DC-DC开关电源及其控制系统第017组设计报告

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完成时间：2004/12/30


科技创新第三阶段
设计报告






项目名称：DC-DC开关电源及其控制系统设计小组编号：设计小组名单：


电子工程系

上海交通大学电子信息与电气工程学院




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上海交通大学电子信息与电气工程学院地址：东川路800号邮编：200240


摘要：
本文档主要详细介绍了由单片机设定输出电压的PWMDC—DC变换器的设计、制
作、调试的全过程，并分为DC—DC变换、单片机控制输出电压、单片机闭环参与控制DC—DC的输出，三个阶段说明此变换器的实现原理。本文档的编写目的为介绍本小组所完成的单片机系统的原理，结果等内容。本文档面向电子类专业的本科生以及广大电子技术爱好者。

关键词：
脉宽调制直流变换模拟数字转换有源低通滤波器数字模拟

ABSTRACT
Thistechnicalreportisusedtointroducethewholeprocessofthethedesignation,manufactionanddebuggingofPWMDC-DCconvertorwhichiscontrolledbysinglechip.ItisdevidedintothreepartswhicharecalledDC-DCconvertor,outervoltagesystemcontrolledbysinglechip,outervoltagecontrolledbyclosedloop.Thesethreepartsexplaintheprincipleoftherealization.Thedestinationoftheeditorationistointroducethecontentsofprinciplesandresults.Thereportisfacedtoallthestudentsofelectronicmajorsandfanswhoareinterestedinelectronictechniques.
KEYWORDS
PWM——Pulse-WidthModulation（脉宽调制）DC-DC――directcurrenttodirectcurrent（直流变换）

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AD――analogydigitalLPF――LiquidPressureFilterDA――digitalanalogy

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目录
1.概述..............................................................................................................................11.1编写说明...............................................................................................................11.2名词定义...............................................................................................................11.3缩略语...................................................................................................................12.系统总述......................................................................................................................22.1系统组成...............................................................................................................22.1.1DC-DC开关电源子系统..............................................................................22.1.2输出电压控制子系统...................................................................................32.1.3输出电压测量子系统...................................................................................32.2系统的主要功能...................................................................................................42.2.1DCDC开关电源模块功能...........................................................................42.2.2输出电压控制子系统模块功能...................................................................42.2.3输出电压测量子系统模块功能...................................................................43.DC-DC开关电源子系统的硬件设计........................................................................53.1DC-DC系统概述..................................................................................................53.1.1主体结构.......................................................................................................53.1.2主要功能及技术指标...................................................................................53.1.3系统设计概述...............................................................................................53.2DC-DC模块描述..................................................................................................53.2.1DC－DC模块框图：图3.1.........................................................................53.2.2DC－DC模块组成描述...............................................................................6
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3.3DC-DC电路设计..................................................................................................63.3.1TL494............................................................................................................63.3.2控制功能的实现...........................................................................................93.3.3反馈功能的实现...........................................................................................93.3.4输出功能的实现...........................................................................................93.4DC-DC电路总体实现..........................................................................................93.4.1DC－DC系统电路图...................................................................................93.4.2系统元件参数确定.....................................................................................104.输出电压控制子系统的硬件设计............................................................................114.1设计要求及思路概述.........................................................................................114.1.1设计目的.....................................................................................................114.1.2设计要求.....................................................................................................114.1.3设计分析.....................................................................................................114.2模块划分与功能描述.........................................................................................114.2.1模块框图.....................................................................................................114.2.2功能描述.....................................................................................................124.3模块设计.............................................................................................................124.3.1单片机部分.................................................................................................124.3.2有源低通滤波器部分.................................................................................124.3.34N25光耦部分............................................................................................155.输出电压测量子系统的硬件设计............................................................................165.1设计要求及思路概述.........................................................................................16
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5.1.1设计目的.....................................................................................................165.1.2设计要求.....................................................................................................165.1.3设计分析.....................................................................................................165.2模块划分与功能描述.........................................................................................165.2.1模块框图.....................................................................................................165.2.2功能描述.....................................................................................................175.3模块设计.............................................................................................................175.3.1TL431——稳压源......................................................................................175.3.24N25——输入输出隔离............................................................................195.3.3ADC0804——模数转换.............................................................................215.4系统总体设计及组合.........................................................................................265.4.1系统电路总图.............................................................................................265.4.2系统参数确定.............................................................................................276.单片机子系统及软件设计........................................................................................286.1程序设计思路.....................................................................................................286.2程序详细框图.....................................................................................................286.3T0时钟中断流程图............................................................................................296.4变量列表.............................................................................................................307.致谢............................................................................................................................328.参考文献....................................................................................................................338.1参考书籍：.........................................................................................................338.2其他参考资料：.................................................................................................33
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9.附录A课程设计专题报告：输出电压控制电路特性的曲线拟合问题研究....349.1曲线拟合的工程意义.........................................................................................349.2输出电压控制电路特性的曲线拟合问题概述.................................................349.3拟和数据.............................................................................................................349.4拟和曲线.............................................................................................................359.5拟和曲线过程及结果分析.................................................................................3510.附录B课程设计专题报告：有源低通滤波器设计..........................................3710.1有源低通滤波器简介.......................................................................................3710.2有源低通滤波器设计方法...............................................................................3710.3本实验有源低通滤波器的设计和实现：.......................................................3811.附录C课程设计专题报告：输出电压测量电路特性的曲线拟合问题研究..4111.1曲线拟合的工程意义.......................................................................................4111.2输出电压测量电路特性的曲线拟合问题概述...............................................4111.3拟和数据...........................................................................................................4111.4拟和曲线...........................................................................................................4311.5拟和曲线过程及结果分析...............................................................................4311.6拟和曲线过程中发现的问题及研究...............................................................4412.附录D开发环境..................................................................................................4612.1硬件开发...........................................................................................................4612.2软件开发...........................................................................................................4613.附录E软件程序清单..........................................................................................4714.附录F系统操作说明书.......................................................................................5715.附录G测试和分析..............................................................................................58
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15.1测试项目和方法...............................................................................................5815.1.1测试项目...................................................................................................5815.1.2测试方法...................................................................................................581．2．
输出电压可调范围....................................................................................59输出电压的稳定性....................................................................................59
15.2测试的资源.......................................................................................................5915.3测试结果及分析...............................................................................................6015.3.1测试结果...................................................................................................6015.3.2测试结果分析...........................................................................................6016.附录H课程学习心得和意见建议......................................................................6117.附录I：各操作系统的实物图................................................................................6417.1整机视图...........................................................................................................6417.2单片机视图.......................................................................................................6417.3DC－DC电路视图...........................................................................................6517.4滤波器视图.......................................................................................................6517.5闭环回路电路视图...........................................................................................66
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1.概述
1.1编写说明
本文档主要详细介绍了由单片机设定输出电压的PWMDC—DC变换器的设计、制作、调试的全过程，并分为DC—DC变换、单片机控制输出电压、单片机闭环参与控制DC—DC的输出，三个阶段说明此变换器的实现原理。本文档的编写目的为介绍本小组所完成的单片机系统的原理，结果等内容。本文档面向电子类专业的本科生以及广大电子技术爱好者。
1.2名词定义
开关稳压电源——电压调整功能的器件是以开关方式进行工作的一种直流稳压电源。
脉宽调制——脉宽调制(PWM是一种采用数字输出方式驱动模拟电路以获得最高的能源传输效
率并延长电池寿命的先进技术手段。
占空比——对脉冲宽度调制电路的测量，是信号的高电压时间和总的时间比。开环控制——仅用单片机来控制设定DC-DC的输出。
闭环控制——通过单片机控制，AD模块反馈形成闭合回路，从而来控制调整输出电压。模数转换――将模拟信号转换成数字信号数模转换――将数字信号转换成模拟信号
1.3缩略语
PWM——Pulse-WidthModulation（脉宽调制）DC-DC――directcurrenttodirectcurrent（直流变换）AD――analogydigitalLPF――LiquidPressureFilterDA――digitalanalogy
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2.系统总述
2.1系统组成

本系统主要可分为三大部分。
图2.1

第一部分――DC-DC开关电源子系统：以TL494芯片为主体，构成PWM调制器，再通过斩波、限幅、取样比较等电路，实现DC—DC变换，输出直流。
第二部分――输出电压控制子系统：单片机开环参与控制DC—DC的电压输出，并由单片机输出的脉冲信号控制占空比，实现软件PWM控制。
第三部分――输出电压测量子系统：将第一部分的直流输出通过A/D系统（模数转换）引入单片机，使单片机闭环参与DC—DC控制。当外部环境发生变化和电路的非线性等因素使输出电压偏离设定值时，此部分电路将输出电压值反馈给单片机构成反馈环，以精确控制输出电压。

2.1.1DC-DC开关电源子系统
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图2.2

2.1.2输出电压控制子系统
单片机PWM信号

有源低通滤波器
DCDC光耦
图2.3

2.1.3输出电压测量子系统
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Vdc-out
输入输出隔离A/D转换
单片机

稳压源
2.5V
图2.4


2.2系统的主要功能
2.2.1DC－DC开关电源模块功能
DC-DC板通过TL494脉冲调制是用输出的反馈电压和TL494内固有的参考电压作误差放大，再通过比较器实现的，因此改变输出的反馈电压和TL494内固有的参考电压就可改变PMW的占空比，使得输入电压在10V到30V之间变化时，输出电压为一稳定值，调节滑动变阻器，可以使得输出电压在5V~10V之间变化，且输出纹波值在100mv以下。
2.2.2输出电压控制子系统模块功能
单片机产生的PWM信号（脉宽调制信号）做傅里叶级数展开之后是一个个次数、频率、幅度不同的正弦波的叠加。输出电压控制子系统主要部分就是有源低通滤波器，它的作用就是将高频成分滤掉，而只留下直流分量以供给光耦，从而改变DCDC的输出电压，实现开环控制。
2.2.3输出电压测量子系统模块功能
DC－DC的输出作为AD模块的输入电压，AD采集过输入信号后，立即反馈到单片机，准确地告诉单片机当前的电压值，然后单片机把这个值与当前应输出的标准值作比较：如果反馈值大于标准值，则微调输出电压使之稍微增大；如果反馈值小于标准值，则微调输出电压使之稍微减小。如此反复，就可得到比较精确的值，实现闭环控制。
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3.DC-DC开关电源子系统的硬件设计
3.1DC-DC系统概述3.1.1主体结构
以TL494芯片为主体，构成PWM调制器，再通过斩波、限幅、取样比较等电路，实现DC—DC变换，输出直流。
3.1.2主要功能及技术指标
本系统可以将20-30V的直流电压通过DC-DC脉宽调制，在DC-DC板输出负载端输出稳定的5－10V电压，负载两端误差小于0.1V，额定电流为1A。
DC－DC技术指标：
输入电压20—30V
输出电压5—10V步进0.5V输出额定电流1A电压调整率1%电流调整率1.5%输出噪声≤100mVp-
3.1.3系统设计概述
DC-DC板通过TL494脉冲调制是用输出的反馈电压V1和TL494内固有的参考电压V2作误差放大，再通过比较器实现的，因此改变V1和V2就可改变PMW的占空比，使得输入电压在10V到30V之间变化时，输出电压为一稳定值，调节滑动变阻器，可以使得输出电压在5V~10V之间变化，且输出纹波值在100mv以下。设定合适的阻值，以满足电路的要求。
3.2DC-DC模块描述
3.2.1DC－DC模块框图：图3.1
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图3.1

3.2.2DC－DC模块组成描述
控制电路部分――通过对该部分的电路参数的改变来实现实现对PWM频率的控制。反馈电路部分――利用TL494芯片内部的占空比的调整与改变来实现稳压的功能。
输出电路部分――通过改变三极管的状态来控制二极管以实现蓄水池式的功能，实现单端输出PWM波。
3.3DC-DC电路设计3.3.1TL494
TL494是美国德州仪器公司生产的一种电压驱动型脉宽调制控制集成电路，主要应用在各种开关电源中。实物图如下：图3.2
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图3.2
TL494管脚配置及其功能
图3.3
TL494的内部电路由基准电压产生电路、振荡电路、间歇期调整电路、两个误差放大器、脉宽调制比较器以及输出电路等组成。图1是它的管脚图，其中1、2脚是误差放大器I的同相和反相输入端；3脚是相位校正和增益控制；4脚为间歇期调理，其上加0～3.3V电压时可使截止时间从2%线怀变化到100%；5、6脚分别用于外接振荡电阻和振荡电容；7脚为接地端；8、9脚和11、10脚分别为TL494内部两个末级输出三极管集电极和发射极；12脚为电源供电端；13脚为输出控制端，该脚接地时为并联单端输出方式，接14脚时为推挽输出方式；14脚为5V基准电压输出端，最大输出电流10mA；15、16脚是误差放大器II的反相和同相输入端。如图3.3

工作原理简述
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TL494是一个固定频率的脉冲宽度调制电路，内置了线性锯齿波振荡器，振荡频率可通过外部的一个电阻和一个电容进行调节，其振荡频率如下：

输出脉冲的宽度是通过电容CT上的正极性锯齿波电压与另外两个控制信号进行比较来实现。功率输出管Q1和Q2受控于或非门。当双稳触发器的时钟信号为低电平时才会被选通，即只有在锯齿波电压大于控制信号期间才会被选通。当控制信号增大，输出脉冲的宽度将减小。参见下图：图3.4
图3.4

控制信号由集成电路外部输入，一路送至死区时间比较器，一路送往误差放大器的输入端。死区时间比较器具有120mV的输入补偿电压，它限制了最小输出死区时间约等于锯齿波周期的4%，当输出端接地，最大输出占空比为96%，而输出端接参考电平时，占空比为48%。当把死区时间控制输入端接上固定的电压（范围在0—3.3V之间）即能在输出脉冲上产生附加的死区时间。
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3.3.2控制功能的实现
通过连接于TL494的5，6脚外部电容与电阻来控制TL494的振荡频率振荡器由8，9脚计算得的值设置于20KHZfosc＝1/(RT*CT
选择CT＝0.001uF然后计算RT：RT＝1/(fosc*CT如图3.5
3.3.3反馈功能的实现
在12口处，芯片自动调节以使其在1，2口的电压差为零Ik＝[VoR1＋VBE（R1＋R2）]/RCL*R2Isc=VBE（R1＋R2）/RCL*R2
图3.5
3.3.4输出功能的实现
R1与R2部分如图所示：图3.7
由R1与R2上得分压后对三极管的状态进行控制
由图可得计算Vo＝VREF（1＋R1/R2）及Vo=－(VREF*R1/R2
图3.6
3.4DC-DC电路总体实现3.4.1DC－DC系统电路图
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图3.7
3.4.2系统元件参数确定
在输出部分的旁路是C4，C5与RL组成的低通滤波器，他的作用是减小输出电压的交流分量，对输出电压的起到稳定巩固的作用。C4+C5应该采用适中的值，因为值太小会造成噪声输出过大，值过小有可能产生成本方面的，经过实际的测试以后，我们选用了C4＝47＋330uF，C5＝100＋330uF的值。经过这样的选择后，纹波的大小被降到了100mV以下，而在未改动前则未能达到要求。所以元件值的选择一定要合适。在控制部分，由于CT是已给定值，则通过引入振荡频率计算得到RT的值为10k。在输出部分，三级管与二极管通过一定的联系而能实现单端输出PWM波，R1与R2需要对V进行分压，由这个关系可计算得R1＝300，R2＝100。对于反馈处的参数，是通过关于改变电压的功能而计算来得到的，也是需要实际的调试R11＝6.2，R12＝20k，R13＝6.8，R14＝1k。
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4.输出电压控制子系统的硬件设计
4.1设计要求及思路概述4.1.1设计目的
本系统的设计目的是对单片机输出的PWM信号进行滤波，将输出的直流电压通过一个限流电阻之后的直流电流送到光耦。通过改变电流的大小来改变光耦的输出电阻，从而达到改变DCDC输出电压的目的，实现系统的开环控制。
4.1.2设计要求
通过单片机改变占空比，使DCDC输出为5v—10v。
4.1.3设计分析
在本实验中我们要得到的滤波器是要将PWM信号（脉宽调制信号）做傅里叶级数展开之后的高频成分滤掉，而只留下直流分量，以供给光耦。根据设计，单片机输出的PWM信号的频率是1000Hz，理论上截止频率小于1000Hz的滤波器都可以达到要求。但是我们设计的滤波器并不是理想的，都有一定的过渡带宽，所以设计的滤波器的截止频率应该尽量的小，我们最后确定滤波器的截止频率大概在20Hz左右。根据这一要求选择合适的元件值，设计滤波器。
4.2模块划分与功能描述4.2.1模块框图
单片机PWM信号

有源低通滤波器
DCDC光耦
图4.1

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4.2.2功能描述
单片机部分——产生PWM信号。
有源低通滤波器部分——滤波器是要将PWM信号（脉宽调制信号）做傅里叶级数展开之
后的高频成分滤掉，而只留下直流分量，以供给光耦。
4N25光耦部分——输入电流的变化引起光耦输出电阻变化，从而改变DCDC输出电压。
4.3模块设计4.3.1单片机部分
通过软件编程是单片机产生PWM信号，具体软件实现请参见软件设计部分。输出信号通过导线输入到有源低通滤波器的输入端。
4.3.2有源低通滤波器部分
概述
滤波器是对信号频率有选择性的二端口网络，它的作用是使某频率范围内的信号不衰减或衰减很小顺利通过，而对此频率范围以外的信号起到抑制和衰减作用。有源滤波器与无源滤波器的区别在于除了电阻电容电感等无源器件之外它还由受控源和运算放大器等有源元件组成。它具有不同电感元件，有一定增益、重量轻、体积小、调试方便。但运算放大器的带宽有限，这也就决定了有源滤波器只能应用在频率不高的场合。

滤波器设计方法
滤波器的设计方法通常采用工作参数法。原则上先找到一个与滤波器的理想特性相近似的网络函数，然后采用网络综合的方法来实现。根据采用的网络函数的不同，所获得的滤波器性能也有所不同。在有源滤波器中，应用最广泛的是伯特沃斯滤波器。
滤波器属于线形系统，其网络函数可表示为：
amsma1sa0
H(s=nn-1
sbn-1sb1sb0

伯特沃斯低通滤波器的幅频特性为：|H(jω|=
11（/c）
2n

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在ω=0时，|H|=1；|H|随ω的增高而单调下降，到ω＝ωC时，|H|＝1/2，ωC即为3dB截止频率。N为阶数，n愈大，幅频特性在通带内愈接近理想矩形，在阻带内衰减愈大。在阻带内衰减为6ndB/倍频程。它的网络函数为：
H（s）＝
H0
Bn(s
其中Bn（s）称为伯特沃斯多项式，它是一个系数满足一定要求的n次多项式。
本实验有源低通滤波器的实现
在本实验中我们要得到的滤波器是要将PWM信号（脉宽调制信号）做傅里叶级数展开之后的高频成分滤掉，而只留下直流分量，以供给光耦。根据设计，单片机输出的PWM信号的频率是1000Hz，理论上截止频率小于1000Hz的滤波器都可以达到要求。但是我们设计的滤波器并不是理想的，都有一定的过渡带宽，所以设计的滤波器的截止频率应该尽量的小，我们最后确定滤波器的截止频率大概在20Hz左右。采用二阶有源低通滤波器。

我们设计的有源低通滤波器用到了运算放大器741
运算放大器741内部结构


二阶低通滤波器的网络函数为：
H（s）＝
图4.2
H0c
s2（
2
c
Q

2
）c

电路原理图：元件值如图所示
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该电路的传递函数为：
图4.3
1R1R2C1C2
H（s）＝
21S2S
R1C1R1R2C1C2

若取定R1=R2=R=51kΩC1=C2=C=1uF比较有：
H0=Kf＝1Wc＝
1
RC
Q=

计算得：
1C1

2C2
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Wc=19.6HzQ=0.5H0=1
4.3.34N25光耦部分
通过滤波器滤波之后得到直流电压，在铝箔其余4N25之间要接一个限流电阻R3，是输入到4N25的电流在适当范围之内。经过测试最后选定限流电阻的阻值为R3=6.2kΩ。

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5.输出电压测量子系统的硬件设计
5.1设计要求及思路概述5.1.1设计目的
这个系统的目的在通过电路连接，完成测量输出电压，将开关电源的输出情况反映给单片机，使其能够实现闭环控制作用。
5.1.2设计要求
能够识别5.0v至10.0v的输出，分辨率高于0.05伏。
5.1.3设计分析
为了能使电压测量值反馈给单片机，故必须采用二进制的表达形式，出于测量精度及可靠性的考虑并兼顾了电路的复杂性问题，可以采用8位AD转换器来进行采样及数据传送。当然，为了进一步提高稳定性，需要在电路中加入输入输出的隔离装置，例如各型号光耦合器件。最后还有一个重要问题是稳压源的选取，由于电压的测量是通过与参考电压的比较实现的，因此这将直接整个输出电压测量子系统的精度。综上，实现该系统涉及三大模块的设计。
5.2模块划分与功能描述5.2.1模块框图
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Vdc-out
输入输出隔离A/D转换
单片机

稳压源
2.5V
图5.1


5.2.2功能描述
稳压源部分——选用可调分流基准芯片TL431对外输出稳定的2.5伏电压
输入输出隔离部分——选用4N25光耦合器来隔离电压，消除开关电源输出端对采样电路
的影响
模数转换部分——选用8位AD转换器ADC0804来完成对输出电压的采样与识别功能
5.3模块设计
5.3.1TL431——稳压源
概述
德州仪器公司（TI）生产的TL431是一个有良好的热稳定性能的三端可调分流基准源。它的输出电压用两个电阻就可以任意地设置到从Vref（2.5V）到36V范围内的任何值。该器件的典型动态阻抗为0.2Ω，在很多应用中可以用它代替齐纳二极管，例如，数字电压表，运放电
路、可调压电源，开关电源等等。
由图5.2可以看到，VI是一个内部的2.5V基准源，接在运放的反相输入端。由运放的特性可知，只有当REF端（同相端）的电压非常接近VI（2.5V）时，三极管中才会有一个稳定的非饱和电流通过，而且随着REF端电压的微
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小变化，通过三极管图1的电流将从1到100mA变化。当然，该图绝不是TL431的实际内部结构，所以不能简单地用这种组合来代替它。但如果在设计、分析应用TL431的电路时，这个模块图对开启思路，理解电路都是很有帮助的。
器件电路符号与外观实物图
图5.3


图5.4

图5.3是该器件的电路符号，3个引脚分别为：阴极（CATHODE）、阳极（ANODE）和参考端（REF）。
图5.4是该器件的实物图。性能特点
图5.4


图5.5
图5.6
图5.5和图5.6是将TL431的阴极与参考端短接后的测试结果，由图可见TL431能够起到稳压源的作用。需要注意的是阴极电流需满足条件IK>IMin500uA(如图5.6，但通常选择
IK>1mA作为保证TL431工作的必要条件，就是通过阴极的电流要大于1mA。

电路连接与参数设计
前面提到TL431的内部含有一个2.5V的基准电压，所以当在REF端引入输出反馈时，器件可以通过从阴极到阳极很宽范围的分流，控制输出电压。如图5.7所示的电路，当R1和R2的阻值确
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定时，两者对Vo的分压引入反馈，若Vo增大，反馈量增大，TL431的分流也就增加，从而又导致Vo下降。显见，这个深度的负反馈电路必然在VI等于基准电压处稳定，此时Vo=(1+R1/R2Vref。选择不同的R1和R2的值可以得到从2.5V到36V范围内的任意电压输出。
在本模块的设计中我们令R1＝0，R2＝则Vo=Vref＝2.5v。
图
5.3.24N25——输入输出隔离
概述
光耦合器（opticalcoupler，英文缩写为OC）亦称光电隔离器，简称光耦。光耦合器以光为媒介传输电信号。它对输入、输出电信号有良好的隔离作用，所以，它在各种电路中得到广泛的应用。目前它已成为种类最多、用途最广的光电器
图5.7

件之一。光耦合器一般由三部分组成：光的发射、光的接收及信号放大。输入的电信号驱动发光二极管（LED），使之发出
一定波长的光，被光探测器接收而产生光电流，再经过进一步放大后输出。这就完成了电—光—电的转换，从而起到输入、输出、隔离的作用。由于光耦合器输入输出间互相隔离，电信号传输具有单向性等特点，因而具有良好的电绝缘能力和抗干扰能力。又由于光耦合器的输入端属于电流型工作的低阻元件，因而具有很强的共模抑制能力。所以，它在长线传输信息中作为终端隔离元件可以大大提高信噪比。在计算机数字通信及实时控制中作为信号隔离的接口器件，可以大大增加计算机工作的可靠性。
器件电路符号与外观实物图
图5.8
图5.8是4N25的电路符号及引脚定义。图5.9是4N25的实物图。性能特点
图5.9

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表5.1

表5.1是4N25的极端工作参数，是设计电路时需要考虑的问题，当然，在实际设计过程中，不能直接以此作为标准，而应该将参数范围放大，为安全稳定工作留点余地。
图5.10

图5.11

图5.10是4N25的输入特性曲线。图5.11是4N25的电流转移特性曲线。图5.12是4N25受IF控制的输出特性曲线，值得注意的是本模块以及开关电源电路部分（）所涉及光耦合器均利用了该特性，它也是4N25实现各种功能的出发点和依据。4N25能较好地实现输入输出的隔离，但它不是线性光耦，尽管能
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图5.12
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在本系统所涉及的电流范围内呈现较好的线性，这一个问题将通过后文曲线拟合加以解决（）。
电路连接与参数设计
如图5.13是光电耦合部分的实际电路VDCOUT是开关电源的输出电压，VA是经过隔离后向采样电路输送的电压。电阻R和R2的取值将会影响VA的值域。我们希望原本5至10伏的电压输出在经过光耦以后能够继续保持一定范围的幅度变化，这样可以有效提高后级采样电路的精度。同时也要考虑输入和输出的电流强度，

图5.13
以免器件过流损坏。因此我们在查阅器件参数的基础上采用定值电阻与电位器的串连代替R1（定值电阻的作用是防止输入电流过大）以通过调节获得最理想的输出范围，最后用相应阻值的电阻换下电位器，避免电位器失准后整个系统精度的崩溃。经过实验，我们确定R2＝1k，R＝10k作为光电耦合电路的实际参数设计，此时VA的变化范围为1.45v至2.33v。
5.3.3ADC0804——模数转换
概述
ADC0804是CMOS集成工艺制成的逐次比较型A/D转换器芯片。它是中速廉价型产品之一，分辨率为8位，转换时间为100μs。该芯片内有输出数据锁存器，当与计算机连接时，转换电路的输出可以直接连接到CPU的数据总线上，无需附加逻辑接口电路，输入方式为单通道。它的非线形误差为±1LSB。电源电压为单一+5V。
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引脚定义
ADC0804引脚名称及定义如下：
图5.14

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图5.15

VIN+、VIN－：ADC0804的两模拟信号输入端，用以接收单极性、双极性和差模输入信号。
D7～D0：A/D转换器数据输出端，该输出端具有三态特性，能与微机总线相连接。AGND：模拟信号地。DGND：数字信号地。
CLKIN：外电路提供时钟脉冲输入端。
CLKR：内部时钟发生器外接电阻端，与CLKIN端配合，可由芯片自身产生时钟脉冲，其频率为1/1.1RC。
CS：片选信号输入端，低电平有效，一旦CS有效，表明A/D转换器被选中，可启动工作。
WR：写信号输入，接受微机系统或其他数字系统控制芯片的启动输入端，低电平有效，当CS、WR同时为低电平时，启动转换。
RD：读信号输入，低电平有效，当CS、RD同时为低电平时，可读取转换输出数据。INTR：转换结束输出信号，低电平有效。输出低电平表示本次转换已经完成。该信号常作为向微机系统发出的中断请求信号。

控制时序
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ADC0804控制信号的时序图如图5.16所示，由图可见，各控制信号时序关系为：当CS与WR同为低电平时，A/D转换器被启动，且在WR上升沿后100μS模数转换完成，转换结果存入数据锁存器，同时INTR自动变为低电平，表示本次转换已结束。如CS、RD同时为低电平，则数据锁存器三态门打开，数据信号送出，而在RD高电平到来后三态门处于高阻状态。

电路连接与参数设计
在现代过程控制及各种智能仪器和仪表中，为采集被控（被测）对象数据以达到由计算机进行实时检测、控制的目的，常用微处理器和A/D转换器组成数据采集系统。单通道微机化数据采集系统的示意图如图5.17所示。系统由微处理器、存储器和A/D转换器组成，它们之间通过数据总线（DBUS）和控制总线（CBUS）连接，系统信号采用总线传送方式。

图5.16

图5.17

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ADC0804由于具有三态输出锁存器，可直接驱动数据总线，故与AT89C51接口电路十分简单，直接连接图即可5.19。当CS与WR同时有效时便启动AD转换，在CS和RD共同控制下可以读取转换结果数据。在AD转换过程中，如果再次启动转换器，则终止正在进行的转换，进入新的转换，在新的转换过程中，数据寄存器中仍保持上一次的转换结果。在实际电路中我们将CS与单片机CS4端相连，即片选信号来自于CPU输出地址高三位（A15A14A13）经三八译码器后的Y4端。因此8000H至9FFFH均为ADC0804的端口地址，习惯上取最低地址8000H。这里我们并没有利用INTR来参与控制CPU的采样，而是通过适当的时延来使CPU适应ADC0804的采样节拍。
ADC0804片内有时钟电路，只要在外部“CLKR”和“CLK”两端外接一对电阻电容即可产生AD转换所需要的时钟，其振荡频率为fCLK≈11.1RC。我们选用其典型应用参数：R=10kΩ，C=150pF，fCLK≈640kHz，8位逐次比较需用8×8=64个时钟周期，再加上控制逻辑操作，一次转换需要66~73个时钟周期，所以该设计方案下每秒钟可转换约1万次。
模拟电路电源
数字电路电源
模拟电路
A/D转换器
数字电路
A
图5.18

最后，模数、数模转换电路中要特别注意到地线的正确连接，否则干扰很严重，以至影响转换结果的准确性。A/D、D/A及取样保持芯片上都提供了独立的模拟地（AGND）和数字地（DGND）的引脚。在线路设计中，必须将所有的器件的模拟地和数字地分别连接，然后将模拟地与数字地仅在一点上相连。地线的正确连接方法如图5.18所示。

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图5.19

5.4系统总体设计及组合5.4.1系统电路总图
将TL431的2.5伏稳定输出接至4N25的2.5伏直流电压端，以及通过两组电阻R3R4和R5R6的分压后将稳定电压输入ADC0804的VREF/2和VIN(端，再将4N25的VA端接入ADC0804的
VIN(端即得图5.20所示系统电路总图。

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图5.20
5.4.2系统参数确定
下面确定R3R4R5R6的取值。
由对4N25的分析可知我们所设计的电路中VA的变化范围为1.45v至2.33v。根据ADC0804的AD转换原则，即用0至255来表示
VIN(VIN(
VREF
由0至1的变化，我们应使VIN(>VAMin=1.45v
且两者尽量接近；VREF/2>（VIN(－VIN(）/2=v且两者尽量接近。我们用电位器得到期望的电压后再换成定值电阻，经过实验，确定R3＝10kΩ，R4＝200Ω，R5＝10kΩ，R6＝1.5kΩ为我们的实际电路参数。此时VIN(的实测值为1.41v，VREF/2的实测值为0.47v。当开关电源输出电压由5伏至10伏变化时，单片机上晶体管显示的采样值从（39）到（240）变化，在为系统留出安全稳定的余量的基础上尽量多得利用了AD变换器的示数范围，从而最大限度得提高了精度。

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6.单片机子系统及软件设计
6.1程序设计思路

这个单片机小系统的功能是根据用户的输入的电压值，通过计算TL494所需的脉宽调制信
号(PWM的占空比，输出稳定的电压值。单片机程序主要负责三方面的内容：
1.捕获用户的输入。2.更新显示。
3.计算占空比，控制管脚的输出电平。
程序一直处与上述的大循环中，实时的得到输入，更新显示，并处理输出。其大致框图如下(图1：
程序主循环
捕获输入更新显示
改变管脚输出

图6.1
6.2程序详细框图
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程序开始
单片机初始化，变量初始化
按键一的捕获和处理按键一的捕获和处理按键一的捕获和处理按键一的捕获和处理
计算占空比否
是
计算占空比
是
自动调整？否重复主循环
自动调整

图6.2

6.3T0时钟中断流程图
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T0时钟中断流程：
进入中断
重新赋计数器初值5毫秒
初始化AD0804，循环读数，并计算均值，设置标志位。
电压值及控制标志的译码及显示。
退出中断





图6.3
T0时钟中断每五毫秒被执行一次，中断中主要进行读入AD0804反馈回来的电压值，多次连续读入，求出均值，以去处噪声误差，并置标志位，以指示主程序可以读数了。接下来，更新数码管的显示，让用户知道当前的输出电压值，然后中断返回。
T1钟中断中根据主程序计算出的占空比，对T1计数器赋初值，并根据状态标志在管脚上输出高或者低电平，然后中断返回。因功能单一，其流程图略。
6.4变量列表
无符号整形：H1H2
简要描述：
管脚输出高电平时T1计数器初值的高字节。管脚输出高电平时T1计数器初值的低字节。
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L1L2HighLowXVv
无符号字符型：FlagUpDownAutoadaptF_changeStateReadSignalJMode浮点数型：VoltVouttemp


表6.1
管脚输出低电平时T1计数器初值的高字节。管脚输出低电平时T1计数器初值的低字节。管脚输出高电平时T1计数器的定时值。管脚输出低电平时T1计数器的定时值。AD0804的五次的均值。AD0804的每次的读数。
在自动调整程序中未用到。
自动调整中，向上调整占空比的标志。自动调整中，向下调整占空比的标志。自动调整完毕的标志。
用户以改变输出电压，需重新计算占空比的标志。当前管脚输出电平的标志。要求读AD0804的标志。
已完成读取AD0804的值，并计算完均值的标志。辅助变量，控制AD0804已读取的值的个数。模式标志。即是否在自动调整模式中。
保存用户输入的电压值。当前的输出电压值。
保存根据用户输入电压计算出的占空比。
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7.致谢
在这次的科技创新实验中，我们的成功离不开大家的关心和帮助，在此对帮助过我们的人表示感激和敬意。
感谢袁焱老师和谷晓晨老师的细心指导，在我们实验遇到困难及需要时，给了我们必要地帮助与指导。
感谢郑曦同学对于软件编写方面所提供的帮助。感谢张睿凯同学对于实验报告写作方面的建议与帮助。
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8.参考文献
8.1参考书籍：
《开关稳压电源》叶治政高等教育出版社《脉宽调制变换器型稳压电源》徐德高、金刚科学出版社《开关电源的原理与设计》张占松、蔡宣三电子工业出版社《单片机的C语言应用程序设计（修订版）》北航出版社出版《新颖开关稳压电源》叶慧贞、杨兴洲(超星图书馆《现代通信基础开关电源的原理和设计》李爱文科学出版社
8.2其他参考资料：
科技创新-第三阶段科技论文（报告）写作电阻电容电感基本知识基础仪器的使用说明书
运算放大器的设计与应用扫描文件TL494，TL494-motorola，TL494-SCILLC
DesigningSwitchingVoltageRegulatorsWiththeTL4944n25，74HC02，ADC0804，MM74HC138，TL431科创讲座笔记
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9.附录A课程设计专题报告：输出电压控制电路特性的曲线拟合问题研究

9.1曲线拟合的工程意义
因为工程上使用的硬件一般都不可能与标称值完全一致，具有一定的离散性。即元件不可能早的精度很高，提高精度是要以牺牲成本为代价的。所以在应用是有时就需要进行拟合，用软件来对硬件的偏差进行补偿。
9.2输出电压控制电路特性的曲线拟合问题概述
此次输出电压控制电路特性的曲线拟合是要拟和出输出电压与PWM信号占空比的关系，将拟和出的曲线特性编程输入单片机，从而实现开环控制。

9.3拟和数据

占空比（％）44.744.544.945.945.746.746.247.248.249.050.051.052.053.054.0
电压（v）10.0110.03109.919.939.849.889.799.79.629.529.429.339.229.11
占空比（％）56.057.058.059.060.061.062.063.064.065.066.067.066.766.466.2
电压（v）
8.888.778.658.538.418.288.158.027.897.747.627.497.547.587.61
占空比（％）69.070.071.072.073.074.075.076.077.078.079.080.081.082.083.0
电压（v）
7.217.066.916.776.626.476.326.176.015.865.75.555.395.245.1
占空比（％）83.883.683.483.1
电压（v）
55.025.055.1


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55.0
9
68.0
7.36
84.0
4.97

9.4拟和曲线


图9.1
9.5拟和曲线过程及结果分析
在收集数据后，对数据进行matlab线性拟和，首先导入数据，以电压值为横轴，以占空比为纵轴，观察数据的分布情况，数据大致上沿幂函数特征曲线分布。我们选用二次曲线，使用函数polyfit与polyval对数据进行二次拟和，再使用plot得如图9.1所示。
曲线函数系数为：二次项系数-4.219，一次项系数-12.909，常数项系数1003.8
由图可得图中（如图9.2）误差最大点位于（9.33，520）处，对其进行处理，首先取得拟和曲线上的点为（9.2875，520）计算误差为V=9.33-9.2875=0.0425V百分比为（9.33－9.2875）/9.33=0.46%实验所要求的误差为小于0.05V，因此实验数据满足要求。因为这个点为误差最大点，在实
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际的测试中数据不会超过最大误差，可见用二次曲线拟合可以满足设计要求。我们也尝试过用三次获更高次的幂函数进行曲线拟和，这样虽然可以进一步提高拟合的精度，但是拟和出的高次曲线的最高次项的系数也越来越小，以至于因为系数太小无法在单片机编程中实现。此外，增加拟和曲线的次数也在很大程度上增加了单片机的运算量，这也是工程上应该尽量避免的。在能够达到要求的前提下，应该尽量减少编程的负担、提高系统的运行速度，所以最终我们选择用二次曲线来实现拟和。

图9.2
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10.附录B课程设计专题报告：有源低通滤波器设计
10.1有源低通滤波器简介

滤波器是对信号频率有选择性的二端口网络，它的作用是使某频率范围内的信号不衰减或衰减很小顺利通过，而对此频率范围以外的信号起到抑制和衰减作用。有源滤波器与无源滤波器的区别在于除了电阻电容电感等无源器件之外它还由受控源和运算放大器等有源元件组成。它具有不同电感元件，有一定增益、重量轻、体积小、调试方便。但运算放大器的带宽有限，这也就决定了有源滤波器只能应用在频率不高的场合。
10.2有源低通滤波器设计方法

滤波器的设计方法通常采用工作参数法。原则上先找到一个与滤波器的理想特性相近似的网络函数，然后采用网络综合的方法来实现。根据采用的网络函数的不同，所获得的滤波器性能也有所不同。在有源滤波器中，应用最广泛的是伯特沃斯滤波器。
滤波器属于线形系统，其网络函数可表示为：
amsma1sa0
H(s=nn-1
sbn-1sb1sb0

伯特沃斯低通滤波器的幅频特性为：|H(jω|=
11（/c）
2n

在ω=0时，|H|=1；|H|随ω的增高而单调下降，到ω＝ωC时，|H|＝1/2，ωC即为3dB截止频率。N为阶数，n愈大，幅频特性在通带内愈接近理想矩形，在阻带内衰减愈大。在阻带内衰减为6ndB/倍频程。它的网络函数为：
H（s）＝
H0
Bn(s
其中Bn（s）称为伯特沃斯多项式，它是一个系数满足一定要求的n次多项式。当采用归一化频率后（令ωc＝1），对不同阶数的Bn（s）由表10-1给出。
n=1n=2
s=1s2+2s+1
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n=3n=4n=5n=6n=7n=8
(s+1(s2+s+1
(s2+0.76536s+1(s2+1.84776s+1(s+1(s2+0.6180s+1(s2+1.6180s+1(s2+0.5176s+1(s2+2s+1(s2+1.9318s+1(s+1(s2+0.4450s+1(s2+1.2465s+1(s2+1.8022s+1
(s2+0.3896s+1(s2+1.1110s+1(s2+1.6630s+1(s2+1.9622s+1
表10.1伯特沃斯多项式
具体使用时，只要根据归一化函数再还原成以ωc为边界频率的实际网络函数即可。由于使用运算放大器的各类有源滤波器已有定型电路，在应用时，只要根据对滤波器的要求确定阶数n，再由表10-1查出伯特沃斯多项式，其中每一个因式代表一个有源滤波器，二次多项式所代表的二阶滤波器的Q系数即是它的一次项系数的倒数。有了ωc和Q就可以利用公式直接计算电路各元件。

10.3本实验有源低通滤波器的设计和实现：

在本实验中我们要得到的滤波器是要将PWM信号（脉宽调制信号）做傅里叶级数展开之后的高频成分滤掉，而只留下直流分量，以供给光耦。根据设计，单片机输出的PWM信号的频率是1000Hz，理论上截止频率小于1000Hz的滤波器都可以达到要求。但是我们设计的滤波器并不是理想的，都有一定的过渡带宽，所以设计的滤波器的截止频率应该尽量的小，我们最后确定滤波器的截止频率大概在20Hz左右。

采用二阶有源低通滤波器。
二阶低通滤波器的网络函数为：
H（s）＝
H0c
s2（
2
c
Q

2
）c

电路原理图：元件值如图所示
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运算放大器741内部结构
图10.1


该电路的传递函数为：
图10.2
1R1R2C1C2
H（s）＝
212
SS
R1C1R1R2C1C2
若取定R1=R2=R=51kC1=C2=C=1uF
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可有：
H0=Kf＝1Wc＝
1
RC
Q=
计算得：
1C1

2C2
Wc=19.6HzQ=0.5H0=1
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11.附录C课程设计专题报告：输出电压测量电路特性的曲线拟合问题研究
11.1曲线拟合的工程意义
第三阶段的目标是通过A/D转换并在单片机的控制下实现闭合回路的控制。因此需要我们通过有关电压值与数码管之间的关系进行曲线拟合，以便在通过单片机控制时可以准确地将电压值自动调整到数码管显示的数值。
11.2输出电压测量电路特性的曲线拟合问题概述
此次输出电压测量电路特性的曲线拟合是要拟和出二八进制数值与输出电压的关系，将拟和出的曲线特性编程输入单片机，从而实现闭环控制。

11.3拟和数据
电压值二进制用十进制表示值4.882404.932384.992365.082335.142325.332265.552195.72145.992056.211976.391906.611826.831747.111647.221597.41527.431497.531467.641427.941298.261168.551028.97849.2472
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DC-DC开关电源及其控制系统第017组设计报告

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