【正文】 分析。最后還需要對(duì)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行仿真和對(duì)實(shí)物進(jìn)行結(jié)果測(cè)試。但是由于此次設(shè)計(jì)的不同于以往的線性可調(diào)直流穩(wěn)壓電源，需要用單片機(jī)進(jìn)行精確控制，因此需要加入單片機(jī)作為核心控制。若要獲得我們所需的0~30V可調(diào)輸出，首先需要利用變壓器將220V交流電降壓；（2） 經(jīng)過(guò)變壓器降壓得到的交流電然后還需要經(jīng)過(guò)整流來(lái)得到脈動(dòng)直流 設(shè)計(jì)方案 目前，市場(chǎng)上各種直流電源的基本環(huán)節(jié)大致相同，都包括交流電源、交流變壓器、整流電路、濾波穩(wěn)壓電路等。從組成上，本設(shè)計(jì)硬件電路主要由單片機(jī)、變壓器、整流電路、濾波電路、穩(wěn)壓輸出電路、D/A轉(zhuǎn)換電路、顯示電路等組成。數(shù)控電源既能方便輸入，具有較高精度和穩(wěn)定性[]，所有功能由面板上的鍵盤(pán)控制單片機(jī)實(shí)現(xiàn)，給電路實(shí)驗(yàn)帶來(lái)極大的方便,提高了工作效率。本方案電路復(fù)雜，靈活性不高，效率低，不利于系統(tǒng)的擴(kuò)展，對(duì)信號(hào)處理比較困難。此方案電路相對(duì)簡(jiǎn)單，靈活性較高，但由于此次設(shè)計(jì)任務(wù)需要達(dá)到0~30V可調(diào)，最大電流2A，所以對(duì)功率放大電路芯片要求很高，且不太穩(wěn)定。該方案不僅具有電路簡(jiǎn)單，功能拓展靈活方便，輸出穩(wěn)定，故此次設(shè)計(jì)采用該方案。圖21 半波整流電路圖 方案二：采用全波整流電路全波整流電路圖見(jiàn)如圖23所示，全波整流電路中的每個(gè)整流二極管上流過(guò)的電流只是負(fù)載電流的一半，比半波整流小一倍，它所使用的整流器件較半波整流時(shí)多一倍。但是全波整流電路需要特制的變壓器才能正常工作，變壓器二次繞組需要一個(gè)中心抽頭，制作起來(lái)會(huì)比較麻煩。因?yàn)檎鞫O管以四個(gè)連接成電橋形式，所以稱這種整流電路為橋式整流電路。圖23 橋式整流電路圖綜合考慮以上3種方案的優(yōu)缺點(diǎn)，決定采用方案三：橋式整流電路。電感濾波電路帶負(fù)載能力比較好，多用于負(fù)載電流很較大的場(chǎng)合[]。電感濾波電路輸出電壓沒(méi)有電容濾波高。圖24 電感濾波電路 方案二:采用RC濾波電路 RC濾波電路如圖26所示，它是由兩個(gè)電容和一個(gè)電阻組成，又稱π型RC濾波電路。R1和C2越大其濾波效果越好，但R1過(guò)大又會(huì)造成壓降過(guò)大，減小了輸出電壓。圖25 RC濾波電路圖 方案三：采用LC濾波電路LC濾波電路如圖27所示，LC濾波電路是一種與RC濾波電路相對(duì)的濾波電路，此濾波電路的優(yōu)點(diǎn)是綜合了電容濾波電路紋波小和電感濾波電路帶負(fù)載能力強(qiáng)的特性。電容濾波電路簡(jiǎn)單，紋波較小，負(fù)載直流電壓比較高，它適用于負(fù)載電壓較高，負(fù)載變動(dòng)不大的場(chǎng)合，使用電容濾波電路也減輕了電路設(shè)計(jì)工作。圖27 電容濾波電路基于以上的電路對(duì)比分析，選用電容濾波電路。整流濾波電路的輸出電壓和理想直流電源還有一定的差距，主要因?yàn)閮煞矫娴脑颍旱谝?，?dāng)負(fù)載電流發(fā)生變化時(shí)，由于整流濾波電路存在內(nèi)阻，輸出的直流電壓將會(huì)隨之發(fā)生變化；第二，當(dāng)電網(wǎng)電壓有波動(dòng)時(shí)，整流電路的輸出電壓與變壓器副邊電壓有直接的關(guān)系，因此輸出直流電壓也會(huì)發(fā)生變化。利用固定式三端穩(wěn)壓器LM7812和LM7912組裝的電路可對(duì)稱輸出177。圖28 穩(wěn)壓電路. 控制核心方案一:采用各類(lèi)數(shù)字電路來(lái)組成鍵盤(pán)控制系統(tǒng)，進(jìn)行信號(hào)處理，如選用CPLD等可編程邏輯器件。方案二：采用STM32單片機(jī)作為這個(gè)系統(tǒng)的控制單元，可以通過(guò)DAC0832的數(shù)據(jù)采樣和輸出的PWM電壓調(diào)整可以改變系統(tǒng)輸出電壓的大小。顯示的電壓值便是輸出的電壓大小。比較以上兩種方案的優(yōu)缺點(diǎn)，方案一采用中、小規(guī)模器件實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的數(shù)控部分，使用的芯片很多，造成控制電路內(nèi)部接口信號(hào)繁瑣，中間相互關(guān)聯(lián)多，抗干擾能力差。. 顯示部分方案一:使用數(shù)碼管顯示使用多位數(shù)碼管顯示，占用過(guò)多I/O口，顯示不靈活。本方案采用LCD1602，它具有兩行顯示，每行顯示16個(gè)字符，采用單+5V供電，外圍電路簡(jiǎn)單，價(jià)格便宜，具有很高的性價(jià)比。占用過(guò)多的I/O。該系列集成穩(wěn)壓IC型號(hào)中的lm78或lm79后面的數(shù)字代表該三端集成穩(wěn)壓電路的輸出電壓，如lm7805表示輸出電壓為正5V，lm7905表示輸出電壓為負(fù)5V.Lm7805實(shí)物圖如下：圖31 lm7805實(shí)物在實(shí)際應(yīng)用中，應(yīng)在三端集成穩(wěn)壓電路上安裝足夠大的散熱器（當(dāng)然小功率的條件下不用）。，通常采用幾塊三端穩(wěn)壓電路并聯(lián)起來(lái)，但應(yīng)用時(shí)需注意：并聯(lián)使用的集成穩(wěn)壓電路應(yīng)采用同一廠家、同一批號(hào)的產(chǎn)品，以保證參數(shù)的一致。圖32 LM7805電氣特性圖 主控制模塊本設(shè)計(jì)采用STM32為控制核心，如圖3所示。CortexM3。增強(qiáng)型STM32F103系列的系統(tǒng)時(shí)鐘頻率可達(dá)到72MHz，是同類(lèi)中低端產(chǎn)品中性能是屬于最高的一款產(chǎn)品。STM32F103與STM32F101系列都內(nèi)置32K到128K的閃存，所不一樣的是SRAM的最大容量是和外部設(shè)備接口的組合。圖33是STM32F103C8T6的實(shí)物圖。VDDA、VDD_VDD_VDD_3與VSS、VSS_VSS_VSS_3總共8個(gè)電源引腳，包括模擬供電電源。如圖34所示。圖35 圖36 單片機(jī)最小系統(tǒng)包括單片機(jī)芯片、晶振、復(fù)位電路，圖37所示為單片機(jī)的復(fù)位電路，SW1為復(fù)位按鍵，常態(tài)為開(kāi)，當(dāng)按下時(shí)為閉合，R4為10K電阻，上拉電阻的選取沒(méi)有固定的要求，通常選取10K，C5為濾波電容，大小選擇104電容，也就是100nF陶瓷電容，防止復(fù)位按鍵抖動(dòng)，導(dǎo)致系統(tǒng)誤復(fù)位，啟動(dòng)濾除系統(tǒng)脈沖的作用，保護(hù)最小系統(tǒng)的正常工作。圖37通常供電電源都有小幅波動(dòng)，需要通過(guò)使用大電容來(lái)濾除電源抖動(dòng)，圖38的4個(gè)電容是靠近STM32F103C8T6的電源引腳上放的，防止電源引腳有抖動(dòng)信號(hào)的干擾。圖38 為了實(shí)現(xiàn)單片機(jī)的正常工作，就需要為單片機(jī)提供穩(wěn)定的供電電源，這里使用LM1117線性穩(wěn)壓芯片為單片機(jī)提供穩(wěn)定的+，圖39中P6與P7為排針，方便杜邦線的插拔，CC6為+5V電源的輸入濾波電容，穩(wěn)定輸入的+5V電壓，使用100nF濾除高頻干擾，100uF濾除低頻干擾，CC7為輸出濾波電容，穩(wěn)定輸出電壓，使用100nF濾除輸出的高頻干擾，100uF濾除輸出的低頻干擾，為單片機(jī)提供可靠的供電電源。STM32有三種啟動(dòng)模式對(duì)應(yīng)的存儲(chǔ)介質(zhì)均是芯片內(nèi)置的，它們是：1）用戶閃存 = 芯片內(nèi)置的Flash。3）系統(tǒng)存儲(chǔ)器 = 芯片內(nèi)部一塊特定的區(qū)域，芯片出廠時(shí)在這個(gè)區(qū)域預(yù)置了一段Bootloader，就是通常說(shuō)的ISP程序。在每個(gè)STM32的芯片上都有兩個(gè)管腳BOOT0和BOOT1，這兩個(gè)管腳在芯片復(fù)位時(shí)的電平狀態(tài)決定了芯片復(fù)位后從哪個(gè)區(qū)域開(kāi)始執(zhí)行程序，見(jiàn)下表： BOOT1=x BOOT0=0 從用戶閃存啟動(dòng)，這是正常的工作模式。 BOOT1=1 BOOT0=1 從內(nèi)置SRAM啟動(dòng)，這種模式可以用于調(diào)試。多數(shù)情況下SRAM只是在調(diào)試時(shí)使用，也可以做其他一些用途。還可以通過(guò)這種方法解除內(nèi)部Flash的讀寫(xiě)保護(hù)，當(dāng)然解除讀寫(xiě)保護(hù)的同時(shí)Flash的內(nèi)容也被自動(dòng)清除，以防止惡意的軟件拷貝。串口下載的情況下，BOOT0=1，BOOT1=0 ，再?gòu)?fù)位，點(diǎn)擊下載，下載完成后，把BOOT0的跳線接回0，也即BOOT0=0，BOOT1=0 。圖310STM32的下載方式可以分為兩種方式：第一種是20引線的JTAG下載；第二種是5引線的SW下載方式，這里使用SW下載方式，所以具體分析第二種下載方式（SW下載），五根引線的連接分配如下表格：引腳名描述引腳分配JTMS/SWDIO串行線輸入/輸出PA13JTCK/SWCLK串行線時(shí)鐘PA14NRST復(fù)位NRSTVDDVDDGND地GND圖311為實(shí)物圖中的連接方式，+、GND為電源引腳，SWDIO下載數(shù)據(jù)的引腳、SWCLK是下載數(shù)據(jù)的時(shí)鐘引腳，NRST為單片機(jī)復(fù)位引腳，也為下載器的復(fù)位引腳。如圖312所示。圖313 此次設(shè)計(jì)采用的Buck電路仿真圖Buck基本的原理結(jié)構(gòu)圖如圖314所示。而一般的反饋環(huán)路由四部分組成：采樣網(wǎng)絡(luò)，誤差放大器（Error Amplifier，E/A），脈寬調(diào)制器（Pulse Width Modulation，PWM）和驅(qū)動(dòng)電路。它們可以快速的導(dǎo)通和關(guān)斷，且導(dǎo)通時(shí)壓降為零，關(guān)斷時(shí)漏電流為零；b、電容和電感同樣是理想元件。電容的等效串聯(lián)電阻（Equivalent Series Resistance，ESR）和等效串聯(lián)電感（Equivalent Series inductance，ESL）等于零；c、輸出電壓中的紋波電壓和輸出電壓相比非常小，可以忽略不計(jì)。在以上假設(shè)的基礎(chǔ)上，下面我們對(duì)Buck變換器的基本原理進(jìn)行分析。電流流經(jīng)電感L1，電流線性增加。采樣網(wǎng)絡(luò)R1和R2對(duì)輸出電壓進(jìn)行采樣得到電壓信號(hào)，并與參考電壓比較放大得到信號(hào)。當(dāng)時(shí)，控制信號(hào)和跳變?yōu)榈停_(kāi)關(guān)元件M1截至。這時(shí)二極管D1承受正向偏壓，并有電流流過(guò)，故稱D1為續(xù)流二極管。開(kāi)關(guān)元件截至的狀態(tài)一直保持到下一個(gè)周期的開(kāi)始，當(dāng)又一次滿足條件時(shí)，開(kāi)關(guān)元件M1再次導(dǎo)通，重復(fù)上面的過(guò)程。如圖314所示，當(dāng)輸出電壓升高時(shí)，電壓升高，所以誤差放大器的輸出電壓降低。因此，Buck變換器的輸入能量降低。反之亦然[]。假設(shè)Buck變換器的最大額定輸出電流為，最小額定輸出電流為。電感值的恒定確保了電感上的電流線性上升和下降。我們知道，當(dāng)Buck變化器工作在CCM模式時(shí)有 (1) 且當(dāng)輸出電壓，輸入電壓和變換器的工作周期不變時(shí)，導(dǎo)通時(shí)間保持不變。我們知道，實(shí)際的電容C1可以等效為如圖316所示的電路結(jié)構(gòu)。當(dāng)頻率低于300KHz或500KHz時(shí)，電容C1的等效串連電感可以忽略，輸出紋波電壓主要取決于電容C0和等效串連電阻R0。而B(niǎo)uck變換器的工作頻率一般為20～50KHz，所以其周