高精度數(shù)控直流穩(wěn)壓電源的設(shè)計與實(shí)現(xiàn)

1、 高精度數(shù)控直流穩(wěn)壓電源的設(shè)計與實(shí)現(xiàn)主講人：薛蓮金1.穩(wěn)壓電源穩(wěn)壓電源是能為負(fù)載提供穩(wěn)定交流電源或直流電源的電子裝置。其中交流穩(wěn)壓電源有：u鐵磁諧振式交流穩(wěn)壓器。由飽和扼流圈與相應(yīng)的電容器組成，具有恒壓伏安特性。u磁放大器式交流穩(wěn)壓器。將磁放大器和自耦變壓器串聯(lián)而成，利用電子線路改變磁放大器的阻抗以穩(wěn)定輸出電壓。u滑動式交流穩(wěn)壓器。通過改變變壓器滑動接點(diǎn)位置穩(wěn)定輸出電壓。u感應(yīng)式交流穩(wěn)壓器?？扛淖冏儔浩鞒?、次級電壓的相位差，使輸出交流電壓穩(wěn)定。1.1概念直流穩(wěn)壓電源按其工作方式來分有以下幾種類型。u可控整流型。用改變晶體管的導(dǎo)通時間來調(diào)整輸出電壓。u斬波型。輸入是不穩(wěn)定的直流電壓，以改變開關(guān)電

2、路的通斷比得到單向脈動直流，再經(jīng)濾波后得到穩(wěn)定直流電壓。u變換器型。不穩(wěn)定直流電壓先經(jīng)逆變器變換成高頻交流電，再經(jīng)變壓、整流、濾波后，從所得新的直流輸出電壓取樣，反饋控制逆變器工作頻率，達(dá)到穩(wěn)定輸出直流電壓的目的。1.2直流穩(wěn)壓電源類型1.3直流穩(wěn)壓電源應(yīng)用線性直流電源高頻開關(guān)直流電源蓄電池充電電源 直流穩(wěn)壓電源可以作為各種晶體管儀器、儀表、電子計算機(jī)、自動控制系統(tǒng)與設(shè)備的直流電源，還可作為檢定某些電工儀表用的穩(wěn)壓、穩(wěn)流電源。直流穩(wěn)壓電源引可廣泛應(yīng)用于國防、科研、大專院校、實(shí)驗(yàn)室、工礦企業(yè)、電解、電鍍、直流電機(jī)、充電設(shè)備等。圖1 各種直流穩(wěn)壓電源2.研究目的u傳統(tǒng)的直流穩(wěn)壓電源通常用電位器和波

3、段開關(guān)來實(shí)現(xiàn)電壓的調(diào)節(jié)。u電位器易磨損難以實(shí)現(xiàn)電壓精確輸出且讀數(shù)欠直觀。u傳統(tǒng)穩(wěn)壓方式是由于電位器阻值變化為非線性，而且其調(diào)整范圍窄，難以實(shí)現(xiàn)輸出電壓精確調(diào)整。2.1傳統(tǒng)直流穩(wěn)壓電源的缺點(diǎn) 鑒于這些缺點(diǎn)，本次設(shè)計以單片機(jī)代替調(diào)節(jié)波段開關(guān)和電位器，通過不同的程序靈活更改調(diào)節(jié)方式、參數(shù)，通過電壓調(diào)節(jié)輸出，實(shí)現(xiàn)一種高精度數(shù)控直流穩(wěn)壓電源；采用鍵盤輸入及 LED 顯示作為輸出電壓顯示，使得操作簡單可靠。 基于單片機(jī)控制的數(shù)控直流電源不但實(shí)現(xiàn)了直流穩(wěn)壓的功能而且沒有上述的缺點(diǎn)。u本次設(shè)計主要由AVR ATmege 16單片機(jī)系統(tǒng)、鍵盤、數(shù)碼管顯示器、指示燈及報警電路、檢測電路、D/A轉(zhuǎn)換電路、直流穩(wěn)壓電

4、路等部分組成。u其中采用按鍵盤，可對輸出電壓及報警閾值以快慢兩種方式進(jìn)行設(shè)置，輸出由單片機(jī)通過D/A控制驅(qū)動模塊輸出一個穩(wěn)定電壓。u穩(wěn)壓方法采用單片機(jī)控制,單片機(jī)通過A/D采樣輸出電壓，與設(shè)定值進(jìn)行比較，若有偏差則調(diào)整輸出，越限則輸出報警信號并截流。u工作過程中，穩(wěn)壓電源的工作狀態(tài)(輸出電壓、電流等各種工作狀態(tài))均由單片機(jī)輸出驅(qū)動LCD顯示，由鍵盤控制進(jìn)行動態(tài)邏輯切換。2.2系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)功能 圖2 系統(tǒng)總體設(shè)計框圖 u系統(tǒng)電壓調(diào)節(jié)范圍為012V，最大輸出電流1A，具有過載和短路保護(hù)功能。u輸出電壓可用LCD1602液晶顯示。u鍵盤設(shè)有6個鍵，復(fù)位鍵，步進(jìn)增減1V兩個鍵，步進(jìn)增減0.1V兩個鍵以及確

5、認(rèn)鍵。復(fù)位鍵用于啟動參數(shù)設(shè)定狀態(tài)（5V），步進(jìn)增減鍵用于設(shè)定參數(shù)數(shù)值，確認(rèn)鍵用于確認(rèn)輸出設(shè)定值。u監(jiān)測D/A的輸出電壓值。2.3系統(tǒng)設(shè)計要求3.研究內(nèi)容和方法3.1 直流穩(wěn)壓電源的基本原理 驅(qū)動電源電路一般由電源變壓器、 整流電路濾波電路及穩(wěn)壓電路所組成。 如圖 3 所示。 圖3驅(qū)動電源電路框圖 圖4 直流穩(wěn)壓電源電路圖 電路采用三端穩(wěn)壓器LM7805來穩(wěn)壓，應(yīng)用電路如圖5所示，只要正確把輸入電壓U1加到LM7805的輸入端，LM7805的公共端接地，其輸出端便能輸出正電壓標(biāo)為U2。實(shí)際應(yīng)用中，輸入端和輸出端與地之間分別接大容量濾波電容到地。C1用于抑制自激振蕩，C2用于過濾芯片的高頻帶寬，減

6、小高頻噪聲。 圖 5三端固定式穩(wěn)壓電路3.2 數(shù)控電源的方案 數(shù)控電源的輸出電壓數(shù)值由鍵盤控制。通過鍵盤把需要輸出的電壓值以步進(jìn)方式輸入到單片機(jī)。這里電壓采用單片機(jī)的PWM模擬電壓輸出。顯示電路既可用來顯示輸出的電壓值，也可用來顯示鍵盤電路的調(diào)整過程。如果不滿足輸出電壓的要求，將需要添加一個電壓放大器。經(jīng)LM324線性轉(zhuǎn)換后，得到所需電壓值，另外對監(jiān)測電壓實(shí)際輸出電壓值進(jìn)行采樣，并將采樣值通過單片機(jī)的A/D采樣口送回單片機(jī)處理后顯示。在該數(shù)字控制電源中，使用AVR芯片完成系統(tǒng)控制按鍵輸入判斷、電壓數(shù)值顯示以及對外部芯片的各種數(shù)字控制。3.3數(shù)字控制部分 ATmega16是基于增強(qiáng)的AVR RI

7、SC結(jié)構(gòu)的低功耗8位CMOS微控制器(圖6)；數(shù)據(jù)吞吐率高達(dá)1 MIPS/MHz可以緩減系統(tǒng)在功耗和處理速度之間的矛盾；具有4通道的PWM以及8路10 bit ADC。圖6 AVR ATmega 16 單片機(jī)管腳圖本系統(tǒng)的D/A選擇常用的DAC0832。把單片機(jī)的數(shù)據(jù)線與DAC0832的輸入端直接相連即可。其各個引腳的連接及外圍如圖7所示。DAC0832為8 bit D/A轉(zhuǎn)換器，單電源供電，范圍為+5 V+15 V，基準(zhǔn)電壓范圍為10 V。電流的建立時間為1s。CMOS工藝功耗20 mW。輸入設(shè)有兩級緩沖鎖存器。圖7 DAC0832實(shí)物圖和管腳圖(1)欲將數(shù)控電壓步進(jìn)設(shè)計為1 V，需要準(zhǔn)確選

8、擇D/A的參考電壓V ref，所示用一個精密電阻進(jìn)行調(diào)節(jié)，計算方法如下：nVVnVVrefref256,256(2)數(shù)字量取0256，n取16，Vref取8 V。即數(shù)字量每步進(jìn)16個單位，模擬量改變?yōu)?.031 25 V，要達(dá)到步進(jìn)為1 V，必須放大2倍，用運(yùn)放即可。運(yùn)算放大器的原理如圖7所示。圖7 LM324構(gòu)成的運(yùn)算放大電路3.4電壓放大電路 運(yùn)算放大器通常工作在閉環(huán)狀態(tài)，將運(yùn)算放大器的放大電路接上一定的反饋電路和外接元件，就可以實(shí)現(xiàn)各種數(shù)學(xué)運(yùn)算。運(yùn)算放大器反饋電路有各種形式，不同的反饋電路和不同的輸入方式可以組成各種不同用途的運(yùn)算放大電路。 圖8是輸入信號加在反相輸入端的比例運(yùn)算電路。其

9、中R 1為輸入端電阻，R f為反饋電阻，它以并聯(lián)負(fù)反饋的方式將輸出電壓反饋到反相輸入端，為了在輸入信號U i0時，輸出U o0，電阻的選擇應(yīng)滿足R 2R 1/R f 。圖 8 運(yùn)放連接示意圖 這樣可保證運(yùn)算放大器的反相輸入端與同相輸入端的外接電阻相等，使其處于對稱平衡狀態(tài)，以消除運(yùn)算放大器的偏置電流對輸出電壓的影響，因此，稱R2 為平衡電阻。 由理想運(yùn)放的兩條重要結(jié)論可知，I10，U+U-。通過R1的電流I1，即：If=I1，又由于運(yùn)放的通向輸入端接地，U+=0，所以可得U+U-，也就是說，當(dāng)同相端接地，U+=0時反相輸入端電位U-0，它是一個不接地“地”，稱為“虛地”?！疤摰亍钡拇嬖谑沁\(yùn)算電

10、路在閉環(huán)工作狀態(tài)下的一個重要特征。 由圖8可得： I 上式表明，該電路的輸出電壓與輸入電壓之比僅由電阻Rf與R1的比值決定，而與集成運(yùn)放本身的參數(shù)無關(guān)。中的負(fù)號表示輸出電壓與輸入電壓反相，因而稱為反相比例運(yùn)算放大電路。當(dāng)R1R f時，Uo-Ui，反相輸入比例運(yùn)算電路就成了反相器。 ii13.5 顯示電路設(shè)計數(shù)控電源的數(shù)據(jù)顯示采用 LCD1602 液晶顯示，如圖 9 所示。 圖9 LCD1602管腳和實(shí)物圖LCD1602采用標(biāo)準(zhǔn)的16腳接口，各管腳功能如下，其中： 第1腳：GND為電源地。 第2腳：VCC接5V電源正極。 第3腳：V0為液晶顯示器對比度調(diào)整端，接正電源時對比度最弱，接地電源時對比

11、度最高（對比度過高時會 產(chǎn)生“鬼影”，使用時可以通過一個10K的電位器調(diào)整對比度）。 第4腳：RS為寄存器選擇。高電平1時選擇數(shù)據(jù)寄存器、低電平0時選擇指令寄存器。 第5腳：RW為讀寫信號線，高電平(1)時進(jìn)行讀操作，電平(0)時進(jìn)行寫操作。 第6腳：E(或EN)端為使能(enable)端,高電平（1）時讀取信息，負(fù)跳變時執(zhí)行指令。 第714腳：D0D7為8位雙向數(shù)據(jù)端。 第1516腳：空腳或背燈電源。15腳背光正極，16腳背光負(fù)極。 4.軟件設(shè)計 控制程序使用C語言編寫，在ICCAVR平臺下編譯通過，運(yùn)用雙龍下載軟件將程序下載到芯片。當(dāng)按鍵按下，可進(jìn)行電壓調(diào)整，最大可調(diào)節(jié)電壓為1 V，步進(jìn)為

12、0.1 V。在按鍵加減的過程中，LCD模塊顯示的電壓隨著上下變化，當(dāng)按鍵不動作后，將單片機(jī)的PWM模擬輸出電壓經(jīng)二次濾波電路輸出，經(jīng)線性，放大得到與顯示電壓值相同的電壓。4.1 程序設(shè)計流程圖設(shè)計流程圖分為三大部分，即主程序流程圖、鍵盤掃描流程圖和鍵盤控制流程圖。主程序流程圖如圖10所示。圖10程序流程圖4.2調(diào)試 準(zhǔn)備就緒后，將變壓器通電，開始進(jìn)行測試，檢測它們是否達(dá)到設(shè)計要求。檢查的項(xiàng)目包括輸出電壓范圍、整個輸出電壓范圍內(nèi)的步進(jìn)調(diào)整值、輸出電壓與預(yù)置電壓是否匹配以及數(shù)字電壓表功能的精準(zhǔn)度。數(shù)控電源系統(tǒng)的供電由直流穩(wěn)壓電源提供，由硬件電路的15 V電源和5 V電源提供。電壓測試結(jié)果如表1所示。 以上為電壓測試結(jié)果，由于PWM的分辨率為0.2，所以其誤差范圍可以限制在00.2 V左右，在這個范圍內(nèi)產(chǎn)生誤差是允許的。因此監(jiān)測電壓與輸出電壓基本一致。因?yàn)镻WM輸出為8 bit，分辨率=PWM占空比/250，那么當(dāng)占空比值變化1時，其電壓變化為0.02 V，之后運(yùn)放將電壓放大變化0.04 V。所以可達(dá)到電壓變化精度為0.04 V。表1 測試結(jié)果及對比 5總結(jié) 本文設(shè)計了一種基于16位AVR單片機(jī)ATMege16的數(shù)控直流電源以解決傳統(tǒng)數(shù)控電源價格昂貴,誤差較大,人機(jī)交互性較差。本電源用過鍵盤輸入或者串口通信發(fā)送數(shù)據(jù)控制單片機(jī),由單片機(jī)完