Форум РадиоКот

Обсуждение статьи
http://radiokot.ru/circuit/power/supply/22/

Здесь обсуждается статья о претендующим на универсальность управляющем блоке лабораторного источника питания. Используется дешевый stm32f100c4 с ЦАП и АЦП на борту. Основное преимущество перед аналогичными конструкциями - использование настоящего ЦАП а не ШИМ. ЦАП встроен в контроллер, благодаря чему получается малобюджетное решение.
Видео
Обновление:
24.10.11
Добавлены графики. Графики отображают 80 последних точек напряжения или тока. Интервал обновления выбирается от 0,2 до 400 секунд на точку.
Исправлена ошибка калибровки скорости хода часов.
Изменен интерфейс. Количество предустановленных значений напряжения или тока увеличено до 14. Полный список изменений
11.02.12
добавлен таймер работы до 18 часов с точностью до 1 секунды. Изменен алгоритм работы энкодера.


За время, прошедшее в ожидании публикации, выяснил одну неприятную особенность. Происходит скачек напряжения на выходе при включении и выключении. При детальном рассмотрении оказалось, что выходы ЦАП контроллера находится в высокоимпедансном состоянии при включении до инициализации портов ввода вывода и при выключении после сброса контроллера. Токи смещения ОУ создают значительные выходные напряжения. Поэтому между выходами ЦАП контроллера и аналоговой землей необходимо установить дополнительный резистор 1М-500К. В этом случае скачек тоже будет присутствовать, но его величина будет в типовом случае - 0,5 вольт(1,6% от максимума), максимально - 2,5 вольта. Также рекомендуется вместо lm358 использовать, что то с полевыми транзисторами на входе (tl082 например). У этих ОУ токи смещения совсем небольшие, и тогда скачек при включении тоже будет совсем маленький.
Лучше увеличить питание ОУ до =-10 вольт. При просадке сетевого напряжения иногда детектируется отключение питания.
Если источник работает неустойчиво, возможно необходима вот такая частотная коррекция
Примерная схема соединения нескольких транзисторов в параллель и последовательноhttp://radiokot.ru/forum/viewtopic.php?p=1247719#p1247719

Хорошая вещь. Нужно будет попробовать.

Вот вы ценник привели, а магазин не сказали.
Мы АТмегу8а берём по доллару за штуку

Gudd-Head писал(а):Вот вы ценник привели, а магазин не сказали.
Мы АТмегу8а берём по доллару за штуку

radio-hit.ru
Вот Вы цену привели, а магазин не сказали
В любом случае цены сопоставимы.

Galizin писал(а):Вот Вы цену привели, а магазин не сказали

Я и количество не указал, которое по такой цене продают (500 шт.)
А вообще согласен, АРМ по ценнику гуманнее АВРа. Сам думал прикупить себе отладочный набор Дискавери.
У меня в мыслях тоже цифровое управление лабораторным источником, но на АВРе. Я вашу статейку прочитаю — наверняка вопросы появятся (сейчас времени нет).

Вот тут я описывал свой вариант платы управления источником: http://www.radiokot.ru/forum/viewtopic. ... 47#p469447
Правда, у меня на ATmega8. Индикаторы принципиально LED, считаю для источника это оптимальным вариантом. Меню у меня чуть по-другому организовано (описание есть в History.txt), цифровая калибровка тоже есть, но калибруется только наклон. Смещением нуля пренебрегаю, хотя можно добавить и это. Калибровка раздельная для задатчиков и измерителей. Очень не хватает разрядности АЦП, да и ЦАП на основе ШИМ приносит много неудобств. На STM действительно всё выглядит очень красиво, вот тольно непонятки с опорным напряжением ЦАП и АЦП. Жалко только, что программировать ARM-ы я совершенно не умею... Это для меня космос... Наслушался страшилок об инициализации и об объеме документации, так что браться за них боязно.

Ничегонеработает писал(а):Очень не хватает разрядности АЦП.

Замутите мой ДС-АЦП

Ничегонеработает писал(а):Бывший Liv

Сначала не догнал

Ничегонеработает писал(а):Вот тут я описывал свой вариант платы управления источником: http://www.radiokot.ru/forum/viewtopic. ... 47#p469447
Правда, у меня на ATmega8. Индикаторы принципиально LED, считаю для источника это оптимальным вариантом. Меню у меня чуть по-другому организовано (описание есть в History.txt), цифровая калибровка тоже есть, но калибруется только наклон. Смещением нуля пренебрегаю, хотя можно добавить и это. Калибровка раздельная для задатчиков и измерителей. Очень не хватает разрядности АЦП, да и ЦАП на основе ШИМ приносит много неудобств. На STM действительно всё выглядит очень красиво, вот тольно непонятки с опорным напряжением ЦАП и АЦП. Жалко только, что программировать ARM-ы я совершенно не умею... Это для меня космос... Наслушался страшилок об инициализации и об объеме документации, так что браться за них боязно.

Польщен вниманием. Действительно - 12 разрядов большое преимущество. Из 4 цифр (3000 максимальное показание) иногда колышется только последняя. Но это и результат усреднения.
Опорное напряжение - AVCC. Только в 100 ногих корпусах есть вывод отдельной опоры.
Для меня тоже был космос с год назад. Программируются они так же как и AVR - подключением 3 проводков . Для программирования нужно будет купить st-link (discovery). Если заливать просто прошивкку - то RS232. По моему мнению документация написана лучше чем у атмела. Кристалл сложнее - потому и объем больше, но все разложено по полочкам. Иногда правда и этих полочек не хватает, тогда приходится смотреть в библиотеках. Выложил исходники, что бы не так страшно было начинать. Посмотрите, может страх пропадет.
В схеме на контроллере главное - программа. Обычно схемы примитивны. Пока не разобрался, как у Вас организована силовая часть. Но идея с несколькими входными ступенями хороша. Хотя при моих токах - это не так важно.
LED кончно хорошо, но написать что либо кроме цифр по человечески тяжело.

Galizin писал(а):В схеме на контроллере главное - программа. Обычно схемы примитивны. Пока не разобрался, как у Вас организована силовая часть.

Как раз наоборот:) Какую-никакую программу для управляющего контроллера я написал, к ней претензий нет. А вот с силовой частью пока терплю полное поражение. Не понимаю, как в фирменных источниках достигается устойчивая работа на любую нагрузку (а там возможно наличие больших емкостей) вместе с хорошей динамикой. А плохая динамика приводит к появлению выбросов. Например, возникло КЗ в нагрузке. БП ушел в режим стабилизации тока (CC). И вдруг КЗ резко пропало. При переходе БП из режима CC в режим CV наблюдается выброс. При обратном переходе - выброс тока. Попытка уменьшить эти выбросы приводит к генерации БП при работе на емкостную нагрузку. Замкнутый круг какой-то!

Еще есть проблема съема тока и напряжения. Или делитель напряжения приводит к ошибке измерения тока, или датчик тока приводит к ошибке установки напряжения на нагрузке. Да и с "верхнего" провода снять информацию о токе не так просто. А если снимать с нижнего, требуются отдельные источники для питания процессора и аналоговой обвязки. Не дорос я пока до создания нормального БП.

Galizin писал(а):Но идея с несколькими входными ступенями хороша. Хотя при моих токах - это не так важно.

Да, такая схема позволяет значительно снизить мощность рассеяния. Правда, ценой усложнения схемы и трансформатора с множеством вторичек. Но я планирую так делать все источники, даже маломощные. Тогда можно значительно уменьшить радиатор.

Galizin писал(а):LED конечно хорошо, но написать что либо кроме цифр по-человечески тяжело.

А в БП больше ничего и не нужно. Я прочитал Ваше описание в doc, офигел! Сейчас мне уже не кажется удивительным, что Вы программируете ARM-ы! Настолько сложная система управления БП меня отпугивает. Хотя, конечно, она имеет право на существование. У молодежи ведь теперь и мобильники очень сложные, это стало привычным делом. Но все-таки принцип минимализма больше душу греет.

Вы упоминали о пропусках энкодера при быстром вращении из-за процедуры антидребезга. Так вот, подавлять дребезг обычным способом (с помощью временной селекции импульсов) не нужно. Квадратурный энкодер на каждый щелчок проходит 4 состояния. Это можно использовать для подавления дребезга. Нужно организовать как бы гистерезис: шаг вперед осуществлять только при последовательной смене состояний 1-2-3, а шаг назад - при 3-2-1. Для этого нужно помнить предыдущее и пред-предыдущее состояние. У меня есть этот алгоритм на Си, могу запостить.

Заинтересовал Ваш адаптивный алгоритм энкодера. Я делал не так - при быстром вращении вместо шага 1 шаг становился равным 10. Но мне не понравилось. Нужно будет попробовать сделать, как у Вас и протестить.

Что касается шкалы источника, то номиналы должны быть выбраны таким образом, чтобы заведомо перекрывался нужный диапазон. Например, делаем источник до 30 В. При этом аналоговая часть должна обеспечивать, скажем, 33 В, что гарантирует получение 30 В при любых допустимых отклонениях номиналов. Процессор, естественно, должен иметь верхний предел установки ровно 30 В.

При калибровке незачем привлекать коды ЦАП или АЦП. Можно включить калибровочную точку, а затем вращением энкодера добиться равенства показаний дисплея и внешнего вольтметра. Как по-Вашему, наличие калибровки по двум точкам себя оправдывает? Мне кажется, калибровать нужно только коэффициент передачи, а смещение - не нужно. Это упростит процесс.

Ну и что касается эргономики. При управлении только энкодером с кнопкой негде разгуляться, я очень долго менял логику, чтобы наконец стало удобно. Пришел к варианту, когда короткое нажатие (по отпусканию) включает/выключает выход, а вращение сразу меняет напряжение на выходе (как в аналоговых источниках). Иногда очень нужно посмотреть что-то в динамике. Длинное нажатие - переход к установке тока (и вход в меню, если оно есть).

Отображать измеренное напряжение, когда блок находится в CV, или ток, когда блок в CC, нет смысла. Он всегда будет точно равен заданному, об этом заботится обратная связь. А когда мы видим на дисплее отличающиеся показания, это только сбивает с толку, так как причина разницы - погрешность калибровки трактов ЦАП и АЦП.

Ничегонеработает писал(а):Как раз наоборот:) Какую-никакую программу для управляющего контроллера я написал, к ней претензий нет. А вот с силовой частью пока терплю полное поражение. Не понимаю, как в фирменных источниках достигается устойчивая работа на любую нагрузку (а там возможно наличие больших емкостей) вместе с хорошей динамикой. А плохая динамика приводит к появлению выбросов. Например, возникло КЗ в нагрузке. БП ушел в режим стабилизации тока (CC). И вдруг КЗ резко пропало. При переходе БП из режима CC в режим CV наблюдается выброс. При обратном переходе - выброс тока. Попытка уменьшить эти выбросы приводит к генерации БП при работе на емкостную нагрузку. Замкнутый круг какой-то!

Попробуйте посмотреть мою схему силовой части http://radiokot.ru/circuit/power/supply/21/. В статье я написал, в каком промышленном источнике я ее раскопал. Немножко модифицировал и все. Там же в архиве есть симуляция в microcap. Если интересует теория - то цикл семинаров инженера TI Tim Green о работе ОУ на емкостную нагрузку - самое то что нужно.

Ничегонеработает писал(а):Еще есть проблема съема тока и напряжения. Или делитель напряжения приводит к ошибке измерения тока, или датчик тока приводит к ошибке установки напряжения на нагрузке. Да и с "верхнего" провода снять информацию о токе не так просто. А если снимать с нижнего, требуются отдельные источники для питания процессора и аналоговой обвязки. Не дорос я пока до создания нормального БП.

К сожалению кроме разделения источников я другого решения не нашел. Есть еще одна идея у Хоровица-Хилла. Но там еще хуже. Нужен высоковольтный ОУ и все равно двуполярное питание.

Ничегонеработает писал(а):Вы упоминали о пропусках энкодера при быстром вращении из-за процедуры антидребезга. Так вот, подавлять дребезг обычным способом (с помощью временной селекции импульсов) не нужно. Квадратурный энкодер на каждый щелчок проходит 4 состояния. Это можно использовать для подавления дребезга. Нужно организовать как бы гистерезис: шаг вперед осуществлять только при последовательной смене состояний 1-2-3, а шаг назад - при 3-2-1. Для этого нужно помнить предыдущее и пред-предыдущее состояние. У меня есть этот алгоритм на Си, могу запостить.

Спасибо. Если Вы посмотрите, то я использую аппаратную работу с энкодером. Так что как там инженеры ST сделали - так и работает. Конечно изменение шага реализовано мною.

Ничегонеработает писал(а):Заинтересовал Ваш адаптивный алгоритм энкодера.

Все хорошо. Только нельзя отвлекаться при вращении. Иначе скорость нужно набирать снова. Скорость в моем варианте набирается примерно за оборот.

Ничегонеработает писал(а):Что касается шкалы источника, то номиналы должны быть выбраны таким образом, чтобы заведомо перекрывался нужный диапазон. Например, делаем источник до 30 В. При этом аналоговая часть должна обеспечивать, скажем, 33 В, что гарантирует получение 30 В при любых допустимых отклонениях номиналов. Процессор, естественно, должен иметь верхний предел установки ровно 30 В.

Это для промышленного источника важно. Для любителя наоборот, важно вытащить максимум возможного от источника. А расчитать и напаять дополнительный резистор не составляет труда.
Я не привлекаю коды ЦАП и АЦП. Это так для информации. А то крутишь ручку - выходное напряжение изменяется - а индикатор молчит - нехорошо.
Если источник регулирует от 0 - тогда нужно и смещение. У меня 6 сотых вольта и 8 миллиампер смещение. Если начинать вольт с 3 - то это не так принципиально.

Ничегонеработает писал(а):Ну и что касается эргономики. При управлении только энкодером с кнопкой негде разгуляться, я очень долго менял логику, чтобы наконец стало удобно. Пришел к варианту, когда короткое нажатие (по отпусканию) включает/выключает выход, а вращение сразу меняет напряжение на выходе (как в аналоговых источниках). Иногда очень нужно посмотреть что-то в динамике. Длинное нажатие - переход к установке тока (и вход в меню, если оно есть).

У меня наоборот. Рука так и тянется нажать кнопку, если нужно установить напряжение. Несколько дней назад поменял. Теперь регулировка напряжения включается по нажатию, а при вращении энкодера сразу отображается меню выбора предустановленных значений. Можно было бы организовать двойное нажатие как к в WIN. Но что то мне в нем не понравилось и я его выкинул.

Ничегонеработает писал(а):Отображать измеренное напряжение, когда блок находится в CV, или ток, когда блок в CC, нет смысла. Он всегда будет точно равен заданному, об этом заботится обратная связь. А когда мы видим на дисплее отличающиеся показания, это только сбивает с толку, так как причина разницы - погрешность калибровки трактов ЦАП и АЦП.

Ну если у тебя 5 строк по 14 символов, то отображать можно все что угодно. А отображение установленного и реального напряжения говорят о правильности калибровки. Например я пришел к выводу, что калиброваться около 0 нельзя - увеличивается ошибка. Калиброваться нужно процентов 10 не доходя до минимума и максимума. Да и потом измеренные значения БОЛЬШИЕ, а установленные маленькие, и не бросаются в глаза. У меня показания установленных и измеренных значений различаются, на единичку или 2

Galizin писал(а):Попробуйте посмотреть мою схему силовой части http://radiokot.ru/circuit/power/supply/21/. В статье я написал, в каком промышленном источнике я ее раскопал. Немножко модифицировал и все. Там же в архиве есть симуляция в microcap.

Промоделировал в PSpice, действительно, вполне прилично работает. Попробую по мотивам этой схемы сделать схему с многоуровневым питанием.

Galizin писал(а):Если интересует теория - то цикл семинаров инженера TI Tim Green о работе ОУ на емкостную нагрузку - самое то что нужно.

Теория мало что дает. Для ОУ с большим выходным током (которым и является фактически БП) подходит только один метод - снаббер. Остальное делается только частотной коррекцией, требования к которой весьма противоречивые.

Galizin писал(а):Спасибо. Если Вы посмотрите, то я использую аппаратную работу с энкодером. Так что как там инженеры ST сделали - так и работает.

И что, эта реализация пропускает шаги?

Galizin писал(а):Все хорошо. Только нельзя отвлекаться при вращении. Иначе скорость нужно набирать снова. Скорость в моем варианте набирается примерно за оборот.

Нужно пробовать. Вращение ручки пальцами обычно прерывистое. Удобство чувствуется только на практике.

Galizin писал(а):Это для промышленного источника важно. Для любителя наоборот, важно вытащить максимум возможного от источника.

Любительский источник не обязательно должен быть хуже промышленного. А это вытягивание может выйти боком. Максимальное выходное напряжение должно быть выбрано таким, чтобы при максимальном токе нагрузке и минимальном напряжении сети обеспечивалась нормальная работа выходного каскада. Ну и красота тоже немаловажная вещь. Существует магия круглых цифр

Galizin писал(а):А то крутишь ручку - выходное напряжение изменяется - а индикатор молчит - нехорошо.

Согласен, немного нехорошо. Но зато меняется на индикаторе внешнего вольтметра. А на дисплее индицируется величина, к которой нужно стремиться.

Galizin писал(а):Если источник регулирует от 0 - тогда нужно и смещение. У меня 6 сотых вольта и 8 миллиампер смещение. Если начинать вольт с 3 - то это не так принципиально.

Это зависит исключительно от качества ОУ. Если поставить что-то с малым смещением, то калибровка нуля не потребуется.

Galizin писал(а):У меня наоборот. Рука так и тянется нажать кнопку, если нужно установить напряжение. Несколько дней назад поменял. Теперь регулировка напряжения включается по нажатию, а при вращении энкодера сразу отображается меню выбора предустановленных значений. Можно было бы организовать двойное нажатие как к в WIN. Но что то мне в нем не понравилось и я его выкинул.

Кстати, буквально на днях захотел именно так сделать в паяльной станции: нажатие, затем регулировка. А без нажатия ходим по пресетам. Но БП пока не в эксплуатации, пока трудно сказать, как лучше. Вообще, это мучительное занятие - перебирать варианты пользовательского интерфейса. И так неудобно, и эдак. Я вон в генераторе прямоугольных импульсов 6 версий прошивки сделал, модифицируя меню. Кучу времени потратил, а по удобству не сказать, чтобы что-то поменялось

Двойное нажатие тоже пробовал, отказался. Можно еще использовать поворот в нажатом состоянии, но пока не пробовал.

Galizin писал(а):Например я пришел к выводу, что калиброваться около 0 нельзя - увеличивается ошибка. Калиброваться нужно процентов 10 не доходя до минимума и максимума.

Для систем с однополярным ЦАП откалибровать ноль в 50% случаев не получится. Если ОУ имеет положительное смещение, то от ЦАП в точке нуля потребуется отрицательное выходное напряжение. Можно заранее сделать сдвиг резистором, заведомо больший смещения. Но я за то, чтобы добиться удовлетворительного нуля конструктивными методами (выбором ОУ).

Ничегонеработает писал(а):И что, эта реализация пропускает шаги?

Я сомневаюсь. В обычном режиме либо 2 либо 4 единицы на шаг. Возможно я так сглаживаю все конденсаторами, что при увеличении скорости амплитуды не хватает - все заинтегрировал напроч. Кроме того у меня там программная борьба с дребезгом. За идею спасибо. Подумаю, можно ли будет ее применить.

Ничегонеработает писал(а):Это зависит исключительно от качества ОУ. Если поставить что-то с малым смещением, то калибровка нуля не потребуется.
Для систем с однополярным ЦАП откалибровать ноль в 50% случаев не получится. Если ОУ имеет положительное смещение, то от ЦАП в точке нуля потребуется отрицательное выходное напряжение. Можно заранее сделать сдвиг резистором, заведомо больший смещения. Но я за то, чтобы добиться удовлетворительного нуля конструктивными методами (выбором ОУ).

В этом регуляторе я применяю другую идеологию. Не выставляется - и ладно. Зато там где выставляется я меряю и выставляю точно. Так что у меня источник может несколько не доходить до 0 или немного сваливаться в минус. Также и с верхним диапазоном - у меня например он получился 30,5 вольта. Регулятор вообще сделан универсальным, я не знаю заранее диапазонов регулировки. Мало того, я не знаю в каких единицах это будет измеряться - в вольтах или милливольтах, амперах или миллиамперах. Потому то и задаю положение десятичной точки при калибровке. То есть я постарался сделать его подходящим как под 1 вольт так и под 100 вольт, как под 100 миллиампер, так и под 10 ампер.
Кстати силовая часть тоже хорошо масштабируется.

Модельнул многоуровневое питание. Вроде, неплохо. Добавил следящие ограничители (Q1, Q2), чтобы ОУ никогда не входили в насыщение. При переходе CC->CV есть затухающие колебания на выходах ОУ, если поиграться с цепями коррекции ОУ, их тоже можно убрать.

Ещё никто не собрался повторить? У меня вопрос, а планируются ли графики как в http://radiokot.ru/circuit/power/supply/18/ и прочие вкусности в виде связи с компом, логов потребления и т.п.? А то камушек шустрый стоит, а используется на 5%... Туда можно даже второй дисплей и кнопки прикрутить и ещё место останется

EvilGremlin писал(а): У меня вопрос, а планируются ли графики как в http://radiokot.ru/circuit/power/supply/18/ и прочие вкусности в виде связи с компом, логов потребления и т.п.?
А то камушек шустрый стоит, а используется на 5%... Туда можно даже второй дисплей и кнопки прикрутить и ещё место останется

При создании конструкции уделялось внимание основному функционалу. О прибамбасах даже не задумывался. Ну часы сделал что бы соотв периферию освоить.
Возметесь доделать, помогу. Места в кристалле осталось не так много. Занято процентов 80. Слишком много менюшек и математики тоже немало.
Графики приделать не очень сложно будет, если конечно не извращаться с математикой типа автомасштабирования.
Все остальное требует изменения железа - получится совсем другая схема.

Ну, память можно и освободить, и код оптимизировать - вон, товарисч slav0n в 32кб уже столько графики и математики напихал, что не каждый в мегабайт впихнуть сможет (я про Primuss-Spectrum).
Ну а в крайнем случае можно перейти на STM32F100C8 или LPC1114.

EvilGremlin писал(а):а планируются ли графики

Графики... Тут аналоговая часть не работает, так как надо, а Вы про всякие прибамбасы.

Как раз таки графики и помогут понять, что не так в аналоговой части, т.к. при чтении с цифрового али стрелочного индикатора динамика процесса как-то не воспринимается А вот в сочетании - сила!

Ничегонеработает писал(а):Графики... Тут аналоговая часть не работает, так как надо, а Вы про всякие прибамбасы.

А что конкретно? Я вижу что она вас уже достала, остались одни эмоции.

Galizin писал(а):А что конкретно? Я вижу что она вас уже достала, остались одни эмоции.

Как обычно - устойчивость vs динамика. Еще бы не достала - ночи напролёт в PSpice. На сегодняшний день схема такая (но не окончательная):