數顯直流穩壓電源的研究與設計

馮澤虎 馮煥芝

[摘 要]本文所介紹的電源是由步進式電壓輸出構成的穩壓電源。步進式電壓輸出以AT89S52單片機為核心控制器件,采用D/A轉換器DAC0832將單片機輸出的數字量轉換成模擬量,然后通過I/U轉換以電壓形式輸出。過流保護電路采用ADC0809將取樣的模擬量轉換成數字量送入單片機處理;以LCD1602作為主要器件實現輸出電壓顯示之用。輸出終端用2N3055進行電流放大。此電源不僅擁有完善的過流保護功能、直觀的電壓顯示、良好的穩定性和較大的輸出電流,而且能以0.1V步進遞增或遞減電壓,足以滿足眾多實驗場合的需求。

[關鍵詞]單片機 D/A轉換器 過流保護 A/D轉換器 LCD1602

[中圖分類號]TP[文獻標識碼]A[文章編號]1007-9416(2009)12-0029-02

1 引言

隨著計算機、通信、工業自動化、電機電器和家用電器等行業的發展,電源——電子電路的動力源、電子工業的基礎產品也迅速發展。直流穩壓電源是電源領域的一個重要分支,對它的研究一直都倍受關注。也從來都沒有間斷過,當然關于這方面的文獻也層出不窮。可是,對于它的自動控制功能及使用壽命方面,還未得到完全的解決,還有待進一步研究。

直流穩壓電源本身就是電子領域發展的基礎,實現它的自動控制必然會促進電子領域各方面的發展。基于單片機控制的直流穩壓電源就可以更容易的實現控制的自動化,使人們對它的操作更方便,功能更完善,輸出電壓精度和穩定性更高,使用壽命也會更長久。

2 本系統功能特點

本系統除了要能夠輸出穩定性良好、噪聲小、精度高、紋波小的性能外,還要求能夠大電流輸出,且輸出電壓可調。具體功能特點及要求有:

(1)電源最大輸出電流可達2.5A,輸出電壓從0.0V～+12.0V以0.1V步進連續可調(遞增或遞減),輸出電壓在小于+3v時,短路保護,在輸出電壓為+3V～+24V時輸出電流超過2.5A時保護。

(2)輸出端無論是過流還是短路,保護電路的動作都是以切斷輸出回路的方式工作,且當輸出短路不再存在或負載足夠輕時電路會自動恢復正常工作狀態。保護動作時兼有聲光報警信號。

3 系統硬件的設計與實現

系統硬件的結構框圖如圖1所示。主要由單片機、LCD顯示、檢測與保護電路、報警電路及鍵盤輸入電路組成。

3.1 原理分析

3.1.1 步進電壓輸出電源組工作原理

在這部分電路中主要的器件有單片機AT89S52、D/A轉換器DAC0832、運放OP07和電流放大所用到的三極管。

3.1.2 保護電路工作原理

保護環節的硬件電路主要由取樣電路、A/D轉換電路、單片機、保護控制與報警電路四部分構成。構成框圖如圖3所示。

它能在輸出端短路或是負載過重導致的過流現象存在時動作,以切斷輸出回路保護電源本身不致損壞。

3.2 印制電路板設計

本系統因數字信號與模擬信號、小信號與與大幅度信號共存,所以在PCB制板時,應特別注意干擾與抗干擾問題。

3.2.1 電路布線方法

在系統的PCB板的布局之前,應仔細考慮如何放置元器件來抗電磁干擾。各部件之間的引線要盡量短。在布局上,要把模擬信號、高速數字電路和噪聲源(如大電流開關等)這三部分合理分開,使相互間的偶合最小。放置元器件時,應仔細考慮如何在子系統之間布線,包括時鐘和晶體電路。元器件應均勻、整齊和緊湊地排列在PCB上,盡量減少和縮短各元器件之間的引線和連接。

3.2.2 本系統印制電路板的設計結果

本系統印制電路板繪制所用的軟件為Altium公司開發的Protel 2004版本,繪制出的最終PCB布線圖如圖4。

4 系統軟件設計

本系統的軟件用C語言編寫而成。

主程序流程圖如圖5所示。

5 性能測試

5.1 測量儀器

1)DT1000型數字萬用表

高性能數字萬用表,可以高精度測量電壓與電流。

①測量電流

量程:10mA(只適用于DC)、100mA(只適用于DC)、1A、3A。

最高分辨率:10nA(在10mA量程)。

AC技術:RMS,AC耦合。

②測量電壓

量程:100mV、1V、10V、100V或1000V(750Vac)。

最大分辨率:100nV(在100mV的量程時)。

AC技術:RMS及AC耦合測量。

2)示波器

采用DS-8824P,4通道數字存儲示波器,最大帶寬150MHz,400MS/s。

5.2 結果分析

(1)由于選擇A/D與D/A轉換器精度遠高過指標要求的精度,且電路中所用的電阻均采用精密電阻,所以可以保證設定值和實際測量值的精度要求;

(2)采取高質量穩壓電源供電等措施,使得輸出電流的諧波大大低于設計要求;

(3)輸出端并聯大容量的電容濾波與優質高頻吸收電容(突波電容),進一步降低輸出電壓的紋波系數。

(4)設定值與測量值的最大誤差小,從上面的表中可以知道Ue=Um-Us(Um為測量值,Us為設定值),最大為0.06V。

(5)本系統的最大輸出功率:

P =Umax1×Iom1

=12V×2.5A

=30W

5.3 輸出顯示的誤差分析

輸出顯示部分的誤差,主要取決于對輸出電壓采樣通道的取樣電阻、A/D溫度誤差及基準源誤差的確定。為了減少這一通道的誤差,使用熱穩定性能良好的康銅絲制作取樣電阻,并選取較大的阻值,使得在電流較低時也能獲得較大的電壓值;選擇高精度的儀器專用運放(OP07),并將A/D芯片遠離發熱量較大的電源主電路。

5.4 提高系統精度的技術措施

根據設計要求,在分析設計前,計算好每個模塊允許的誤差范圍,采取相應的措施將誤差減小到允許的誤差范圍以內。

控制策略方面:采用可靠的硬件閉環反饋控制與軟件修正的算法實現雙回調控。

器件選型方面:選用轉換精度達8位的DAC0832,確保給定量的精度達標。

濾波措施方面:輸出端并聯大容量的電容濾波與優質高頻吸收電容(突波電容),進一步降低輸出電壓的紋波系數。

其他方面:對電磁兼容的全面考慮和技術處理,合理的熱設計。

6 結語

本文介紹的電路在理論上成熟之后,為了確保電路的可行性,在做印制電路板之前先進行了各單元電路的驗證。這使得后期的硬件設計周期大大縮短,成功率也得到提高。在整個設計制作過程中,始終關注系統的性能指標、功能要求和運行穩定性,采取了諸多有效措施,實現了系統的各項要求。

[參考文獻]

[1] 顧濱,趙偉軍,王 泰,鮑可進,李鐵香編著.單片機微計算機原理、開發及應用[M].北京:高等教育出版社,2000

[2] 孫育才,王榮興,孫華芳編著.ATMEL新型AT89S52系列單片機及其應用[M].北京:清華大學出版社,2005

[3] 薛永毅,王淑英,何希才編著.新型電源電路應用實例[M].北京:電子工業出版社,2001

[4] 吳慎山主編;彭玉峰,楊豪強副主編.電子線路設計與實踐[M].北京:電子工業出版社,2005

[5] 方大千,鮑俏偉編著.實用電源及其保護電路[M].北京:人民郵電出版社,2003

[6] Donald A.Neaman 著.Electronic Circuit Analysis and Design[M].北京:電子工業出版社,2003.