1 项目简介

该项目使用32系列核心板设计的一款简易数控电源，兼容立创开发板团队所推出STM32、GD32、CW32单片机最小系统板。使用单片机产生DAC信号控制LM2596可调电源芯片实现控制电源参数的输出，并将电压电流信息显示在1.8寸TFT屏幕上。

1.1 应用场景

• 实验用基础数控电源
• 单片机项目学习实训
• 电子工艺实习焊接实训

1.2 电路特性

• 电压输入范围：DC12V
• 电压输出范围：4V~11V
• 电流输出大小：1A

2 电路原理

2.1 系统方案

电源输入后通过LM7805稳压到5V给主控核心板供电，同时输入到LM2596，主控通过PWM转DAC给到LM2596，根据输入信号调节输出电源。

2.2 电路分析

项目电路包含显示部分、控制部分、电源部分。显示部分为TFT屏幕显示，屏幕实用SPI接口；控制部分为三个按键，分别为目标电压加、目标电源减、输出开关；电源部分为主控引脚PWM方波信号，经过二阶RC滤波转为DAC信号输入电源芯片控制输出电压。

LM2596芯片手册可知VFB为1.23V，R2、R5、R6根据需求输出选用合适电阻后即可通过调节VDAC进而调节Vout输出电源。

2.3 PWM转DAC电路分析

PWM（脉冲宽度调制）转DAC（数模转换器）的过程，通常指的是将PWM数字信号转换为模拟信号的过程。这一过程主要依赖于PWM信号的占空比以及RC低通滤波器。

2.3.1 PWM信号基础

PWM信号是一种数字信号，由一系列宽度不同的脉冲组成。这些脉冲的宽度（即占空比）决定了平均电压或电流的值。占空比是脉冲宽度与脉冲周期的比值，通过改变占空比，可以控制输出信号的有效电压或电流，下图为PWM信号分段函数。

在表达式①中，f(t)是一个分段函数，用于表示PWM（脉冲宽度调制）波形。

• V_H 表示PWM波形的高电平电压（通常为电源电压）。
• V_L 表示PWM波形的低电平电压（通常为0伏或接地）。
• k 是自然数，表示PWM周期的计数次数。
• N 是定时器的自动重载值（ARR），决定了PWM的周期（T=PWM_period = N * Tclk，其中Tclk是定时器的时钟周期）。
• n 是比较寄存器的值（CCRx），它决定了PWM信号在一个周期内的高电平持续时间（即占空比）。
• T 是PWM的单个周期时间长度。
• p 是占空比，其计算公式为 p = n / N。

在定时器的PWM模式下，定时器会根据ARR（自动重载寄存器）的值来设定PWM的周期，而通过设置CCRx（比较寄存器）的值来调整PWM波形在一个周期内的高电平持续时间，即占空比。当定时器计数达到CCR的值时，PWM输出翻转，从而实现占空比的控制。

2.3.2 PWM转DAC的原理

PWM信号的傅里叶级数展开：PWM信号可以看作是一个直流分量和一个占空比固定但平均幅度为0的方波的组合。通过傅里叶级数展开，PWM信号可以分解为多个谐波分量，其中直流分量是我们需要的模拟信号的基础。

• 直流分量：这是PWM信号的平均值，它与占空比有关。
• 基波分量：这是PWM信号的基本频率成分，通常是最主要的成分。
• 高次谐波分量：这些是PWM信号中包含的更高频率成分，它们是由PWM信号的非线性特性产生的。

在公式④中，f(t)表示输出电压，n / N表示占空比，VH表示PWM信号的最大电压。这个公式表明，输出电压与占空比成线性关系，占空比越大，输出电压越高。PWM信号可以通过傅里叶级数展开为直流分量、基波分量和高次谐波分料。通过低通滤波器把1次谐波很好过滤掉，则高次谐波就应该基本不存在了。

2.3.3 PWM转DAC的分辨率

PWM转DAC的分辨率计算公式：分辨率=log2(N)

它是以2为底的对数形式，意味着分辨率是PWM周期被分成多少个可独立控制的等份，每增加1位分辨率，可控制的电压等级就翻倍。假设n的最小变化为1，当N=256的时候，分辨率就是8位。而STM32的定时器大部分都是16位的(TIM2 和 TIM5 是 32 位)，可以很容易得到更高的分辨率，分辨率越高，每个电压级别的间隔更小，但速度就越慢。因此，在实际设计中会根据系统需求和资源限制选择合适的分辨率和PWM频率。

3 电路设计

3.1 RC滤波电路

PWM分辨率计算公式：分辨率=log2(N)，在此项目设计中PWM分辨率设置为10位，故N=1024，10位分辨率下对RC滤波器的设计要求如下：

• 精度：为了保证输出电压的精度，要求1次谐波对输出电压的影响不超过1位的精度，即1LSB(Least Significant Bit)。在3.3V供电的10位系统中，1LSB相当于3.3/1024=0.00322265625V
• 一次谐波最大值：对于最大占空比为50%的PWM信号，1次谐波的峰值为半个周期内的电压变化，即VH/2 =3.3V/2 =1.65 V。而在理想情况下，考虑正弦波形的幅度，1次谐波的最大值约为：2∗VH/PI=2∗3.3V/PI≈2.1 V。
• 根据给出的1次谐波最大值2.1V和1 LSB的值0.00322265625V，RC滤波电路要求：二阶RC滤波电路至少提供-20lg(2.1/0.00322265625)=-56dB的衰减。
• 截止频率要求：定时器频率72MHz，PWM分辨率为10位时，PWM频率为72M/1024=70312.5Hz=70.3125KHz。RC滤波截止频率计算公式为：f=1/(2PIR*C)。
• 项目电路中电阻R使用4.7K，电容C使用1nF，计算f=1/(2PI4700*(1*10^(-9)))=33879.9Hz=33.879KHz，小于70.3125KHz，满足使用需求。

3.2 电压跟随电路

LM358P为运算放大器，用做电压跟随器（也称为单位增益放大器、缓冲放大器和隔离放大器），是一种电压增益为 1 的运算放大器电路。这意味着运算放大器不会对信号进行任何放大。故输出电压直接跟随输入电压，即输出电压与输入电压相同。电路中R6右边电压等于输入端DAC电压。电压跟随器作用如下：

• 缓冲：利用电压跟随器的输入阻抗高和输出阻抗低特点，我们将电压跟随器放在放大电路的中间级。
• 隔离：利用电压跟随器的输入阻抗高和输出阻抗低特点，且输出电压近似输入电压幅度，对上级电路呈现高阻状态，而对下级电路呈现低阻状态，可以有效隔离前后级电路干扰的作用。
• 提高带载能力：利用电压跟随器的输入阻抗高和输出阻抗低特点，使得它在电路中起到阻抗匹配作用，使下级电路工作状态更好。简单理解就是增强信号的驱动能力。

3.3 电源输出电路

电流从正向流入地，由图可知： I1 = I2 + I3 ，故 VFB/R5 = (VOUT-VFB)/R2 + (VDAC-VFB)/R6

得 VOUT = ( VFB/R5 - (VDAC-VFB)/R6 ) * R2 + VFB

由LM2596芯片数据手册可知，VFB = 1.23V。

由电路图可知：R2 = 10kΩ , R5 = 1kΩ , R6 = 2kΩ，VDAC由单片机IO口PWM信号经过RC滤波电路提供，输出范围为： 0 ~ 3.3V，代入以上公式可知：

• 当VDAC = 0V时，VOUT得最大为19.68V；
• 当VDCA = 3.3V，VOUT的最小为3.18V

VOUT理论输出电压为 3.18 ~ 19.68V

 由于项目输入电源为12V1A，且电阻存在误差，实际输出电压存在偏差，故项目设计输出电压近似为4~11V。

3.4 电压电流检测

电压、电流检测使用INA226模块，INA226是一款由德州仪器（TI）生产的高精度电流、功率和电压监控芯片，芯片通过外部的分流电阻，将流过负载的电流转化为分流电阻上的电压降。然后，通过内部的放大器放大电压降，最终通过ADC（模数转换器）将其转化为数字信号，最后通过I2C总线发送数据到主控芯片。

3.5 主控选择

主控是一块可拔插的32核心板，使用核心板的好处是可以自由设计更换主控，兼容立创开发板推出的地阔星STM32核心板以及GD32E230核心板。在学习过程中完成设计后还可以用核心板去设计其它的扩展项目，另外核心板尺寸小巧可以直接插到面包板或者洞洞板，实现快递搭建电路模块进行验证。

4 项目学习资料

（1）立创地阔星STM32开发板手册：立创开发板地阔星入门手册文档

（2）项目代码例程解析：点灯电子简易数控电源项目开发文档

（3）PDI算法入门：简易PID算法的快速扫盲-小麦大叔

（4）STM32CubeMX使用：STM32CubeMX教程之简介及基本使用-LeoPlus99

（5）项目代码例程—附件中下载

（6）焊接辅助工具下载（可在手机端打开查看）—附件中下载