尝试设计一款廉价数控电源

闻太师

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。





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

闻太师

总有人灌水，麻烦版主把这个帖子解除置顶吧。

washu

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



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

稀饭放姜

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。

兰贵烦

等待出套件，

闻太师

谢谢bg1trk版主鼓励，指点一下呗。

bg1trk

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。

闻太师

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。

闻太师

兰贵烦 发表于 2018-9-12 11:58
等待出套件，

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。

矿坛铁粉

非常不错，只要设计合理，廉价的元件也能实现高性能。

闻太师

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）

bg1trk

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。

闻太师

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。

bg1trk

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 ...

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。

闻太师

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？

fshwen

这个设计够简洁，期待实验结果

闻太师

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。