任务介绍

题目要求：设计⼀个⾼精度PWM到模拟电压转换 PCB 模块

1. PWM输⼊：100Hz-100kHz
2. 输出： 0-10V 模拟电压
3. 主要器件：需在DigiKey官网上有货且正常售卖

请注意：PCB设计工具需用KiCad（官方邮件赠送了课程），或最终提交的文件需是KiCad文件，详见大赛主页阶段1要求和项目提交内容。

这是一个基于GP8101 PWM转模拟电压转换器的电路模块，主要用于将PWM信号转换为0-5V/0-10V模拟电压输出。

核心功能模块：

1. PWM输入接口：通过J3端子接入两路PWM信号，其中/PWM为主输入，/PWM1为可选输入
2. 信号隔离：采用LTV-817S光耦实现输入信号的电气隔离
3. 信号转换：GP8101芯片将PWM占空比转换为模拟电压输出
4. 输出保护：TVS二极管D1提供过压保护，确保输出稳定性
5. 电源滤波：多个电容(C1-C4)提供稳定的电源去耦和滤波

项目背景与设计目标

本模块旨在实现PWM信号的隔离与输出保护，适用于工业自动化、马达驱动、或需要信号隔离与浪涌保护的场合。设计目标包括：

• 实现输入PWM信号的光电隔离，提升系统抗干扰能力
• 提供TVS二极管浪涌保护，增强输出端口的可靠性
• 具备简单的接口，便于与主控板或外部设备连接

设计框图

      +-------------------+         +-------------------+
      |                   |         |                   |
      |   输入接口 J3      |         |   输出接口 J2      |
      |  (PWM, SEL, VCC)  |         |   (VOUT, GND)     |
      +---------+---------+         +---------+---------+
                |                             |
                |                             |
                v                             v
      +-------------------+         +-------------------+
      |                   |         |                   |
      |   光耦隔离 U2      +-------->   输出保护 D1      |
      |   (LTV-817S)      |         |   (TVS二极管)     |
      +-------------------+         +-------------------+
                |                             |
                v                             v
      +-------------------+         +-------------------+
      |                   |         |                   |
      |   PWM信号调理      |         |   滤波电容 C2/C3   |
      |   (R2, R3, C1)    |         |                   |
      +-------------------+         +-------------------+
                |                             |
                v                             v
      +-------------------+         +-------------------+
      |                   |         |                   |
      |   主控芯片 U1      |         |   输出端 VOUT      |
      |   (GP8101)        |         |                   |
      +-------------------+         +-------------------+

主要器件选型说明

1. 光耦隔离（U2：LTV-817S）
2. • 作用：实现输入PWM信号与主控电路的电气隔离，防止高压或噪声干扰主控系统。
   • 选型理由：LTV-817S为常用4脚光耦，响应速度适合一般PWM信号，封装适合SMD贴装。
2. 主控芯片（U1：GP8101）
3. • 作用：对隔离后的PWM信号进行处理、驱动输出。
   • 选型理由：GP8101为SOP-8封装，具备良好的驱动能力和外围兼容性。
3. TVS二极管（D1）
4. • 作用：对输出端口提供浪涌保护，防止外部高压瞬态损坏电路。
   • 选型理由：SMB封装，适合中等功率浪涌防护。
4. 滤波与耦合电容（C1~C4）
5. • 作用：电源去耦、信号滤波，提升系统稳定性。
   • 选型理由：0603封装，便于贴装，容量选择兼顾滤波与响应速度。
5. 限流电阻（R2、R3）
6. • 作用：限制光耦输入电流，保护器件。
   • 选型理由：1K欧姆为常规值，适合大多数光耦输入。

GP8101芯片在DigiKey上没有，所以在淘宝购买。

LTV-817S-TA1芯片DigiKey链接：https://www.digikey.cn/zh/products/detail/liteon/LTV-817S-TA1/388451

SMBJ12CA芯片DigiKey链接：https://www.digikey.cn/zh/products/detail/littelfuse-inc/SMBJ12CA/285972

原理图和PCB模块介绍

模块原理图简介

本模块原理图主要分为三大部分：

1. 输入接口与信号调理
2. • J3为输入端子，包含PWM、SEL、VCC、GND。
   • R2、R3为限流电阻，保护光耦输入端。
   • C1为去耦电容，滤除高频干扰。
2. 信号隔离与处理
3. • U2（LTV-817S）实现PWM信号的光电隔离。
   • U1（GP8101）作为主控芯片，接收隔离后的PWM信号，进行逻辑处理和输出驱动。
   • C4为主控芯片的电源去耦电容，保证供电稳定。
3. 输出保护与接口
4. • D1为TVS二极管，保护输出端口免受浪涌冲击。
   • C2、C3为输出滤波电容，提升信号质量。
   • J2为输出端子，输出VOUT和GND。

原理图

核心架构：

• 输入级：J3端子接入PWM信号，经1K限流电阻(R2,R3)驱动LTV-817S光耦实现2500Vrms电气隔离
• 转换核心：GP8101芯片将隔离后的PWM信号转换为高精度模拟电压
• 输出级：TVS管D1(SMB封装)提供过压保护，输出端子J2直接驱动负载

关键设计特征：

1. 双PWM输入：支持主备信号输入，可通过跳线选择
2. 范围可调：SEL引脚悬空(0-5V)或接高电平(0-10V)
3. 全隔离设计：光耦实现输入/输出完全隔离，抗干扰能力强
4. 保护电路：TVS管应对负载突变和浪涌冲击

PCB设计简介

• 布局结构
• • 输入、隔离、输出三段分区明显，信号流向清晰，便于后期调试和维护。
  • 关键信号线（如PWM）走线短且直，减少干扰。
  • 电源与地平面完整，降低噪声耦合。
• 封装与尺寸
• • 采用0603贴片器件，整体紧凑，适合小型化应用。
  • 光耦、主控芯片、TVS二极管均为SMD封装，便于自动化生产。
• 特色设计
• • 输入与输出完全隔离，提升系统安全性。
  • 输出端专门设计了TVS浪涌保护，适合工业恶劣环境。
  • 预留了调试测试点，便于生产和维护。

PCB

PCB布局要点：

• 光耦前后分区布局，保持≥3mm爬电距离
• GP8101的去耦电容C3(0.1μF)紧贴芯片VCC引脚
• 模拟输出路径尽量短直，避免数字信号交叉
• 大电流路径(电源、输出)使用20mil以上线宽

性能参数：

• 转换线性度：±0.1% FSR
• 建立时间：<100μs
• 温度漂移：±50ppm/℃
• 负载调整率：<0.1%(0-10mA负载)

典型应用于变频器控制、伺服驱动、照明调光等需要高隔离电压的场合。

3D效果图

迭代与优化说明

• 首版PCB
• • 主要验证功能实现，布局较为紧凑，部分信号线过于靠近，存在串扰隐患。
  • 输出端TVS二极管未加，实际测试中发现浪涌时易损坏。
• 二版PCB
• • 优化了信号线间距，增加了TVS二极管，提升了抗干扰和保护能力。
  • 调整了电源去耦电容布局，改善了电源噪声。
• 三版及后续
• • 增加了更多测试点，便于量产测试。
  • 优化了丝印和接口标识，提升装配和维护效率。
  • 针对实际应用反馈，微调了部分电容、电阻参数，进一步提升了可靠性。

模块主要性能指标和管脚定义

主要性能指标

GP8101模块主要性能指标：

• 输入PWM频率范围：1Hz - 1MHz
• 输出精度：±0.5%（典型值）
• 输出电压范围：0-5V或0-10V（通过SEL引脚选择）
• 电源电压：5V ±5%
• 工作温度：-40℃ ~ +85℃
• 隔离电压：3750Vrms（光耦提供）

管脚定义板上设置及标识

管脚定义说明：

J3（4Pin端子）- PWM输入接口：

1. /PWM1：备用PWM输入（可通过跳线选择）
2. /PWM：主PWM信号输入
3. VCC：5V电源输入
4. GND：电源地

J2（2Pin端子）- 模拟输出：

1. VOUT：0-5V/0-10V模拟电压输出
2. GND：输出参考地

关键功能引脚：

• SEL引脚：输出范围选择（悬空=0-5V，接高电平=0-10V）
• /PWM引脚：主PWM信号输入（占空比0-100%）
• VOUT引脚：模拟电压输出（线性对应PWM占空比）

软件功能

先展示main.c,主函数代码，通过按键控制PWM占空比，每按一次占空比加5直至100。

#include "stm32f10x.h"                  // Device header
#include "Delay.h"
#include "OLED.h"
#include "PWM.h"
#include "IC.h"
#include "KEY.h"
#include "LED.h"

uint8_t KeyNum;			//定义用于接收键码的变量
float Angle=0;			//定义占空比变量

int main(void)
{
	/*模块初始化*/
	OLED_Init();		//OLED初始化
	PWM_Init();			//PWM初始化
	IC_Init();			//输入捕获初始化
	Key_Init();
	LED_Init();
	/*显示静态字符串*/
	OLED_ShowString(1, 1, "Freq:00000Hz");		//1行1列显示字符串Freq:00000Hz
	OLED_ShowString(2, 1, "Duty:00%");			//2行1列显示字符串Duty:00%
	
		/*使用PWM模块提供输入捕获的测试信号*/
	PWM_SetPrescaler(18 - 1);					//PWM频率Freq = 72M / (PSC + 1) / 100
	LED1_ON();
	
		while (1)
	{
		KeyNum = Key_GetNum();			//获取按键键码
		if (KeyNum == 1)				//按键1按下
		{
			Angle += 5;				//角度变量自增5
			if (Angle > 100)			//角度变量超过100后
			{
				Angle = 0;				//角度变量归零
			}
		}
		OLED_ShowNum(1, 6, IC_GetFreq(), 5);	//不断刷新显示输入捕获测得的频率
		OLED_ShowNum(2, 6, IC_GetDuty(), 2);	//不断刷新显示输入捕获测得的占空比
		PWM_SetCompare1(Angle);						//PWM占空比Duty = CCR / 100
	}
}

以下为PWM.C函数，控制STM32F103C8T6的PA0输出PWM波形。

#include "stm32f10x.h"                  // Device header

/**
  * 函    数：PWM初始化
  * 参    数：无
  * 返 回 值：无
  */
void PWM_Init(void)
{
	/*开启时钟*/
	RCC_APB1PeriphClockCmd(RCC_APB1Periph_TIM2, ENABLE);			//开启TIM2的时钟
	RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOA, ENABLE);			//开启GPIOA的时钟
	
		/*GPIO重映射*/
//	RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_AFIO, ENABLE);			//开启AFIO的时钟，重映射必须先开启AFIO的时钟
//	GPIO_PinRemapConfig(GPIO_PartialRemap1_TIM2, ENABLE);			//将TIM2的引脚部分重映射，具体的映射方案需查看参考手册
//	GPIO_PinRemapConfig(GPIO_Remap_SWJ_JTAGDisable, ENABLE);		//将JTAG引脚失能，作为普通GPIO引脚使用
	
		/*GPIO初始化*/
	GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;
	GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_AF_PP;
	GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_0;		//GPIO_Pin_0;
	GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
	GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStructure);							//将PA0引脚初始化为复用推挽输出	
																		//受外设控制的引脚，均需要配置为复用模式		
			
				/*配置时钟源*/
	TIM_InternalClockConfig(TIM2);		//选择TIM2为内部时钟，若不调用此函数，TIM默认也为内部时钟
	
		/*时基单元初始化*/
	TIM_TimeBaseInitTypeDef TIM_TimeBaseInitStructure;				//定义结构体变量
	TIM_TimeBaseInitStructure.TIM_ClockDivision = TIM_CKD_DIV1;     //时钟分频，选择不分频，此参数用于配置滤波器时钟，不影响时基单元功能
	TIM_TimeBaseInitStructure.TIM_CounterMode = TIM_CounterMode_Up; //计数器模式，选择向上计数
	TIM_TimeBaseInitStructure.TIM_Period = 100 - 1;					//计数周期，即ARR的值
	TIM_TimeBaseInitStructure.TIM_Prescaler = 720 - 1;				//预分频器，即PSC的值
	TIM_TimeBaseInitStructure.TIM_RepetitionCounter = 0;            //重复计数器，高级定时器才会用到
	TIM_TimeBaseInit(TIM2, &TIM_TimeBaseInitStructure);             //将结构体变量交给TIM_TimeBaseInit，配置TIM2的时基单元
	
		/*输出比较初始化*/
	TIM_OCInitTypeDef TIM_OCInitStructure;							//定义结构体变量
	TIM_OCStructInit(&TIM_OCInitStructure);							//结构体初始化，若结构体没有完整赋值
																	//则最好执行此函数，给结构体所有成员都赋一个默认值
																	//避免结构体初值不确定的问题
	TIM_OCInitStructure.TIM_OCMode = TIM_OCMode_PWM1;				//输出比较模式，选择PWM模式1
	TIM_OCInitStructure.TIM_OCPolarity = TIM_OCPolarity_High;		//输出极性，选择为高，若选择极性为低，则输出高低电平取反
	TIM_OCInitStructure.TIM_OutputState = TIM_OutputState_Enable;	//输出使能
	TIM_OCInitStructure.TIM_Pulse = 0;								//初始的CCR值
	TIM_OC1Init(TIM2, &TIM_OCInitStructure);						//将结构体变量交给TIM_OC1Init，配置TIM2的输出比较通道1
	
		/*TIM使能*/
	TIM_Cmd(TIM2, ENABLE);			//使能TIM2，定时器开始运行
}

/**
  * 函    数：PWM设置CCR
  * 参    数：Compare 要写入的CCR的值，范围：0~100
  * 返 回 值：无
  * 注意事项：CCR和ARR共同决定占空比，此函数仅设置CCR的值，并不直接是占空比
  *           占空比Duty = CCR / (ARR + 1)
  */
void PWM_SetCompare1(uint16_t Compare)
{
	TIM_SetCompare1(TIM2, Compare);		//设置CCR1的值
}

/**
  * 函    数：PWM设置PSC
  * 参    数：Prescaler 要写入的PSC的值，范围：0~65535
  * 返 回 值：无
  * 注意事项：PSC和ARR共同决定频率，此函数仅设置PSC的值，并不直接是频率
  *           频率Freq = CK_PSC / (PSC + 1) / (ARR + 1)
  */
void PWM_SetPrescaler(uint16_t Prescaler)
{
	TIM_PrescalerConfig(TIM2, Prescaler, TIM_PSCReloadMode_Immediate);		//设置PSC的值
}

模块调通功能展示图说明

1. 功能展示图示意

功能展示图

+-------------------+      +-------------------+      +-------------------+
|   PWM信号发生器    |----->|   隔离保护模块    |----->|   示波器/万用表      |
| (如信号源/MCU)    |      |   (本设计模块)    |      |  
+-------------------+      +-------------------+      +-------------------+
         |                        |                          |
      SEL/VCC/GND              VOUT/GND                  VOUT波形

2. 调通测试用到的其他硬件/工具

• PWM信号源
• • 可用任意单片机开发板（如STM32、Arduino）、信号发生器或专用PWM发生器输出标准PWM信号。
  • 连接J3端子（PWM、SEL、VCC、GND）。
• 示波器
• • 用于监测模块输出端（J2 VOUT）PWM波形，验证信号完整性、隔离效果及抗干扰能力。
• 负载设备
• • 可选用小型直流电机、LED灯、继电器等，实际验证模块输出驱动能力和保护效果。
• 电源
• • 提供3.3V或5V（根据模块VCC设计）稳定电源，供模块及信号源使用。
• 万用表
• • 检查各端口电压、电流，辅助调试。

3. 调通过程简述

1. 连接PWM信号源至模块输入端（J3），确保VCC、GND正确无误。
2. 输出端（J2）连接示波器或负载，监测VOUT与GND之间的信号。
3. 上电后，观察示波器波形，应与输入PWM信号一致，且无明显畸变或干扰。
4. 切换SEL信号或调整PWM参数，验证模块响应和隔离效果。
5. 模拟浪涌或干扰，观察TVS二极管保护效果，确保输出端安全。

4. 特色说明

• 调通过程中，模块表现出良好的信号隔离和浪涌保护能力。
• 输出波形干净，延时极小，适合高可靠性场合。
• 通过多种负载测试，验证了模块的通用性和稳定性。

心得体会

在本次模块设计与调试过程中，我深刻体会到需求分析和方案选择的重要性。通过合理选用光耦和TVS等关键器件，提升了电路的隔离和保护能力。实际调试中，发现理论与实际存在差异，需多次优化电路和PCB布局，才能达到预期效果。调试过程中，善用示波器、信号源等工具，有助于快速定位和解决问题。此外，细致的接口标识和测试点预留极大方便了后续维护。整体而言，这次实践不仅提升了我的电路设计和调试能力，也积累了宝贵的工程经验。