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基于PWM技术的数控恒流源电路设计

发表时间: 2019-09-13

  电源设计是通过高位数的A/D和D/A芯片来实现的,这虽然能获得较高的精度,但也使得成本大为增加。本文介绍一种

  图1为系统的总体框图。本系统通过小键盘和LCD实现人机交流,小键盘负责接收要实现的电流值,LCD 12864负责显示。AVR单片机根据输入的电流值产生对应的PWM波,经过滤波和功放电路后对压控恒流元件进行控制,产生电流,电流再经过采样电阻到达负载。同时,对采样电阻两端信号进行差分和放大,送入ADC。单片机根据采集到的值调整PWM输出,从而调整了输出电流。如此反复,直到电流达到设定要求。

  本模块包括小键盘电路和液晶显示电路。键盘设计为3×4键盘,由数字键0~9,正版挂牌,功能键“删除”及“确认”组成,采用反转法实现键值识别。显示电路由带中文字库的LCD 12864构成,该液晶可以每行8个汉字显示4行。由于这部分电路比较简单,在此不详述。

  系统的核心控制模块为AVR单片机(ATMEGA 16L)。主要使用了AVR的PWM功能和A/D功能。

  AVR单片机片内有一个具有16位PWM功能的定时/计数器。在普通模式下,计数器不停地累加,计到最大值(TOP=0xffff)后溢出,返回到最小值0x0000重新开始。当启用PWM功能即在单片机的快速PWM模式下,通过调整OCR1A的值可实现输出PWM波的占空比变化。产生PWM波形的机理是:PWM引脚电平在发生匹配时(匹配值为0~0xffff之间的值,如图2中的C),以及在计数器清零(从MAX变为BOTTOM)的那一个定时器时钟周期内发生跳变,具体实现过程如图2所示。

  图2中的C~F为OCR1A匹配值。从图中可见,波形在每个匹配值处以及计数清零时输出发生变化,从而实现了PWM波。由于OCR1A的值可以从0x0000到0xffff,共有65535个值,因此PWM波的最大分辨率为1/65535,满足系统分辨率设计要求。PWM波的频率为:

  单片机内部有1个10位的逐次逼近型ADC,当使用片内VCC作为参考电压Vref,其分辨率为:

  若使用片内的2.56V基准源作为参考电压,依据式(2)可得到其分辨率为0.003V。

  当系统需要更高的分辨率时,可以通过软件补偿的方法来实现。具体实现方法可参考相关资料。

  PWM波产生后不能直接用于控制MOSFET,需把其变成能随占空比变化而变化的直流电压。在此,我们选用二阶RC低通无源滤波器,并取得了很好的效果。

  其中,A为通带增益,Q为品质因素, 0为截止频率。根据式(1)算出PWM波的频率,取截止频率为30kHz,由式(3)可确定对应的电阻、电容值。

  由于无源滤波器的负载能力差,信号经过二阶无源滤波网络后衰减比较厉害,需要增加一级功率放大电路。功放电路比较简单,也有经典电路,限于篇幅不再赘述。


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