)圖[3 ] 外圍電路設(shè)計 根據(jù)單片機(jī)的 Datasheet ， A/D 轉(zhuǎn)換芯片 的轉(zhuǎn)換結(jié)果 ，式中 VPOS為輸入引腳正電壓， VNEG 為輸入引腳負(fù)電壓， GAIN 為選定的增益因子， VREF 為參考電壓（ ）。 Vref是一個內(nèi)部的 ，接在運放的反相輸入端。 圖 所示的是 TL431 的管腳圖、功能結(jié)構(gòu)圖以及實際結(jié)構(gòu)圖。它的輸出電壓用兩個電阻就可以任意地設(shè)置到從 Vref（ ）到 36V范圍內(nèi)的任何值。前者送入單片機(jī) ADC0(V+)管腳，而后者送入單片機(jī) ADC1(V)管腳。電壓檢測模塊電路如圖 所示。 設(shè)計原理及電路圖 根據(jù)單片機(jī)的 Datasheet ， A/D 芯片有兩種方案進(jìn)行 A/D 轉(zhuǎn)換，一種是單端輸入，另一種是差分輸入。其技術(shù)指標(biāo)如下： 輸入電壓范圍： ~。 第 13 頁 上海交通大學(xué) 電子信息與電氣工程學(xué)院 4. 電壓 檢測 模塊 的硬件設(shè)計 原理簡述 電壓測量子系統(tǒng)主要依靠單片機(jī) ATmega16 內(nèi)部的 A/D 轉(zhuǎn)換模塊，將模擬量轉(zhuǎn)化為數(shù)字量，使單片機(jī)以此作為反饋量對開關(guān)電源進(jìn)行閉環(huán)控制。 從上面的討論我們可以看出，對于開關(guān)頻率與開關(guān)三極管的導(dǎo)通深度的調(diào)整，對輸出紋波與效率的影響是相反的，這就需要在輸出紋波的大小與效率的大小之間做一個折中處理。在同樣的輸入功率情況下，模塊內(nèi)部消耗的功率越大意味著輸出的功率越小，這樣效率就越差。 但是，如果一味地追求更小的紋波，就會導(dǎo)致很差的效率。 3. 降低開關(guān)三極管導(dǎo)通深度。 表 DCDC 開關(guān)穩(wěn)壓電源模塊參數(shù)一覽表 元件 參數(shù) 元件 參數(shù) 元件 參數(shù) C1 100uF R4 1MΩ R12 0~22kΩ C2 R5 R13 C3 1000pF R6 R14 0~100Ω C4 470uF R7 RL 10Ω C5 100uF R8 L R1 390Ω R9 120Ω PNP 三極管 Tip42 R2 51Ω R10 二極管 1N5822 R3 47kΩ R11 第 12 頁 上海交通大學(xué) 電子信息與電氣工程學(xué)院 紋波與效率 抑制紋波可以采取的措施盡管 節(jié)有所提到，但是這里還是系統(tǒng)的總結(jié)一下： 1. 增大儲能電感的電感量。最終，我們繞制的儲能電感表測值為 1mH。 5. 電感及電容的選取 第 11 頁 上海交通大學(xué) 電子信息與電氣工程學(xué)院 儲能電感 L 的電感量將直接決定輸出電壓紋波的幅度、波形 ，因此對儲能電感的繞制工藝要求很高。但在實驗中我們發(fā)現(xiàn)， R10的值根本不是 ，而是接近 。 圖 3 . 5 限流保護(hù)電路 若誤差放大器的反相輸入端的 電壓值大于或等于正相輸入端的電壓值時，系統(tǒng)將輸出過流保護(hù) 。 C2 = uF， R3 = 47 kΩ， R4 = 1 MΩ。穩(wěn)定時要求放大器兩輸入端電勢差約等于 0，即有下面等式： 第 10 頁 上海交通大學(xué) 電子信息與電氣工程學(xué)院 此外 ， C2 和 R3 的串聯(lián)支路是為了防止誤差放大器產(chǎn)生自激振蕩， R4 決定誤差放大器的增益倍數(shù)。 3. 輸出電壓采樣電路的參數(shù)選擇 輸出電壓采樣電路如圖 所示。所以 R R2 的阻值需要在調(diào)試中根據(jù)實際情況確定其值，在滿足效率大于 65%的情況下盡量減少紋波毛刺的大小。經(jīng)過老師的指導(dǎo)以及我們小組實際實驗結(jié)果，我們選取 C3 = 1000 pF， R7 = kΩ，此時 2. R R2 的選取 R R2 作為開關(guān)三極管的基極電阻，可以控制開關(guān)三極管的工作狀態(tài)。而輸出電壓的調(diào)節(jié)是通過改變圖 R1 R12 、 R1 R14 組成的電壓采樣的電阻分壓網(wǎng)絡(luò)中的電阻參數(shù)來實現(xiàn)的。誤差放大器 1 將電 壓采樣值與基準(zhǔn)電壓進(jìn)行比較，當(dāng)采樣電壓大于基準(zhǔn)電壓時，誤差放大器的輸出端對 VA 進(jìn)行充電，從而 VA 的電壓不斷升高；當(dāng)采樣電壓小于基準(zhǔn)電壓時， VA 通過恒流源放電，從而 VA 的電壓不斷下降。 TL494 內(nèi)部功能框圖如圖 所示， 其工作原理 如圖 所示。 （ 6） 內(nèi)置功率晶體管可提供 500mA的驅(qū)動能力。 （ 4） 內(nèi)置 5V基準(zhǔn)電壓源。 （ 2） 片內(nèi)置線性鋸齒波振蕩器，外置振蕩元件僅兩個（一個電阻和一個電容）。 TL494 是美國德州儀器公司生產(chǎn) 的電壓驅(qū)動型脈寬調(diào)制器，可在顯示器、計算機(jī)等系統(tǒng)電路中作為開關(guān)電源電路。 本模塊 PCB板電路圖如圖 所示。 表 DCDC 開關(guān)穩(wěn)壓電源模塊設(shè)計指標(biāo) [1] 輸入直流電壓 20V~30V 輸出直流電壓 5V~10V 額定輸出電流 1A 限流值 電壓調(diào)整率 % 電流調(diào)整率 1% 輸出電壓紋波 ?100mVpp 效率 ?65% 截止電流值 設(shè)計原理及 電路圖 本模塊 工作時，由 TL494 輸出一個周期 PWM 波控制開關(guān)三極管的開與關(guān)即導(dǎo)通與截止，當(dāng)開關(guān)三極管基極為低電平時，開關(guān)三極管導(dǎo)通，電源對儲能電感充電，當(dāng)開關(guān)三極管基極為高電平 時，開關(guān)三極管截止，儲能電感 放電，由于 TL494 輸出的是周期 PWM 波，故模塊 不斷地重復(fù)上述過程。 .在此 DCDC 開關(guān) 穩(wěn)壓電源模塊 工作時，可以通過調(diào)節(jié)電阻串聯(lián)的電壓采樣支路上滑動變阻器的大小來調(diào)節(jié)輸出的電壓。閉環(huán)采樣及電壓調(diào)整控制中單片機(jī)完成了兩個任務(wù)，即控制 A/D 芯片 采樣并轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的采樣電壓和根據(jù)采樣電壓調(diào)整占空比實現(xiàn)閉環(huán)控制。 用戶界面功能主要是提供人機(jī)交互的控制功能，數(shù)碼管顯示系統(tǒng)的工作狀態(tài)，按鍵控制電源的工作狀態(tài)、設(shè)置電壓。外部共有 32 個 GPIO，一路 USART，一路主從 SPI，一路 I2C，兩個 8 位定時器，一個 16 位定時器，4 通道 PWM 輸出， 8 路 10 位 AD 輸入。 第 5 頁 上海交通大學(xué) 電子信息與電氣工程學(xué)院 圖 2 . 4 電壓控制模塊結(jié)構(gòu)示意圖 [ 1 ] 單片機(jī)小系統(tǒng) 單片機(jī) 小系統(tǒng) 實現(xiàn)的功能主要是 3 個方面，分別是用戶操作界面、開環(huán)電壓控制、閉環(huán)采樣及電壓調(diào)整控制。該模塊 由整形、有源低通濾波、信號隔離變換 3 個電路模塊組成。該 模塊的結(jié)構(gòu)示意圖如圖 所示 。 該模塊的結(jié)構(gòu)示意圖如圖 所示。 DCDC 開關(guān)穩(wěn)壓電源 模塊 DCDC 開關(guān)穩(wěn)壓電源模塊可以實現(xiàn)將一個不穩(wěn)定輸入的直流電壓（ 20V~30V）轉(zhuǎn)換為一個穩(wěn)定度很高的可調(diào)直流輸出電壓（ 5V~10V）。 第 4 頁 上海交通大學(xué) 電子信息與電氣工程學(xué)院 （ 4）閉環(huán)控制：利用電壓檢測模塊來測量輸出電壓，將其通過 ADC 轉(zhuǎn)換輸入單片機(jī)，單片機(jī)將采樣值與系統(tǒng)設(shè)置作比較，調(diào)整 PWM 信號的占空比，從而實現(xiàn)閉環(huán)控制。 （ 3）開環(huán)控制： 通過單片機(jī)輸出的占空比可調(diào)的 PWM 波來控制輸出電壓，實現(xiàn)開環(huán)控制。 系統(tǒng)的主要功能 本次實驗的系統(tǒng)實現(xiàn)了 降壓型可控開關(guān)式 DCDC 穩(wěn)壓電源 ，系統(tǒng)分成開環(huán)控制 和閉環(huán)控制兩部分，其主要功能和參數(shù)簡述如下： （ 1） 開關(guān)式 DCDC 穩(wěn)壓電 源 ：實現(xiàn)直流 直流變換的穩(wěn)壓電源， 輸入電壓的范圍為 20V~30V，輸出為 5V~10V的穩(wěn)定直流電壓，輸出電壓分辨率為 ，誤差 ?，電壓調(diào)整率 %。系統(tǒng)可分為 DCDC 開關(guān)穩(wěn)壓電源模塊、電壓檢測模塊、電壓控制模塊以及單片機(jī)小系統(tǒng)共 4 個模塊。 。電源的一般功能就是交直流整流，電平轉(zhuǎn)換。 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 測量直流電壓 示波器 測量紋波 QBG3B高頻 Q 表 測量電感 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)驗證 Origin Windows XP 計算擬和多項式和繪圖 縮略語 DC(direct current)：直 流 PWM(PulseWidth Modulation)：脈寬調(diào)制 ADC(analog –digital convert)：模擬 數(shù)字 轉(zhuǎn)換 LPF(lowpass filter)：低通濾波器 RAM (Random Access Memory) ：隨機(jī)存取存儲器 ROM (Read Only Memory) ：只讀存儲器 第 3 頁 上海交通大學(xué) 電子信息與電氣工程學(xué)院 2. 系統(tǒng) 總 述 隨著電子技術(shù)的發(fā)展，各種各樣的電子器件不斷的涌現(xiàn)，而相應(yīng)的對供電的要求也各不相同。 開關(guān)頻率：開關(guān)電源中，開關(guān)管導(dǎo)通的頻率。 紋波：疊加在直流信號上的幅度遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于直流分量的交流信號。 模數(shù)轉(zhuǎn)換：把模擬信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號。 低通濾波器 ：一種處理信號的系統(tǒng)，只允許信號的低頻部分通過。 開環(huán) 控制系統(tǒng)： 系統(tǒng)的輸出量對系統(tǒng)的控制量沒有影響的系統(tǒng)。 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。 closedloop control 第 1 頁 上海交通大學(xué) 電子信息與電氣工程學(xué)院 目 錄 1. 概述 ..............................................................................................................................1 編寫說明 ...............................................................................................................1 名詞定義 ...............................................................................................................1 硬件開發(fā)環(huán)境 .......................................................................................................1 軟件開發(fā)環(huán)境 .......................................................................................................2 縮略語 ...................................................................................................................2 2. 系統(tǒng)總述 ................................................