數(shù)控直流穩(wěn)壓電源

1、.基于 MCU 的數(shù)控直流穩(wěn)壓電源設(shè)計(jì)摘要： 本項(xiàng)目設(shè)計(jì)制作一個(gè)輸出電壓范圍（612V）可調(diào)節(jié)和輸出電流范圍（ 0500mA）可調(diào)節(jié)的數(shù)控直流穩(wěn)壓電源。 直流穩(wěn)壓電源通常是由四部分組成：電源變壓器、整流電路、濾波電路和穩(wěn)壓電路。其中難點(diǎn)在第四部分，本項(xiàng)目設(shè)計(jì)制作的是一個(gè)串聯(lián)型線(xiàn)性穩(wěn)壓電路，主要包括基準(zhǔn)電壓電路，調(diào)整管，比較放大，取樣電路四個(gè)單元模塊。 本項(xiàng)目將基準(zhǔn)電壓設(shè)計(jì)成一個(gè)數(shù)控基準(zhǔn)電壓，則穩(wěn)壓電路就可以構(gòu)成一個(gè)數(shù)控的穩(wěn)壓電源。此基準(zhǔn)電壓通過(guò)單片機(jī)的 A/D 轉(zhuǎn)換實(shí)現(xiàn)，通過(guò)差動(dòng)放大電路與取樣電壓進(jìn)行比較放大，輸出電壓通過(guò)調(diào)整管得到穩(wěn)定，并通過(guò)單片機(jī)的 D/A 轉(zhuǎn)換將采樣電壓，采樣電流轉(zhuǎn)換成輸

2、出電壓電流并用數(shù)碼管顯示出來(lái)。本項(xiàng)目制作的數(shù)控直流穩(wěn)壓電源具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、調(diào)節(jié)方便、輸出電壓穩(wěn)定性強(qiáng)、紋波電壓小等優(yōu)點(diǎn)。關(guān)鍵字： 數(shù)控直流穩(wěn)壓電源；基準(zhǔn)電壓；取樣電路；單片機(jī)一、設(shè)計(jì)任務(wù)與要求1、設(shè)計(jì)任務(wù)設(shè)計(jì)并制作有一定輸出電壓調(diào)節(jié)范圍和功能的數(shù)控直流穩(wěn)壓電源，其原理框圖如圖1所示。電源穩(wěn)壓電路負(fù)載輸出電壓顯示控制器電流采樣鍵盤(pán)圖 1 數(shù)控電源原理框圖2、 基本要求（1）輸出直流電壓調(diào)節(jié)范圍 +6V +12V。（2）最大輸出電流為500mA。（3）按鍵設(shè)定輸出電壓值，分辨率為0.1V。（4）顯示穩(wěn)壓電源實(shí)際輸出電壓值， 要求精度為 （ 0.5讀數(shù) 2 個(gè)字）。（5）實(shí)時(shí)采樣并顯示輸出電流，顯示分

3、辨率為1mA ，要求精度為 （2%讀數(shù) +2 個(gè)字）。（6）電壓調(diào)整率 0.2%（輸入電壓變化范圍 10% 10%下，空載到滿(mǎn)載）。（7）電流調(diào)整率 1%（最低輸入電壓下，滿(mǎn)載） 。（8）紋波電壓（峰 -峰值） 10mV（最低輸入電壓下，滿(mǎn)載） 。（9） 具有過(guò)流保護(hù)功能；動(dòng)作電流不大于 600 mA 。（動(dòng)作電流為輸出電壓下降 5%時(shí)，對(duì)應(yīng)的輸出電流值）.（10）要求一路單電源供電。二、基本工作原理一個(gè)直流穩(wěn)壓電源通常是由電源變壓器、整流電路、濾波電路和穩(wěn)壓電路四個(gè)部分構(gòu)成，前三部分電路的作用及工作原理較為簡(jiǎn)單。穩(wěn)壓電路較常用的串聯(lián)型線(xiàn)性穩(wěn)壓電路具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、調(diào)節(jié)方便、輸出電壓穩(wěn)定性強(qiáng)、紋波

4、電壓小等優(yōu)點(diǎn)，其原理圖如圖 2 所示。輸入電壓為整流濾波電路的輸出電壓。調(diào)整管取樣電路+比較放大+R1UORARLUIR2基準(zhǔn)電壓電路DZ-圖 2串聯(lián)型穩(wěn)壓電路原理圖穩(wěn)壓電路的輸出電壓為：R1U ZU O1R2Uz圖 3 采用差動(dòng)放大電路的穩(wěn)壓電路由上式可知輸出電壓與基準(zhǔn)電壓為線(xiàn)性關(guān)系，當(dāng)改變Uz 的大小，則輸出電壓也將發(fā)生變化。如果此基準(zhǔn)電壓是一個(gè)數(shù)控基準(zhǔn)電壓，則此穩(wěn)壓電路就可以構(gòu)成一個(gè)數(shù)控的穩(wěn)壓電源。數(shù)控基準(zhǔn)電壓源的原理框圖如圖3 所示。輸輸輸輸輸輸輸輸輸輸輸輸D/A輸輸輸輸輸輸輸輸.圖 4 數(shù)控基準(zhǔn)電壓源原三、 單元電路設(shè)計(jì)參考（ 1）穩(wěn)壓電路串聯(lián)型穩(wěn)壓電路參見(jiàn)圖 2，其中調(diào)整管是核心元

5、件， 它的安全工作是電路正常工作的保證， 它的選用主要考慮其極限參數(shù) ICM ，U（ BR ）CEO 和 PCM 。調(diào)整管極限參數(shù)的確定，必須考慮到輸入電壓 UI 由于電網(wǎng)電壓波動(dòng)而產(chǎn)生的變化，以及輸出電壓的調(diào)節(jié)和負(fù)載電流的變化所產(chǎn)生的影響。由圖可知，調(diào)整管的發(fā)射極電流IE 等于采樣電阻 R1 中電流和負(fù)載電流 I L 之和，即 IE=I R1+IL ，調(diào)整管的管壓降 UCE 等于輸入電壓 UI 與輸出電壓 UO 之差，即 UCE=UI-UO 。顯然，當(dāng)負(fù)載電流最大時(shí)，流過(guò)調(diào)整管發(fā)射極的電流最大，即IEmax=I R1+I lmax。通常， R1 電阻上電流可以忽略，且 I EmaxI Cma

6、x，所以調(diào)整管集電極最大電流為： I CmaxIEmax（ 2）當(dāng)電網(wǎng)電壓最高，即輸入電壓最高同時(shí)輸出電壓最低時(shí)，調(diào)整管承受的管壓降最大，即UCEmax=UImax-UOmin（ 3）當(dāng)晶體管的集電極電流最大，且調(diào)整管承受的管壓降最大時(shí)，調(diào)整管的功率最大，即Pcmax= I Cmax UCEmax（ 4）由以上幾式即可確定調(diào)整管的極限參數(shù)。實(shí)際選用時(shí)，還要考慮留一定的余量。（ 5）電路設(shè)計(jì)的參數(shù)計(jì)算：圖中輸出電壓關(guān)系為： UR4R5UoZR5? = 12?= 6? = 0.7 + 0.5 600?= 1?= ?+ ?+? =12+1.5+1=14.5V取? = 17?= 17 ( 1 - 10

7、% ) = 15.3?= 17 (1 + 10%) = 18.7?0.7(?)?2 = 600(?) = 1.167 取 1.2?=?-? 取43? ?= 44311.3(?)?-?-? ?-? ?15.3-12-1.4-1?=?=5001(750 +1)?1.67= 539 取 560放大倍數(shù)為 6 倍，取 ?4 = 1.8?5 =?430 采樣電阻取值： 要滿(mǎn)足最大采樣電壓不超過(guò) 2.4V 避免燒壞單片機(jī) ADC0 口所以取值： ?7=1?6 = 5.6?1額定電流下（ 500mA ）負(fù)載是 R=12（ V)= 24f = 50?500( mA )2?C=133F 取 100F具體電阻視實(shí)

8、驗(yàn)室提供的大小進(jìn)行調(diào)整！.四、穩(wěn)壓電源主要性能指標(biāo)直流電源的技術(shù)指標(biāo)分為兩種：一種是特性指標(biāo)，包括允許輸入電壓、輸出電壓、輸出電流及輸出電壓調(diào)節(jié)范圍等；另一種是質(zhì)量指標(biāo)，用來(lái)衡量輸出直流電壓的穩(wěn)定程度，包括穩(wěn)壓系數(shù)（或電壓調(diào)整率） 、輸出電阻（或電流調(diào)整率）、紋波電壓及溫度系數(shù)等。穩(wěn)壓電源主要性能指標(biāo)測(cè)試。1、輸出電壓范圍在額定負(fù)載情況下，穩(wěn)壓電源輸出電壓可調(diào)范圍。2、輸出最大電流最大輸出電流是指穩(wěn)壓電源正常工作的情況下能輸出的最大電流， 用 I omax 表示。一般情況下的工作電流 Io Iomax，穩(wěn)壓電路內(nèi)部應(yīng)有保護(hù)電路，以防止 I oI omax 或者輸出端與地短路時(shí)損壞穩(wěn)壓器。Io+

9、輸輸+IUiUo VRL輸輸-輸輸-輸輸輸輸輸圖 5 穩(wěn)壓電源性能指標(biāo)測(cè)試電路3、紋波電壓疊加在輸出電壓上的交流電壓分量。 用示波器觀測(cè)其峰峰值一般為毫伏量級(jí)。也可用交流毫伏表測(cè)量其有效值， 但因紋波不是正弦波， 所以有一定的誤差，一般直流電源的紋波電壓 V P-P 10mV。4、電壓調(diào)整率當(dāng)輸出電流和環(huán)境溫度保持不變時(shí)，只考慮由于輸入電壓改變 Ui 所引起輸出電壓的變化量 Uo 與輸出電壓 Uo 的百分比，即SvU o100%U oU i10%（5）5、電流調(diào)整率當(dāng)輸入電壓和環(huán)境溫度保持不變時(shí)， 改變輸出電流所引起輸出電壓的變化量 Uo 與輸出電壓 Uo 的百分比，即SiU o100%（6）

10、U oIo Io max該參數(shù)用于考核器件對(duì)應(yīng)于負(fù)載變化而維持輸出電壓不變的能力。6、輸出最大電流最大輸出電流是指穩(wěn)壓電源正常工作的情況下能輸出的最大電流，用 I omax 表示。一般情況下的工作電流 I o Iomax，穩(wěn)壓電路內(nèi)部應(yīng)有保護(hù)電路，以.防止 IoIomax 或者輸出端與地短路時(shí)損壞穩(wěn)壓器。Io+被測(cè)+IU i穩(wěn)壓U o VRL-電源-滑線(xiàn)變阻器圖 15穩(wěn)壓電源性能指標(biāo)測(cè)試電路測(cè)試數(shù)據(jù)：輸入 9V 下降 5%，即 8.55V 時(shí)，最大輸出電流為 594mA；輸入 12V 下降 5%，即 11.4V 時(shí)，最大輸出電流為 598mA；所以有上述數(shù)據(jù)得到：最大輸出電流小于 600mA。

11、7、紋波電壓疊加在輸出電壓上的交流電壓分量。 用示波器觀測(cè)其峰峰值一般為毫伏量級(jí)。也可用交流毫伏表測(cè)量其有效值， 但因紋波不是正弦波， 所以有一定的誤差，一般直流電源的紋波電壓。測(cè)試數(shù)據(jù)：輸入 6.0V，輸出電流 501mA 時(shí)，示波器的波動(dòng)電壓為V p-p=8mV小于實(shí)驗(yàn)要求（ 10mV），所以達(dá)到實(shí)驗(yàn)要求。五 過(guò)流保護(hù)電路 (硬件保護(hù)）為了使電路安全工作，一般需要加入過(guò)流保護(hù)電路。當(dāng)調(diào)整管輸出電壓不變時(shí)，負(fù)載電阻 RL 變小輸出電流就變大，極限情形負(fù)載電阻短路。輸出電流變大，圖 6 中的電阻 R 上壓降增大，使得 Q2 的 ICE 電流增大，從而流向調(diào)整管基極電流變少，從而限制了輸出電流的

12、增大。極限情形當(dāng)UR 超過(guò) VBE時(shí)，三極管 Q2 飽和導(dǎo)通，調(diào)整管無(wú)電流輸出。圖 6過(guò)流保護(hù)電路圖.相關(guān)計(jì)算如下：R0.7VU1. 1677RI C max600mA根據(jù)實(shí)驗(yàn)室已有電阻，取R=1.2六、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)測(cè)量與記錄相對(duì)誤差 =|設(shè)定電壓 -實(shí)測(cè)電壓 |/實(shí)測(cè)電壓當(dāng)輸入電壓為 17V 時(shí)的測(cè)量數(shù)據(jù)：最大輸出電流設(shè)定電壓（ V ） 數(shù)碼管顯示電（ mA ）壓（ V ）（14）高精度萬(wàn)用表 相對(duì)誤差（設(shè)測(cè)量電壓（ V ） 定電壓與實(shí)測(cè)電壓的誤差）5046.006.075.911.52%5026.106.156.060.66%5076.206.226.150.81%4976.306.286.2

13、60.64%5036.406.456.410.16%5066.506.536.490.15%5027.006.976.980.28%4998.508.448.591.05%5019.008.989.090.99%50410.5010.5610.681.69%50311.0011.0511.080.72%50112.0012.0211.881.01%小結(jié)：由表中數(shù)據(jù)可知在誤差允許范圍內(nèi)系統(tǒng)基本達(dá)到設(shè)計(jì)要求。 而且單片機(jī)測(cè)量值與使用高精度電壓表的實(shí)測(cè)值很逼近。系統(tǒng)設(shè)計(jì)達(dá)標(biāo)。當(dāng)輸入電壓為 15.3V時(shí)的測(cè)量數(shù)據(jù)最大輸出電設(shè)定電壓數(shù)碼管顯示高精度萬(wàn)用相對(duì)誤差（設(shè)流（ mA ）（ V ）電壓（ V）表測(cè)

14、量電壓定電壓與實(shí)（ V ）測(cè)電壓的誤差）4956.006.146.010.17%5059.008.969.272.91%50012.0011.9012.806.25%當(dāng)輸入電壓為18.7V 時(shí)的測(cè)量數(shù)據(jù)最大輸出電流設(shè)定電壓（ V ） 數(shù)碼管顯示電高精度萬(wàn)用表相對(duì)誤差（設(shè)（ mA ）壓（ V ）測(cè)量電壓（ V ） 定電壓與實(shí)測(cè).電壓的誤差）5046.006.276.132.12%5039.009.069.454.76%49712.0012.3613.209.09%空載時(shí)測(cè)量數(shù)據(jù)：負(fù) 載 斷 開(kāi) 時(shí) 設(shè)定電壓（V） 數(shù)碼管顯示電高精度萬(wàn)用表相對(duì)誤差（設(shè)（即輸出電流壓（ V）測(cè)量電壓（ V ） 定電

15、壓與實(shí)測(cè)0 mA）電壓的誤差）0 mA6.005.296.416.39%0 mA9.007.879.373.95%0 mA12.0011.6013.7012.4%滿(mǎn)載時(shí)測(cè)量數(shù)據(jù)：輸出電流為額設(shè)定電壓（ V ） 數(shù)碼管顯示電高精度萬(wàn)用表相對(duì)誤差（設(shè)定電流時(shí)（500壓（ V）測(cè)量電壓（ V ） 定電壓與實(shí)測(cè)mA ）電壓的誤差）5046.006.075.911.52%4999.008.989.090.99%50312.0012.0211.881.01%過(guò)流保護(hù)時(shí)測(cè)量數(shù)據(jù)：設(shè)定電壓（V）額定電流 額定電流過(guò)流時(shí)電壓（ V ）過(guò)流電流（ mA ）500mA 下（ mA ）測(cè)得的電壓 (V)6.00503

16、6.066.06(1-5%)=5.755909.004978.878.87(1-5%)=8.4359412.0050211.9711.97(1-5%)=11.37598小結(jié)：由以上幾個(gè)表格的數(shù)據(jù)可看出，本實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)基本合理能夠達(dá)到設(shè)計(jì)要求。七、元器件 （設(shè)計(jì)過(guò)程用分立元件實(shí)現(xiàn)）三極管：9013 3 個(gè)， BD681 1 個(gè)，導(dǎo)線(xiàn)、電阻若干。八、實(shí)驗(yàn)總結(jié)：由上述原理分析知本項(xiàng)目設(shè)計(jì)制作一個(gè)輸出電壓范圍（ 612V）可調(diào)節(jié)和輸出電流范圍（0500mA）可調(diào)節(jié)的數(shù)控直流穩(wěn)壓電源。 由信號(hào)源提供一個(gè)直流電源設(shè)計(jì)制作一個(gè)串聯(lián)型線(xiàn)性數(shù)控穩(wěn)壓電路， 主要包括基準(zhǔn)電壓電路， 調(diào)整管，比較放大，取樣電路四個(gè)單元模

17、塊組成。 基準(zhǔn)電壓由單片機(jī)鍵盤(pán)數(shù)控輸入提供， 此基準(zhǔn)電壓通過(guò)單片機(jī)的 A/D 轉(zhuǎn)換實(shí)現(xiàn)。調(diào)整管采用 9013 三級(jí)管進(jìn)行過(guò)流保護(hù)，比較放大器采用了由兩個(gè) 9013 三極管構(gòu)成的差動(dòng)放大電路，與取樣電壓進(jìn)行比較放大，輸出電壓通過(guò)調(diào)整管得到穩(wěn)定，并通過(guò)單片機(jī)的 D/A 轉(zhuǎn)換將采樣電壓，采樣電流轉(zhuǎn)換成輸出電壓電流并用數(shù)碼管顯示出來(lái)。 本項(xiàng)目制作的數(shù)控直流穩(wěn)壓電.源達(dá)到了本實(shí)驗(yàn)的要求， 具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、 調(diào)節(jié)方便（采用單片機(jī)鍵盤(pán)數(shù)字輸入控制）、輸出電壓穩(wěn)定性強(qiáng)（電壓調(diào)整率與電流調(diào)整率 1%）、紋波電壓小 (V p-p=8mV) 、有過(guò)流保護(hù)（ IOmax600mA）等優(yōu)點(diǎn)。附錄：?jiǎn)纹瑱C(jī)代碼# inclu

18、debit model=0;/定義 model，0 為輸入數(shù)據(jù)， 1 為顯示電壓電流bit flag1=0;/定義標(biāo)志位作為 INT7 中斷標(biāo)志char data_10=0,data_1=0,data_01=0,date=0; /定義 data 表示輸入三個(gè)數(shù)據(jù)的十位，個(gè)位和十分位unsigned int DA_code=0,mun=0;/DA 轉(zhuǎn)化的數(shù)字量int voltage=0,current=0;/定義 voltage、current 表示測(cè)定的電壓、電流值int ms=0;/定義 ms 為 T0 計(jì)時(shí)單位，每過(guò)10ms，ms 加 1/時(shí)鐘初始化 ,外部時(shí)鐘 12Mvoid SYSCLK_Init(void)int i;OSCXCN=0x77;/外部時(shí)鐘選擇 12Mfor(i=0;i1)data_10=1; data_1=2;if( data_10=1&data_12)data_10=1; data_1=2;./*if(data_10=0&data_1date)/當(dāng)輸出電壓大于設(shè)定值時(shí)，減小輸出DA 數(shù)字量值if(DA_code0)DA_code-;DAC1L=DA_code%256;DAC1H=DA_code/256;/向 DAC1H 寫(xiě)數(shù)據(jù)， DA 更新輸