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尝试设计一款廉价数控电源

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发表于 2018-9-12 11:22:34 | 显示全部楼层 |阅读模式
有一段时间没来矿坛了,最近一直忙着做数控电源。
目标是设计一款廉价的、元件尽量选用常用容易购买的,目的就是提高自己的综合应用能力(包括模拟、数模混合、单片机、PCB设计等),通过电路和合理设计和PCB的合理布局布线以及软件的配合来提高性能,不盲目选择高性能的元件。简单来说MCU选用芯科的C8051F410,自带AD和DA。运放选用LM358,调用管采用TIP41C+9014推动。内部稳压用7812+7912+1117-3.3。
先后做了两版。
第一版用的热转印单面PCB,做出来基本能用,但因为接地不够好导致AD采样时抖动比较大(大概有4个bit的抖),加上设计时考虑不周,电流采样出了点问题。
第二版吸取了第一版的经验和教训,调整了部分电路方案,并改用双面PCB由板厂打样,性能有了很大的提高(AD采样大概有2个bit的抖动)。现在基本功能调出来了,细节部分不着急慢慢调。
这里把部分资料分享出来,有不到位的地方欢迎指教,也欢迎讨论和学习(以下两种人请绕行:1.自以为是的,2.只骂人不教东西的)。
总结完经验和教训可能再做一版。
工作中的数控电源.jpg
PCB照片正面.jpg
PCB照片背面.jpg


补充内容 (2019-3-30 13:49):
第二版数控电源http://www.crystalradio.cn/forum ... =1732321&extra=

补充内容 (2019-3-30 13:50):
数控电源的自动校正http://www.crystalradio.cn/forum ... =1742394&extra=

补充内容 (2019-4-1 16:46):
第三版数控电源http://www.crystalradio.cn/forum ... =1744212&extra=

补充内容 (2019-8-14 10:22):
第四版数控电源:http://www.crystalradio.cn/forum ... =1782037&extra=

补充内容 (2021-1-15 09:00):
总有人灌水,麻烦版主取消置顶吧,谢谢

数控电源PCB背面.pdf

129.75 KB, 下载次数: 698

数控电源PCB正面.pdf

108.91 KB, 下载次数: 659

数控电源原理图.pdf

65.42 KB, 下载次数: 1425

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 楼主| 发表于 7 天前 | 显示全部楼层
总有人灌水,麻烦版主把这个帖子解除置顶吧。
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发表于 2018-9-12 19:28:14 | 显示全部楼层
闻太师 发表于 2018-9-12 16:54
...这样一个电路,两只廉价的MOS管+一个廉价的运放,再加上一段不太复杂的单片机程序,就能基本解决运放失调的影响,算是"牛溲马勃"吧,花点心思还是值得的。
在别处暂时还没见到这样的用法,算是原创吧


这个叫做 Auto Zero(自稳零),我的 Voltgen 输入前置就是这样设计的,只不过我的 ADC 可接受(一定的)负输入,所以不需要一个加法器抬升输入电压罢了。此外,我的 Voltgen 还会将模拟开关往电压基准切换一次,用以消除放大器的增益误差。我在我的 Voltgen 帖子里也说过,这个设计在上个世纪 70 年代就很普遍了,我是参(抄)考(袭)了惠普 3455 型万用表的输入前端设计的

cr6013.png

不止有微处理器的数字仪器可以这样做,模拟电路也可以,比如斩波自稳零运放就是这样设计的,斩波自稳零运放是用一个电容在输入模拟开关切换到 Analog Comm 的过程中存储运放输出的 Vos,然后在输入模拟开关切换到 Vin 的时候将电容反接到输出以扣除它,是用模拟的方式实现它。通过自稳零,运放 Vos 可做到 1uV 级别。

用数字方式实现是 70 年代高位数字仪器普遍的做法,当时的运放性能远不能和现在比,但比如万用表也做到了 5 位半、6 位半,分辨率达到亚 uV 级别,因此运放的失调很难用模拟电路消除,而且斩波运放有个问题就是带宽很窄,这会影响仪器的性能。但既然是数字仪器自然有微处理器,所以用模拟开关将输入前置放大器在输入信号和 Analog Comm 之间来回切换,并用微处理器扣除失调值成为普遍做法,当然一般仪表的 ADC 是正负输入的,所以不必用加法器抬升一下输入电压就是了。

现今运放性能已经很高,所以一般电路中就罕见这样的做法了(亚 uV 级高位表还是有,因此我的 Voltgen 也有),也许如你所说的,你这样设计是为了加深对运放的理解。以一般电源的设计目标而言,除非特意不用正负电源给运放供电,否则一个同样是非常便宜的 OP07 之类运放就能解决问题。LM358 是一个比较特殊的运放,它的输入电压范围可以低于电源轨,因此可以用于没有负电源的场合,这样的场合,诸如 OP07 之类廉价的精密*运放是无法使用的(同样接近或超过正电源轨的时候也无法用 OP07)。所以设计者往往出于目标选择合适的器件,而很少采用这种强求的设计。从性价比而言,显然在有负电源的前提下,这个场合用 OP07 性价比高于 LM358。

*这个精密是相对于 358 或 uA741 而言的,实际上现代运放性能已经高到 OP07 也不精密的程度,而且价格也很便宜了

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发表于 2019-8-12 12:31:51 | 显示全部楼层
闻太师 发表于 2019-8-12 12:11
我就是对着我帖子里上传的那个pdf图纸说的,没有第二份图纸。

我的意思是:R7(512欧)这个电阻可以不用,R4用512欧,对应的R6用5.12K欧就好了。输出电压== 横流值*512*10,

因为这个电流是已知的,那么可以算出来输出的假负载电流任何时候都是横流值,方便你数控电流的时候减去这个误差。

并且因为这个电流的原因,还可以让你的失调电压得到正方向的补偿,这样就可以用单电源处理了。电路可以更简化。
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发表于 2018-9-12 11:58:43 | 显示全部楼层
等待出套件,

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 楼主| 发表于 2018-9-12 12:19:21 | 显示全部楼层
谢谢bg1trk版主鼓励,指点一下呗。
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发表于 2018-9-12 12:32:25 | 显示全部楼层
闻太师 发表于 2018-9-12 12:19
谢谢bg1trk版主鼓励,指点一下呗。

VADC的采样设计的巧妙,比用运放转换简洁多了
正琢磨把电子负载改成数控,-12V电源借鉴你的,谢谢。
TADC是采集温度吗?用做补偿还是风扇温控?

在读图,Q4、Q6这有点绕,运放的画法也不太习惯。回头转成另一个画法再仔细学习学习您的电路。

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 楼主| 发表于 2018-9-12 12:50:26 | 显示全部楼层
bg1trk 发表于 2018-9-12 12:32
VADC的采样设计的巧妙,比用运放转换简洁多了
正琢磨把电子负载改成数控,-12V电源借鉴你的,谢谢 ...

TADC是配合热敏电阻采集散热片温度的,目的有二:
一是监控散热片温度,过热时报警,防止散热片不够大或接触不良烧坏调整管。
二是比较一下热敏电阻和18b20哪个更好用一些(总觉得18b20这种1线接口很别扭),带有一定的实验性质。
f410内置了基准源,电路上的tl431也是用来比较实验用的。
mos管那部分其实就是三极管9014用作反相器,把F410的输出高电平转成12v,以减小2n7000的导通电阻。如果用低开启电压的mos完全可以去掉反相器。只不过低开启电压的mos几乎没有to92封装的才出此下策。
用protel画原理图总觉得特别别扭,不像multisim那样舒服,画出来的图也别扭。
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 楼主| 发表于 2018-9-12 13:42:09 | 显示全部楼层

几个主要的元件mcu 调整管 运放 屏 旋转编码开关几乎都能找到包邮的,点解电容和瓷片电容也有包邮的,电阻买电阻包就行也有包邮的。
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发表于 2018-9-12 15:09:31 | 显示全部楼层
非常不错,只要设计合理,廉价的元件也能实现高性能。
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 楼主| 发表于 2018-9-12 15:21:30 | 显示全部楼层
bg1trk 发表于 2018-9-12 12:32
VADC的采样设计的巧妙,比用运放转换简洁多了
正琢磨把电子负载改成数控,-12V电源借鉴你的,谢谢 ...

VADC这样设计的好处是少用一个运放并且不会引入运放的失调,坏处是缩小了一点小ADC的分辨率(F410的AD输入范围是0~2.2V,0~-12V电压和2.2V的基准源这样分压后约是0.9~2V,算下来大约损失了一个LSB的分辨率)
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发表于 2018-9-12 15:29:49 | 显示全部楼层
闻太师 发表于 2018-9-12 12:50
TADC是配合热敏电阻采集散热片温度的,目的有二:
一是监控散热片温度,过热时报警,防止散热片不够大或 ...

看错了,因为不习惯运放的画法,Q3、Q5的作用一时半会没看明白。
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 楼主| 发表于 2018-9-12 15:47:56 | 显示全部楼层
本帖最后由 闻太师 于 2018-9-12 15:51 编辑
bg1trk 发表于 2018-9-12 15:29
看错了,因为不习惯运放的画法,Q3、Q5的作用一时半会没看明白。


R11、R12、R15、R16且LM358中的运放1组成加法器,R11为加法器的一路输入(输入电流采样电阻上的电压或接地),R15、R16分压后经R12为加法器的另一路输入,作用是保证经R11的那路输入为0时加法器的输出不为负值(因为运放的失调电压可能为负),下面简称为偏置电压。
Q3、Q4、Q5、Q6和R8、R9、R13、R17组成单向单刀双掷开关,CurCtrl1=0、CurCtrl2=1时Q3导通Q5截止,加法器经R11接通采样电阻,输出为采样电阻电压+偏置电压。CurCtrl1=1、CurCtrl2=0时Q3截止Q5导通,加法器经R11接地,输出为偏置电压。
单片机对两种情况下的AD值相减就得到了不受运放失调和温漂时漂影响的净电流采样。
用了点小技巧克服运放失调的影响,如果是用低失调的运放,就不用这么麻烦了。
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发表于 2018-9-12 16:34:51 | 显示全部楼层
本帖最后由 bg1trk 于 2018-9-12 16:38 编辑
闻太师 发表于 2018-9-12 15:21
VADC这样设计的好处是少用一个运放并且不会引入运放的失调,坏处是缩小了一点小ADC的分辨率(F410的AD输 ...




111112.PNG

花了点时间重新画图,电子开关的作用是对R1前后端分别进行ADC采集,然后算差值求电流。
初步这么理解,看来您为了对付这个失调电压没少头疼。

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 楼主| 发表于 2018-9-12 16:54:50 | 显示全部楼层
本帖最后由 闻太师 于 2018-9-12 17:22 编辑
bg1trk 发表于 2018-9-12 16:34
花了点时间重新画图,电子开关的作用是对R1前后端分别进行ADC采集,然后算差值求电流。
初步 ...


您的分析和我的设计思路是一致的。
之所以要这样做是为了加深对运放一些概念的理解,也是因为坛友的一些话,更是因为想要改变自己。以前设计电路时总是用大公司的高性能元件,以为用最好的元件就能做出最好的产品,后来发现别人用廉价的元件同样能达到不错的性能。
之所以设计这个数控电源,也是想借这个机会锻炼一下自己的设计能力。这样一个电路,两只廉价的MOS管+一个廉价的运放,再加上一段不太复杂的单片机程序,就能基本解决运放失调的影响,算是"牛溲马勃"吧,花点心思还是值得的。
在别处暂时还没见到这样的用法,算是原创吧。有不合理的地方还请版主指教。

对了,您这个电路是用什么软件画的?
我用Multisim画电路图感觉很顺手,用Protel/AD总觉得特别别扭,您有什么心得?
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发表于 2018-9-12 17:32:06 | 显示全部楼层
这个设计够简洁,期待实验结果

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 楼主| 发表于 2018-9-12 17:34:03 | 显示全部楼层
本帖最后由 闻太师 于 2018-9-12 17:36 编辑
fshwen 发表于 2018-9-12 17:32
这个设计够简洁,期待实验结果


已经可以工作了,只是一些软件上的细节还要慢慢优化。
如果MOS管改用贴片的,还能省掉两个9014和4个电阻。
TL431和与其串联的电阻也可以省掉。
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