數(shù)控直流電流源畢業(yè)論文

1、<p>　　本科生畢業(yè)設計（論文）</p><p>　　題 目 數(shù)控直流電流源(非終稿) </p><p>　　專 業(yè) 電氣工程及其自動化 </p><p>　　院 部 物理與電子工程學院 </p&g

2、t;<p>　　學 號 </p><p>　　姓 名 </p><p>　　指 導 教 師 </p><p>　　答 辯 時 間 二0 一 三

3、 年 五 月 </p><p>　　工作時間： 2012年12月 至2013年5月</p><p><b>　　數(shù)控直流電流源</b></p><p>　　摘 要：本設計以STM32單片機為控制核心，以降壓斬波芯片TPS5430為系統(tǒng)電源供電模塊，交流220V電壓經(jīng)過電源變壓、整流、濾波后接入降壓斬波芯片中，經(jīng)過降壓后，

4、使輸出電壓小于10V。然后連接到MOS管及其精密采樣電阻中。負載端串聯(lián)的精密電阻將變化的電流轉(zhuǎn)換成電壓，然后經(jīng)過運算放大器將微弱電壓信號放大，再利用STM32自帶的12位AD對輸出電流進行實時采樣，然后利用微控制器及其PID算法運算、調(diào)節(jié)，最后由微控制器控制DAC8568輸出相應電壓到MOS管的G極，通過控制G極的電壓，動態(tài)的穩(wěn)定輸出電流。</p><p>　　該系統(tǒng)主要由電源變壓電路、整流電路、濾波電路、降壓斬

5、波電路、直流穩(wěn)壓電路、采樣電路、顯示與控制電路組成。其中降壓斬波電路主要是供給系統(tǒng)恒流電路供電，直流穩(wěn)壓電路主要供給控制器系統(tǒng)供電，采樣電路實時采集輸出電流，再由控制器分析、計算，穩(wěn)定輸出電流。顯示控制電路主要是設定輸出電流大小及其實時顯示輸出電流值。</p><p>　　關(guān)鍵詞：STM32；精密電阻；穩(wěn)壓；斬波</p><p>　　Digital Controlled Constant

6、Current Source</p><p>　　Undergraduate:---------</p><p>　　Supervisor: ---------</p><p>　　Abstract: This design by STM32 microcontroller as the control core, step-down chopper TPS5430

7、 chip as the system power supply module, ac 220 v voltage after the power transformer, rectifier, filter access step-down chopper chip, after ecompression, make the output voltage is less than 10 v. And then connect to t

8、he MOS tube and its precision of sampling resistance. Load series precision resistance will change current into a voltage, and then through the operational amplifier will weak voltage sig</p><p>　　The system

9、 is mainly composed of a power transformer, rectifier circuit, filter circuit, step-down chopper circuit, dc voltage regulator circuit, sampling circuit, display and control circuit. The buck chopper circuit is mainly a

10、cross-flow circuit power supply system, power supply, the control system of dc voltage stabilizing circuit main supply real-time collection and output current sampling circuit, again by the controller analysis, calculati

11、on, stable output current. Display control circuit</p><p>　　Keywords: STM32；precision resistor；regulator；chopper</p><p><b>　　目錄</b></p><p><b>　　1 引言1</b><

12、;/p><p>　　1.1國內(nèi)外研究現(xiàn)狀1</p><p>　　1.2本文研究的主要內(nèi)容1</p><p>　　2 方案比較與論證2</p><p>　　2.1 微處理器模塊2</p><p>　　2.2 電流采樣模塊2</p><p>　　2.3 控制、調(diào)節(jié)模塊2</p&g

13、t;<p>　　2.4 恒流模塊2</p><p>　　3 理論分析與計算5</p><p>　　3.1 PID控制算法原理5</p><p>　　3.1.1 模擬PID控制算法5</p><p>　　3.1.2 數(shù)字式PID控制算法5</p><p>　　3.2 采樣電路5<

14、;/p><p>　　3.3 AD轉(zhuǎn)換電路5</p><p>　　3.4 DA轉(zhuǎn)換電路9</p><p>　　3.4.1 DA轉(zhuǎn)換器的種類與原理9</p><p>　　3.4.2 DAC8568簡介9</p><p>　　3.4.3 DAC8568操作命令12</p><p>　

15、　3.5 降壓斬波電路12</p><p>　　3.5.1 降壓斬波電路原理12</p><p>　　3.5.2 TPS5430簡介13</p><p>　　4 硬件電路設計15</p><p>　　4.1 stm32最小系統(tǒng)15</p><p>　　4.2 電源電路15</p>

16、<p>　　4.3 DC-DC斬波電路16</p><p>　　4.4 恒流電路16</p><p>　　5 系統(tǒng)設計18</p><p>　　5.1 系統(tǒng)原理框圖18</p><p>　　5.2 系統(tǒng)流程圖18</p><p>　　6 調(diào)試及其數(shù)據(jù)處理20</p><

17、p>　　6.1 電源測試20</p><p>　　6.2 恒流源測試20</p><p><b>　　結(jié)論20</b></p><p><b>　　參考文獻：22</b></p><p><b>　　致 謝23</b></p><p>

18、<b>　　附錄24</b></p><p><b>　　1 引言</b></p><p>　　1.1國內(nèi)外研究現(xiàn)狀</p><p>　　在電子技術(shù)飛速發(fā)展的今天，電子產(chǎn)品已經(jīng)深入到生活的方方面面，大家也就對系統(tǒng)的高效率、低功耗和高精度有了更高的需求。各種各樣的消費電子技術(shù)的更新，推動電源行業(yè)中DC-DC向高靈活性、高精

19、度和智能化方向發(fā)展。電源分為逆變電源、交流穩(wěn)壓電源、直流穩(wěn)壓電源、DC/DC電源、通信電源、變頻電源、UPS電源、EPS應急電源等。在本設計中主要設計的電源為：直流恒流電源。恒流電源的應用非常廣泛，例如在大功率LED驅(qū)動電路中，需要使LED的電流恒定在一定的范圍內(nèi)，否則會減小LED的使用壽命，更嚴重的會燒毀LED。又例如在一些電子電路中經(jīng)常需要一些恒流源為其他的外圍電路提供穩(wěn)定的直流電流，以使得器件工作在合適的區(qū)域或者狀態(tài)下。由此可見，

20、恒流源任是當今電子電路不可缺少的一部分。</p><p>　　1.2 本文研究的主要內(nèi)容</p><p>　　本設計主要設計一數(shù)控直流電流源，其輸出電流可以由控制器設定。該設計具有步進“+”，“-”功能，步進值有1mA，10mA。且具有過流、過壓保護功能。當微控制器檢測到電流、電壓超過系統(tǒng)設定的閥值時，系統(tǒng)輸出一DA值，關(guān)閉MOS管。當控制器檢測到系統(tǒng)穩(wěn)定后，系統(tǒng)自動重新啟動電路。系統(tǒng)主要

21、由恒流電路、采樣電路組成。恒流電路部分只要由運放、MOS管、精密采樣電阻等組成。電源首先連接到負載兩端，然后經(jīng)過一MOS管，最后在連接一采樣電阻，將采樣電阻端的電壓引入到運放的負相輸入端，正相端連接由DA輸出的電壓值，由電子電路知識可知，當運放的正相與負相端電壓相等時，運放的輸出端電壓趨于穩(wěn)定。故輸出電流不受負載的電阻的改變而改變。</p><p><b>　　2方案比較與論證</b><

22、;/p><p>　　2.1 微處理器模塊</p><p>　　方案一：采用AT89S52作為主控芯片。該單片機操作簡單，容易掌握。具有8K的系統(tǒng)可編程Flash,1000次的擦寫周期，有32個可編程I/O口，3個16位的定時/計數(shù)器，8個中斷源，及其USART、看門狗等資源。但該單片機運算速度緩慢，無DA、AD等資源，增加了產(chǎn)品格外的成本。因此在參數(shù)要求比較高的產(chǎn)品中難以實現(xiàn)。</p&g

23、t;<p>　　方案二： 采用ST公司的STM32作為控制芯片。該控制器是一種基于ARM Cortex-M3內(nèi)核的32位處理器，且功耗低，在市場上該控制器的使用也是比較普遍。該控制器有2個12位16通道的AD轉(zhuǎn)換器；7個定時器，其中3個通用定時器，2個高級定時器和2個看門狗定時器；多達80個快速I/O口，且所有I/O口可以映像到16個外部中斷；并具有I2C、USART、SPI、USB等通訊接口,方便與其他的設備進行通信。且

24、高達72MHz系統(tǒng)時鐘可方便的檢測被控器件的變化以便做出反應。</p><p>　　通過分析比較，采用方案二。</p><p>　　2.2 電流采樣模塊</p><p>　　方案一 ：直接對普通大功率電阻采樣。該方案簡單，信號不需要額外的放大電路，因此成本低廉。但是普通大功率電阻的阻值不但不精確而且還隨著環(huán)境的變化而變化，在本設計中因為電路電流可高達2A,必然會使其

25、溫度升高，從而導致阻值變化。如用其采樣必影響系統(tǒng)的精度，使其不能達到預期的效果。</p><p>　　方案二 ：用精密采樣電阻采樣。采樣電阻利用精密電阻。精密電阻具有穩(wěn)定型好，功率大，而且阻值不會隨著環(huán)境的變化而變化的特點。利用該采樣電阻不但提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性而且增加了系統(tǒng)精度。</p><p>　　經(jīng)過比較、分析，選擇方案二。</p><p>　　2.3 控制、調(diào)

26、節(jié)模塊</p><p>　　方案一：直接使用硬件調(diào)節(jié)。該調(diào)節(jié)方案具有電路結(jié)構(gòu)簡單，容易實現(xiàn)的優(yōu)點。且硬件調(diào)節(jié)對電路電流的變化比較敏感，能夠快速的響應。但是，直接使用硬件調(diào)節(jié)不但抗干擾不強，而且不能實現(xiàn)電流的可控輸出。</p><p>　　方案二：采用微控制器結(jié)合PID算法調(diào)節(jié)。STM32微控制器運算速度快，資源豐富。PID算法是一種廣泛的控制方法，且原理簡單，容易實現(xiàn)。使用軟件與硬件結(jié)合的

27、方案可以達到比較好的效果。</p><p>　　經(jīng)分析，選擇方案二。</p><p><b>　　2.4 恒流模塊</b></p><p>　　方案一：采用開關(guān)電源的PWM方式恒流</p><p>　　如下圖所示：TL494是一種規(guī)定頻率脈寬調(diào)制的IC。內(nèi)置線性鋸齒波振蕩器，外置RC振蕩，其振蕩頻率為：。內(nèi)部自帶誤差放大

28、器和5V參考基準電壓源。輸出死區(qū)可調(diào)，具有500mA的驅(qū)動能力。其原理圖如下所示： 這是一個BUCK斬波電路，輸出電壓VOUT 經(jīng)過R2，R3分壓后，與VREF經(jīng)過R1分壓后的電壓比較當兩者達到相同的值時，輸出電壓穩(wěn)定，且輸出電壓為：，（為TL494第2腳電壓）。當負載電阻減小時，輸出電流增大，則R8兩端的電壓增大，使得誤差放大器2的負相端電壓增大，正相端電壓不變，控制輸出波形的占空比減小，因此輸出電流減小。當負載

29、增大時，輸出電流減小，電阻R8壓降減小，誤差放大器2負相端電壓減小，使輸出PWM波的占空比增大，從而輸出電流增大。</p><p>　　圖2-1 BUCK電路原理圖</p><p>　　這是一種改變電壓，達到恒定電流的方式。該方案具有功耗損耗小、體積小、效率高等優(yōu)點。但是，由于這是一種改變輸出電壓恒定電流的方式，難保證輸出電壓在10V以內(nèi)變化，而且開關(guān)電源控制電路結(jié)構(gòu)復雜，輸出紋波較大，不

30、易達到題目的精度要求。</p><p>　　方案二：利用線性集成穩(wěn)壓器件構(gòu)成恒流源</p><p>　　線性穩(wěn)壓電源是一種輸入大于輸出的穩(wěn)壓器件，且反應速度快，輸出紋波小。由于調(diào)整管工作在線性狀態(tài)下，所以發(fā)熱較大，效率也較低。線性穩(wěn)壓電路的系統(tǒng)原理圖如下所示：</p><p>　　圖2-2 線性穩(wěn)壓電路</p><p>　　如圖 1-3所示：

31、U是一個三端穩(wěn)壓器件，VIN是輸入電壓，VOUT是輸出電壓，則輸出電流：</p><p>　　其中：為穩(wěn)壓器靜態(tài)電流。一般為5mA10mA。</p><p>　　該方案結(jié)具有構(gòu)簡單，便于實現(xiàn)，輸出電流紋波小的優(yōu)點，但是不能實現(xiàn)輸出電流可控的目的。</p><p>　　方案三：利用控制MOS管實現(xiàn)恒流</p><p>　　MOS管也稱為場效應管

32、，是一種小電壓控制大電流的器件。由于在MOS管的G極加一個電壓就可以控制MOS的通道狀態(tài)。所加的電壓不一樣，其MOS管的導通內(nèi)阻就不一樣。因此可以控制單片機輸出DA值到MOS管的G極，然后采樣精密電阻兩端的電壓，經(jīng)過單片機計算后再輸出一新的DA值，從而穩(wěn)定輸出電流。</p><p>　　其系統(tǒng)流程圖如下所示:</p><p>　　圖 2-3 MOS管恒流流程圖</p><

33、;p><b>　　3 理論分析與計算</b></p><p>　　3.1 PID控制算法原理</p><p>　　3.1.1 模擬PID控制算法</p><p>　　將偏差的比例（Proportion ）、積分（Integral ）與微分（Differential）通過線性組合對被控對象進行控制、調(diào)節(jié)，這樣的控制器稱為PID 控制器。

34、模擬PID算法的原理為給定量r(t)與實際輸出值y(t)相比較,其差值為e(t)= r(t)- y(t),這個差值作為PID控制器的輸入信號。經(jīng)過PID控制器的調(diào)整后輸出控制實際信號，該信號為被控制對象的輸入信號。從而減小兩者之間的誤差。</p><p>　　所以模擬PID 控制器的控制規(guī)律為</p><p><b>　　公式（3-1）</b></p>

35、<p><b>　　其中：</b></p><p>　　Kp ―― 比例系數(shù)。</p><p>　　Ti ―― 積分系數(shù)。</p><p>　　Td ―― 微分系數(shù)。</p><p>　　因為微處理器是一種采樣控制器件，不能像模擬PID那樣連續(xù)控制，只能根據(jù)采樣時刻的偏差計算控制量。所以只能使用數(shù)字式

36、PID控制，其中數(shù)字PID控制又分為位置式PID算法與增量式PID算法。其控制系統(tǒng)圖如下所示：</p><p>　　圖3-1 PID控制框圖</p><p>　　3.1.2 數(shù)字式PID控制算法</p><p>　　將PID公式進行離散化處理：</p><p>　　以T為采樣周期，k為采樣序號，那么連續(xù)時間可用離散采樣時間KT表示，再利用矩

37、形法數(shù)字積分近似代替積分，將一階后向差分近似代替微分，則有下式：</p><p><b>　　公式（3-2）</b></p><p><b>　　公式（3-3）</b></p><p><b>　　公式（3-4）</b></p><p>　　將上述三式代入式 2-1 得到:&l

38、t;/p><p><b>　　公式（3-5）</b></p><p><b>　　再簡化為：</b></p><p><b>　　公式（3-6）</b></p><p>　?。翰蓸有蛱枺琸 ＝0，1，2，……； </p><p>　　：第k次采樣時刻的計算機

39、輸出值；</p><p>　?。旱趉次采樣時刻輸入的偏差值；</p><p>　　：第k-1次采樣時刻輸入的偏差值；</p><p>　　Kp：比例系數(shù)；Ki：積分系數(shù)；Kd：微分系數(shù)；</p><p>　　如果采樣周期T足夠小，那么式3-5與3-6的計算結(jié)果將獲得足夠的精確度且可能與連續(xù)PID控制過程相當。由于該方法給出了全部控制量的輸出，

40、所以被稱為全量式或位置式PID算法。但是該方法每次的輸出量均與過去的狀態(tài)相關(guān)，計算輸出量時要對進行累加，這樣勢必使得其工作量大，控制時間長，并且，微控制器的輸出量對應被控對象的實際位置，如果微控制器出現(xiàn)故障，輸出量將大幅變化，在這種情況下很可能造成嚴重的事故。為了解決這個問題我們一般使用增量式PID算法。</p><p>　　增量式PID算法可由位置式算法推導得出。由式3-5可以得到微控制器第k-1個采樣時刻的輸

41、出值為：</p><p><b>　　公式（3-7）</b></p><p>　　將式3-5與式3-7相減得：</p><p>　　公式（3-8） </p><p><b>　　其中：</b></p><p>　　由式3-8可以看出，如果采樣周期T，確定，只要求的

42、前后的三次偏差值便可以得到輸出量。由此可以看出增量式PID算法具有控制結(jié)構(gòu)簡單，調(diào)節(jié)速度快，穩(wěn)定性好等優(yōu)點。</p><p><b>　　3.2 采樣電路</b></p><p>　　該設計中，采樣電阻的大小為50m，輸出電流的范圍為200mA2000mA，則采樣電阻兩端的最小電壓為：。最大電壓為：。AD采樣時的參考電壓：=2.5V。因此我們可以采樣同相比例放大電路

43、，將電壓放大到容易采樣的電壓值。由計算得：=2.5/0.1=25。此時當流過采樣電阻的電流為200mA時，經(jīng)過放大后采樣電阻兩端的電壓為V=25*0.01V=0.25V。為留有余量，我們將放大倍數(shù)設為20。此時最大輸出電流為：=2.5/20/50=2.5A，符合題目要求。</p><p>　　3.3AD轉(zhuǎn)換電路</p><p>　　由于模擬信號在時間上是連續(xù)的，而數(shù)字信號是離散的，為了使

44、數(shù)字器件可以處理模擬信號，必須將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，即模數(shù)轉(zhuǎn)換，也稱為AD轉(zhuǎn)換。AD轉(zhuǎn)換為了分為四個步驟：采樣、保持、量化和編碼。為了能正確無誤的用取樣信號表示模擬信號，必須使采樣頻率大于2倍模擬信號頻率。常用的AD轉(zhuǎn)換器有：并聯(lián)比較型、反饋比較型、雙積分型、及其V-F變換型等。下圖是并聯(lián)比較型AD轉(zhuǎn)換器原理框圖：</p><p>　　圖 3-2 并聯(lián)比較型AD轉(zhuǎn)換原理圖</p><p&g

45、t;　　其中VREF為參考電壓，CLK為時鐘信號，C1C7為電壓比較器，F(xiàn)F1FF7為寄存器內(nèi)的觸發(fā)器。圖示用電阻鏈將參考電壓分壓，當輸出電壓小于時，那么所有比較器輸出全部為低電平，當CLK上升沿到來后寄存器所有觸發(fā)器被置為0狀態(tài)。如果輸入電壓,則只有C1輸出為高電平，CLK上升沿來后，僅有FF1被置為1狀態(tài)。依此類推，可以得到不同的輸入電壓下寄存器的狀態(tài)。</p><p>　　反饋型比較型AD轉(zhuǎn)換器為一種直接A

46、D轉(zhuǎn)換器。首先它取一數(shù)字量加到DA轉(zhuǎn)換器上，得到一對應的模擬輸出電壓，然后將這個電壓與輸入模擬電壓比較，如果兩者不等，則調(diào)整數(shù)字量，直到兩個模擬電壓相等為止。</p><p>　　反饋型比較型 AD轉(zhuǎn)換器有計數(shù)型與逐次逼近型兩種。STM32自帶12位AD就為逐次逼近型的。逐次逼近式AD由電壓比較器、DA轉(zhuǎn)換器、寄存器、時鐘脈沖與控制邏輯組成。其原理框圖如下所示：</p><p>　　轉(zhuǎn)換開

47、始前，將寄存器清零，于是加給DA的數(shù)字量也是0。當轉(zhuǎn)換控制信號由低電平變?yōu)楦唠娖綍r轉(zhuǎn)換開始，時鐘信號將寄存器的最高位置為1，使寄存器的輸出為。DA轉(zhuǎn)換器將這個數(shù)字量轉(zhuǎn)換為模擬電壓信號，并送到比較器與輸入電壓相比較,如果>,則說明輸入數(shù)字量過大，應該去掉這個1；如果<，則說明這個數(shù)字量還不夠，則保留這個1，依此按照同樣的方法比較次高位，最后到達最低位為止。這時的寄存器所存的數(shù)字量就是轉(zhuǎn)換輸出的數(shù)字量。</p>&

48、lt;p>　　圖3-3 反饋型比較型AD轉(zhuǎn)換原理框圖</p><p>　　雙積分型AD轉(zhuǎn)換器與V-F變換型AD轉(zhuǎn)換器都為間接型的AD轉(zhuǎn)換器。其中雙積分AD轉(zhuǎn)換器首先將輸入的模擬電壓信號轉(zhuǎn)換為與之成正比的時間寬度信號，然后在這個時間寬度里對固定頻率的時鐘脈沖計數(shù)，計數(shù)的的結(jié)果就是正比于輸入模擬電壓的數(shù)字信號，因此也稱為電壓-時間變換器。同理，在V-F變換型AD轉(zhuǎn)換器中，首先將輸入的模擬電壓信號轉(zhuǎn)換為與之成比例

49、的頻率信號，然后在一個固定的的時間間隔里對得到的頻率信號計數(shù)，所得到計數(shù)結(jié)果就是正比于輸入模擬電壓的數(shù)字量。</p><p>　　根據(jù)題意要求，輸出電流的變化范圍為：。步進有10mA與1mA兩種。按1mA的步進計算，總計有20001種狀態(tài)。用控制器自帶的12位AD轉(zhuǎn)換器共有4096個狀態(tài)，能夠滿足題目要求。</p><p>　　3.4 DA轉(zhuǎn)換電路</p><p>

50、;　　3.4.1 DA轉(zhuǎn)換器的種類與原理</p><p>　　DA轉(zhuǎn)換器主要分為：有權(quán)電阻網(wǎng)絡DA轉(zhuǎn)換器、倒T形電阻網(wǎng)絡DA轉(zhuǎn)換器、權(quán)電流型DA轉(zhuǎn)換器及其開關(guān)樹型DA轉(zhuǎn)換器等。與AD類似，DA輸出也有2001中狀態(tài)，選用的DA轉(zhuǎn)換器只需大于等于12位即可。根據(jù)實際情況我們選用DAC8568作為DA轉(zhuǎn)換芯片。</p><p>　　3.4.2 DAC8568簡介 </p>&

51、lt;p>　　DAC8568是TI公司推出的16位電壓輸出型DA轉(zhuǎn)換器。其內(nèi)部自帶2.5V的參考電壓，該參考電壓默認狀態(tài)下是關(guān)閉的，其初始化精度為0.004%，典型溫度漂移為，最大溫度漂移為。該參考電壓可以提供20mA的拉電流或者灌電流。且根據(jù)寄存器的配置不同可以使其具有上電復位輸出0或者輸出最大值的二分之一的功能。該芯片提供與SPI、QSPI、DSP等接口相兼容的串行口，方便與控制器連接，內(nèi)部的施密特觸發(fā)器可以運行在高達50MH

52、z的輸入頻率下。供電電壓范圍為：2.7V5.5V。DAC8568的引腳配置圖如下：</p><p>　　圖3-4 DAC8568引腳圖</p><p>　　如上圖可知：VOUT_A至VOUT_H為8個DA輸出通道，AVDD與GND為芯片的供電電壓輸入端，輸入電壓范圍為：2.7V-5.5V。為參考電壓的輸入輸出端，如果使用內(nèi)部2.5V參考電壓，則該引腳可以提供20mA的電流。為芯片的使能端，

53、一般該引腳接地。為串行數(shù)據(jù)輸入端，為時鐘信號輸入端，線上的數(shù)據(jù)經(jīng)過SCLK線上的32個下降沿被鎖存到轉(zhuǎn)移寄存器。為異步清空輸入信號，由于在該設計中僅僅用了一路DA，所以該端口接高電平。為電平觸發(fā)控制信號端。該輸入端口是數(shù)據(jù)輸入的幀同步信號。</p><p>　　圖3-5 DAC8568內(nèi)部邏輯框圖</p><p>　　如上圖芯片內(nèi)部邏輯框圖所示：線上的數(shù)據(jù)可以分別送到數(shù)據(jù)緩沖器A-H中，然

54、后在轉(zhuǎn)移到寄存器A-H中，再進行解碼，最后進行DA轉(zhuǎn)換，將相應的數(shù)據(jù)從通道輸出。</p><p>　　DAC8568的讀寫時序圖如下所示：當信號線被拉低時，一個寫時序就開始了，數(shù)據(jù)線上的數(shù)據(jù)在每一個時鐘線上的下降沿被鎖存到32位的轉(zhuǎn)移寄存器。這個時鐘信號的最高頻率可達50MHz。當?shù)?2個下降沿到來后，最后一個數(shù)據(jù)被鎖存到轉(zhuǎn)移寄存器，同時轉(zhuǎn)移寄存器鎖存，以后的時鐘信號將不能改變轉(zhuǎn)移寄存器中的值。當接受第32個下降

55、沿后，DAC8568轉(zhuǎn)換器解碼指令中的控制位與地址位，然后使能相關(guān)的操作功能，這個過程將不會等待線上的上升沿。如果在31個連續(xù)位前被拉低，則這將復位SPI接口，不會發(fā)送數(shù)據(jù)。當一個接受幾個完整的32為數(shù)據(jù)后，可以保持低電平或者拉高。但是，第32個時鐘下降沿與下次線上的下降沿之間的最小時間間隔為10ns。</p><p>　　圖3-6 DAC8568讀寫時序圖</p><p>　　DAC85

56、68每個通道的內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖如下所示：</p><p>　　圖 3-7 通道內(nèi)部原理圖</p><p>　　輸入到DAC8568是連續(xù)的二進制數(shù)據(jù)，其輸出電壓為：</p><p>　　為輸入的DA數(shù)據(jù)，Gain為增益，對于A、B通道，增益為1，C、D通道增益為2。在本設計中我們使用通道D,則最大輸出電壓為5.0V。</p><p>　　3.4.

57、3 DAC8568操作命令</p><p>　　操作內(nèi)部參考電壓有兩種模式：靜態(tài)模式、動態(tài)模式。在靜態(tài)模式與動態(tài)模式下：當數(shù)據(jù)的F0位為1，則打開內(nèi)部參考電壓，F(xiàn)0為0則關(guān)閉內(nèi)部參考電壓，在動態(tài)模式下，DB19被固定設置為1，其他為與動態(tài)模式相同。因此：在靜態(tài)模式下打開參考電壓指令為：0x08000001關(guān)閉參考電壓指令為：0x08000000；動態(tài)模式下：打開參考電壓指令為：0x09080000；始終打開參考

58、電壓指令為：0x090A0000；始終關(guān)閉參考電壓的指令為：0x090C0000；DAC8568的操作指令結(jié)構(gòu)如下所示：</p><p>　　表 3-1 DAC8568輸入寄存器格式</p><p>　　由圖可知：DAC8568的指令格式分為五部分：前綴位、控制位、地址位、數(shù)據(jù)位、特征位。當指令裝載到轉(zhuǎn)移寄存器時，高位（MSB）先被裝載，依此其裝載他位。本設計使用通道D，控制位為：0011

59、。表示寫到被選擇的輸入寄存器然后更新相應的寄存器。地址位為：0011。表示我們對通道D操作。然后是數(shù)據(jù)位，特征位不用。經(jīng)查表：使能通道D的指令為：0x04000008；輸入數(shù)據(jù)的指令格式為：0x03300000|Data<<4。Data為DA輸入的數(shù)據(jù)。</p><p>　　3.5 降壓斬波電路</p><p>　　3.5.1 降壓斬波電路原理</p>&l

60、t;p>　　BUCK電路也叫降壓斬波電路，是一種DC-DC的降壓電路。這是一種非隔離式的DC/DC的變換器，一般使用PWM控制器或者單片機控制器器件的開通或者關(guān)斷實現(xiàn)降壓斬波。其拓撲結(jié)構(gòu)如下：</p><p>　　圖3-9 BUCK拓撲結(jié)構(gòu)</p><p>　　如圖所示：其中VT為開關(guān)管，VD為續(xù)流二極管，L為電感，C為電容，R為負載，L、C足夠大。當開關(guān)管VT開通時，VD二極管截止

61、，電流經(jīng)VT、L、R形放電回路，于此同時一部分電能存儲于電感L與電容C中。當開關(guān)管關(guān)斷時，經(jīng)過VD、L、R形成續(xù)流回路，存儲于電感中的電能釋放保持回路中的電流穩(wěn)定，電容C也向電阻R放電以維持電流、電壓的穩(wěn)定。其輸出的電壓大小平均值為：</p><p>　　其中為VT關(guān)斷時間，為VT關(guān)斷時間，T為開關(guān)周期，為導通占空比。</p><p>　　3.5.2 TPS5430簡介</p>

62、;<p>　　TPS5430是TI公司推出的5.5V-36V輸入，3A輸出的降壓轉(zhuǎn)換器。其可達3A連續(xù)輸出電流，4A的峰值電流輸出。內(nèi)部自帶110導通內(nèi)阻的MOS開關(guān)管，其效率可達。500KHz的固定開關(guān)頻率。系統(tǒng)還具有高溫、過流關(guān)斷保護。其引腳圖如下：</p><p>　　圖 3-10 TPS5430引腳圖</p><p>　　BOOT引腳為場效應高端驅(qū)動升壓電容連接端，在

63、BOOT腳與PH腳連一0.01uf的低ESR電容。VSENSE為反饋電壓調(diào)節(jié)端，將輸出電壓經(jīng)電阻分壓后連接到該引腳。VIN為電壓輸入端，接一大容量低ESR的旁路電容在該腳，該輸入電壓不得大于36V。 PH為高端MOSFET的源極，該腳接電感與續(xù)流二極管。</p><p>　　圖 3-11 TPS5430內(nèi)部邏輯框圖</p><p>　　芯片內(nèi)部邏輯框圖如上圖所示：內(nèi)部自激振蕩器將PWM的頻

64、率設為500KHz,這樣在同樣輸出電流的條件下可以減小電感值大小。參考電壓由一個帶溫度補償?shù)膸痘鶞孰娐樊a(chǎn)生，該電路在生產(chǎn)過程中已經(jīng)被校準過使其輸出1.221V的電壓。在EN引腳上提供一個開關(guān)控制調(diào)節(jié)器。如果EN腳的電壓小于門限電壓，調(diào)節(jié)器停止轉(zhuǎn)換，內(nèi)部軟啟動電路復位。該門限電壓一般為0.5V。在該處也有個上拉電流源，因此該引腳可以懸空。同時該芯片內(nèi)部還有欠壓鎖定功能，當開機過后，內(nèi)部電壓并沒有立即工作，當VIN電壓超過UVLO的門限電

65、壓后，然后才開始正常運行。典型的滯后為330。輸出電壓經(jīng)過電阻分壓過后將一電壓反饋到VSENSE腳，然后與一固定的參考電壓的高增益的誤差放大器相比較，然后誤差電壓與斜波電壓在PWM比較器中比較。因此誤差電壓就被轉(zhuǎn)換為同比例占空比的脈沖電壓。然后該電壓再加到MOS管的G極以控制輸出電壓的大小。過流保護主要是檢測高端MOS管的壓降，然后再與過流保護的門限電壓比較，如果超過門限電壓，那么過流保護將被觸發(fā)，MOS管被關(guān)斷。除此外還有過溫保護，芯

66、片內(nèi)部自帶一熱關(guān)斷電路，鏈接點的溫度超過關(guān)斷門限溫度，那么參考電壓</p><p><b>　　4 硬件電路設計</b></p><p>　　4.1 STM32最小系統(tǒng)</p><p>　　STM32系列微控制器是ST公司專為高性能、低成本、低功耗的嵌入式應用而設計的ARM Cortex-M3內(nèi)核。在本設計中，控制器是STM32F103RBT

67、6，這是一款增強型的控制器。其時鐘頻率可以達到72MHz。當時鐘為72MHz時，其運算速度為每秒執(zhí)行條指令。且具有單周期乘法和硬件除法器。片上集成128KB的Flash,20KB的SRAM。供電壓為2.03.6V。4MHz-16MHz的晶振。內(nèi)嵌8MHz RC振蕩電路，內(nèi)部40KHz的RC振蕩電路，用于CPU時鐘的PLL。該系列處理器包含三種低功耗模式：休眠，停止，待機模式，大大降低了系統(tǒng)的功耗，尤其在功耗要求比較高的情況下非常實用。還

68、具有3個通用定時器，一個高級定時器。2個SPI接口和I2C接口，3個USART，一個USB與CAN總線接口。2個12位16通道的AD轉(zhuǎn)換器。多達49高速GPIO。</p><p>　　STM32最小系統(tǒng)如下所示：</p><p>　　圖 4-1 STM32最小系統(tǒng)</p><p><b>　　4.2 電源電路</b></p>&l

69、t;p>　　直流穩(wěn)壓電源一般由電源變壓器、整流電路、濾波電路、及其穩(wěn)壓電路組成。如下圖所示：</p><p>　　圖4-2 電源電路原理圖</p><p>　　AC220V50Hz市電經(jīng)過變壓器降壓過后，輸出電壓幅值較小的交流電壓，然后通過橋式整流變?yōu)槊}動的直流電壓，經(jīng)過后級的大電容濾波形成脈動較小的直流電壓最后經(jīng)過穩(wěn)壓管穩(wěn)壓成非常穩(wěn)定的直流電壓。圖中的。3.3V電壓一般為微控制器供

70、電，5V、12V向運放及其液晶顯示部分供電。</p><p>　　4.3 DC-DC斬波電路</p><p>　　本設計利用TI的DC-DC的降壓斬波芯片TPS5430實現(xiàn)降壓轉(zhuǎn)換。其原理如下：</p><p>　　圖 4-3 BUCK斬波電路圖</p><p>　　如上圖：C4、C5為輸入濾波電容，D1、L1、C組成了BUCK電路的基本拓撲

71、結(jié)構(gòu)。輸出電壓為：</p><p>　　通過配置合適的電阻R1、R2就可以使得輸出電壓小于10V。</p><p><b>　　4.4恒流電路</b></p><p>　　利用TPS5430將電壓降到10V以內(nèi)，然后連接MOS管，負載與采樣電阻。單片機采樣放大后的采樣電阻兩端的壓降，然后與設定值相比較，然后，調(diào)節(jié)DA輸出的電壓大小，改變MOS管

72、的導通狀態(tài)，使電流恒定在一定的范圍內(nèi)。電路圖如下：</p><p>　　圖4-4 恒流原理圖</p><p><b>　　5 系統(tǒng)設計</b></p><p><b>　　5.1系統(tǒng)原理框圖</b></p><p>　　該設計一共有微控制器、AD采樣模塊、DA輸出控制模塊、恒流電路、報警電路、按鍵、

73、液晶顯示及其電源模塊。開機開始首先微控制器控制DA模塊輸出一初始電壓使恒流電流部分有益初始電流電流輸出，然后控制器讀取從鍵盤設定的輸出電流值，經(jīng)過運算、處理后輸出一相應的DA值，然后AD采樣模塊不斷采樣輸出電流，經(jīng)過控制器對誤差的處理、及其PID調(diào)節(jié)再相應改變輸出的DA值，與此同時，設定值與實際輸出的電流值實時顯示到液晶顯示器上。如果，所電流故障，使得采樣的電流值大于設定值得上限，則報警模塊打開，同時將電路設定為開路模式。其系統(tǒng)的總體框

74、圖如下所示：</p><p>　　圖 5-1 系統(tǒng)框圖</p><p><b>　　5.2 系統(tǒng)流程圖</b></p><p>　　系統(tǒng)流程圖如下所示：</p><p>　　圖 5-2 系統(tǒng)流程圖</p><p><b>　　6調(diào)試及其數(shù)據(jù)處理</b></p>

75、<p><b>　　6.1 電源測試</b></p><p>　　為測試系統(tǒng)電源在輸出電流變化時電源電壓的變化大小，于是將開關(guān)管短路，將負載電阻接入電路，通過調(diào)整負載電阻的大小，觀察電流大小，然后測量電源電壓的輸出變化大小。負載電流從0 mA變化到2.2 mA的測試結(jié)果如下表所示：</p><p><b>　　6.2 恒流源測試</b>

76、</p><p>　　用基于TPS5430芯片的開關(guān)電源作為恒流源的電源，將負載電阻短路，通過鍵盤輸入所需電流值，在0負載條件下，測得恒流源的性能指標。測試數(shù)據(jù)下表所示：</p><p><b>　　結(jié)論</b></p><p>　　經(jīng)過兩個月的努力，畢業(yè)論文終于接近尾聲。實驗數(shù)據(jù)統(tǒng)計表明，該設計實現(xiàn)了在輸出電流從200mA到2000mA變化時

77、，輸出電壓在10V內(nèi)變化時，在步進為10mA時，輸出電流的變化小于輸出電流值的1%+10mA的基本功能要求。除此之外，該系統(tǒng)還有過壓、過流保護功能，當系統(tǒng)檢測到電壓、電流超過設定的閥值時，控制器控制DAC8568輸出低電壓信號，使MOS管處于截止狀態(tài)。但是由于TPS5430是一種DC-DC的斬波芯片，因此對電路的電磁干擾，線路的PCB布局、布線都有較為嚴格的要求，這些干擾都將為以后的恒流產(chǎn)生嚴重的影響，所以在電流步進為1mA時候的影響是

78、比較明顯的，故在電流步進值為1mA是效果不是很理想，效果還需要進一步改進。</p><p>　　在這次設計中我也感受到了平時學習的專業(yè)課程的重要性，例如：模擬電子技術(shù)、數(shù)字電路基礎(chǔ)、單片機原理等。只有把專業(yè)課程學好，有較強專業(yè)基礎(chǔ)知識才會在以后的學習與生活中立于不敗之地。</p><p><b>　　參考文獻：</b></p><p>　　[1

79、] 童詩白等.模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)[M].第四版.北京：高等教育出版社，2000</p><p>　　[2] 胡壽松.自動控制原理[M].第五版.北京：科學出版社，2007</p><p>　　[3] 閻石等.數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)[M].第五版.北京：高等教育出版，2006</p><p>　　[4] 馮山等.程序設計基礎(chǔ)教程-C語言版[M].北京：科學出版社，20

80、08</p><p>　　[5] 童詩白、華成英等.模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)[M].第四版.北京：高等教育出版社，2006</p><p>　　[6] 同濟大學應用數(shù)學系.高等數(shù)學[M].第五版.北京：科學出版社，2006</p><p>　　[7] MCD Application Team.ARM®-based 32-bit MCU STM32F101xx

81、 and STM32F103xx </p><p>　　firmware library.ST Inc，2011</p><p>　　[8] Texas Instruments.DAC8568 data sheet，2009</p><p>　　[9] Texas Instruments.TPS5430 data she

82、et，2006</p><p>　　[10] SUNPLUS.PID調(diào)節(jié)控制做電機速度控制[J].中文版，2006</p><p>　　[11] 李元春、王德軍等.計算機控制系統(tǒng)[M].第二版.北京：高等教育出版社，2009</p><p>　　[12] Joseph Yiu.Cortex-M3權(quán)威指南.Elsevier Inc，2007</p>

83、<p>　　[13] Ron Mancini,Bruce Carter.Op Amps for Everyone.Elsevier Inc，2010</p><p>　　[14] Peter Van Der Linden.C專家編程[M].北京：人民郵電出版社，2008</p><p>　　[15] ST.STM32F10x_Reference manual ,2009&

84、lt;/p><p><b>　　致 謝</b></p><p>　　經(jīng)過充實而又忙碌的兩個多月，我的畢業(yè)設計也終于結(jié)束了，我的四年大學生活也圓滿結(jié)束。在大學的學習期間，我努力的學習專業(yè)基礎(chǔ)知識，在課余時間并把它運用于實際生活中。經(jīng)過幾年的努力有所收獲。熟悉一些電路維修、調(diào)試、分析、設計。熟悉DC-DC開關(guān)電源拓撲結(jié)構(gòu)的設計。熟悉C語言編程，了解C++語言，并熟悉51單片

85、機， AVR單片機,MSP430單片機編程。對于ST公司基于Cortex M3內(nèi)核的微處理器STM32較為熟悉。這些不但學會了獨立分析問題、解決問題的能力，也使得我們更加具有團隊合作精神，為將來步入社會，走向工作單位打下了堅實的基礎(chǔ)。首先感謝父母對我的養(yǎng)育之恩，四年來在我學習中，生活中對我的鼓勵，我會用我的實際行動來證明一切。</p><p>　　在做畢業(yè)設計期間遇到了許多困難，是我的指導老師及其同學的鼓勵幫我度

86、過了一個又一個難關(guān)。在此我向培養(yǎng)我、教育我的母校及其所有關(guān)懷、鼓勵、支持我的老師表示深深的謝意。這次做畢業(yè)設計中我也學到了許多東西，不但對以后的工作奠定了良好的基礎(chǔ)，而且也是對我四年來所學專業(yè)知識的一次檢驗。</p><p><b>　　附錄</b></p><p><b>　　主程序如下：</b></p><p>　　#

87、include "stm32f10x.h" </p><p>　　#include "rcc_config.h"</p><p>　　#include "lcd.h"</p><p>　　#include "ad.h"</p><p>　　#include &qu

88、ot;da.h"</p><p>　　#include "key.h"</p><p>　　#include "pid.h"</p><p>　　#include "LCD_show.h"</p><p>　　u32 Current_value,Set_Current,

89、DA_value = 10000; </p><p>　　double Sum_Error;</p><p>　　int main(void)</p><p><b>　　{</b></p><p>　　/***************結(jié)構(gòu)體初始化***************/</p><p>

90、;　　PID PID_Structure,*Pt_PID;</p><p>　　Pt_PID = &PID_Structure;</p><p>　　RCC_Configure();</p><p>　　adc_init();</p><p>　　Key_Config();</p><p>　　/*******

91、******LCD初始化顯示****************/</p><p>　　LCD_show_Init();</p><p>　　/*****************DA輸出配置***************/</p><p>　　GPIO_DA_Config();</p><p>　　DA_Config( Vref_on);<

92、/p><p>　　DA_Config(ChannelD_Power_on);</p><p>　　DA_Config( Data_ChannelD); </p><p>　　/*****************PID初始化****************/ </p><p>　　PID_Init( Pt_PID,200.0,0

93、.5,0.5,0.3,0.5); </p><p><b>　　while(1)</b></p><p><b>　　{</b></p><p>　　Pt_PID->Set_point = Key_Scan();</p><p>　　Pt_PID->Read_point = ADC_re

94、ad();</p><p>　　Sum_Error = PID_Calc(Pt_PID);</p><p>　　DA_value += (int)Sum_Error;</p><p>　　Current_value += Pt_PID->Read_point; </p><p>　　Set_Current = Pt_PID-&g