（天津滨海职业学院，天津 塘沽 300451）
摘要：设计以FPGA为控制核心的精密数控电源,通过硬件设计和参数计算，设计基于Verilog HDL相关程序，完成基于PWM的精密数控电源设计，通过调节PWM占空比实现输出电压的精密调节,调节精度达0.011V，具有一定的实用价值。
关键词：PWM；鼠标滚轮编码器；二阶RC滤波器
一、引言
做为电子领域常用的设备，直流稳压电源在教学、科研等领域广泛应用。传统的多功能直流稳压电源功能简单、精度低且体积大、复杂度高。精密数控电源精度高、输出电压调节方便已经替代传统电源，在教学、科研等领域广泛使用。
精密数控电源广泛以单片机为控制核心，通过控制D/A电路、经集成运放转换为数控电压，最后由三极管放大、RC网络滤波，最终得到稳定数控电压。为单片机核心的精密数控电源，电路功能模块化，设计简单，结构紧凑，价格适中，性能卓越。本文提出基于PWM的精密数控电源，以FPGA/CPLD为控制核心，通过控制PWM占空比，信号经RC滤波器滤波，转换为稳定数控电压，最后由三极管进行电流放大得到稳定数控电压。本设计结构非常简单，价格便宜，调节精度高。
二、系统硬件设计与参数计算
基于PWM的精密数控电源系统的硬件由输出电压调节、二阶RC滤波器、三极管电流放大、A/D电压采集、数码显示五部分组成。采用altera公司的EPF10K10LC84为控制核心，使用40MHZ时钟频率，VCCIO电压取5V。
（一）、输出电压调节部分设计与参数选择
输出电压调节部分采用鼠标滚轮编码器，鼠标滚轮编码器本质是两个开关，在旋转的过程中，两个开关依次闭合，编码器产生A、B两路脉冲。当鼠标滚轮编码器顺时针旋转时，A路输出脉冲波形超前B路输出脉冲波形90°，当鼠标滚轮编码器逆时针旋转时，A路输出脉冲波形比B路输出脉冲波形延迟90°，通过判断A路输出脉冲上升沿时，B路输出脉冲的电平就可以判断鼠标滚轮编码器的旋转方向。鼠标滚轮编码器顺时针旋转时，PWM占空比增加；鼠标滚轮编码器逆时针旋转时，PWM占空比减小。输出电压调节部分电路图如图1所示。
图1、鼠标滚轮编码器
在图1中，R1、R2是上拉电阻，R9、C2和R10、C3起滤波作用，电阻取10K电容取103pf。MEA、MEB端输出A、B路脉冲。
（二）、二阶RC滤波器设计与参数计算
二阶RC滤波器由两个串联电阻、两个并联电容构成，为计算简单，选两电阻参数一致，两电容参数一致。
本设计采用8位PWM，一般要求1次谐波对输出电压的影响不超过1位的精度，即5V/256近似取0.02V。由于VH=5V，VL=0V，所以1次谐波的最大值是5*2/pi=3.1831V,RC滤波器提供的衰减=-20*lg(3.1831/0.02)=-20*2.2=-44。PWM的频率=40Mhz/256=156.25khz,记作f1。对2阶RC滤波器，截止频率f2按下式计算：-20lg（1+（f1/f2）^2）=-44，得f2=12.45Khz。按公式f2=1/（2*pi*r*c）计算二阶RC滤波器得r、c值，近似取C=103pf r=1.22K，用1K和220串联实现。
（三）、三极管放大、A/D电压采集、数码显示部分
三极管放大部分采用三极管共射极结构，基极直接接二阶RC滤波器输出，集电极接VCC，发射极接电阻，电阻接地，电阻同电容并联。电阻两端的电压就是精密数控电源的输出电压。
A/D电压采集使用ADC0832，ADC0832采用单端模式，选择ADC0832的通道1接三极管发射极， 测量精密数控电源的输出电压。数码显示部分采用动态显示模式，用三个共阴极数码管并联实现。
三、系统软件设计
在完成硬件搭接后，PWM程序设计可以实现指定占空比时输出对应电压，A/D电压采集程序获取输出电压的值，占空比调节程序设计改变占空比值实现输出电压精密调节，采用Verilog HDL语言编程。
一）、PWM程序设计
PWM有多种实现方法，程序在时钟信号上升沿触发。首先对8比特变量cnt加一，则cnt将在0至255范围内变化。后采用if语句用cnt和占空比值high进行比较，cnt大于等于high时输出低电平，反之输出高电平。PWM效果如表1所示：
由于三极管Vbe电压原因，所以占空比值超过32时，输出电压才大于零，此值决定占空比调节程序中参数min的取值。占空比取240时，输出电压为2.35V。电压调节值为2.35v/（240-32）=0.011V。
二）、A/D电压采集程序设计
ADC0832进行转换时， CS引脚置于低电平并且保持低电平直到转换完全结束；向ADC0832的CLK引脚输入时钟脉冲，设置DI引脚选择输入通道功能。在第1 个时钟脉冲的上升沿之前DI引脚设置为高电平，表示起始信号；在第2、3个时钟上升沿之前，设置DI引脚2位数据用于选择通道功能。
当2 位数据为“10”时，只对CH0 进行单通道A/D转换。当2位数据为“11”时，只对CH1进行单通道A/D转换。当2 位数据为“00”时，将CH0作为正输入端IN+，CH1作为负输入端IN-进行A/D转换。当2 位数据为“01”时，将CH0作为负输入端IN-，CH1 作为正输入端IN+进行A/D转换。
第4个时钟脉冲下沉开始由DO端输出转换数据最高位DATA7，随后每一个时钟脉冲下降沿DO端输出下一位数据，直到第11个脉冲发出最低位数据DATA0，一个字节的数据输出完成。随后开始输出下一个相反字节的数据，即从第11个时钟的下降沿输出DATA0。随后输出8位数据，到第19 个脉冲时数据输出完成[1]。
三）、占空比调节程序设计
占空比调节程序在用户旋转鼠标滚轮编码器时，改变PWM的占空比值，当占空比达到极值时，就不再变化。实现代码如下：
//占空比调节程序代码
parameter min=8'd32,max=8'd240;
always@(posedge mea or negedge rst)
if(!rst)
pwmcnt=min;
else
begin
if(meb==1)
if(pwmcnt<max)
pwmcnt=pwmcnt+1;
else
if(pwmcnt>min)
pwmcnt=pwmcnt-1;
end
四、结语
本设计以FPGA为控制核心，采用Verilog HDL语言编程，利用PWM技术，实现精密数控电源。本设计结构简单、模块功能清晰、价格低廉。输出短路保护、电流控制功能是有待添加的功能。
参考文献
[1]ADC0831/ADC0832/ADC0834/ADC0838datasheet[Z]. www.national.com，2002年.P16
作者简介：刘景文(1968—)，男,天津市人,天津滨海职业学院电子信息工程技术教研室主任,副教授，硕士。研究领域：嵌入式应用、计算机视觉
论文作者:刘景文
论文发表刊物:《知识-力量》2018年12月上
论文发表时间:2018/11/2
标签：电压论文; 精密论文; 脉冲论文; 数控论文; 编码器论文; 滤波器论文; 鼠标论文; 《知识-力量》2018年12月上论文;