基于FPGA系統的程控直流穩壓電源

卜劍秋

摘要：采用EP2C70F896C6作為核心主控制器，薄膜鍵盤作為輸入裝置，用來設定電壓控制字，系統步進等級為0.010V，電壓最大值為9.900V。顯示器件LCDl602可同時顯示設置的電壓值和電壓實際輸出值。FPGA輸出的數字信號，經由D/A轉換器（DAC0832）后輸出電壓模擬量，經由LM324進行隔離放大后與功率三極管相連接，隨著功率三極管基電極電流的變化，系統輸出的電壓也會隨之改變。其中，EP2C70F896C6還要進行實時監控，輸出的電壓經過I/U轉變后，通過A/D（ADC0809）轉換器轉換，輸出相對應的數字量，再經EP2C70F896C6的分析處理，經由反饋環節后，輸出會更加穩定，從而就成功設計了一個程控直流穩壓電源。

關鍵詞：FPGA；EP2C70F896C6；DAC0832；ADC0809；雙路輸出

一、系統設計

1.穩壓供電電路結構組成

穩壓供電電源電路由電源整流電路、濾波電路和穩壓電路組成，變壓器是雙17.2V，輸入為幅度220V頻率50Hz的交流電，依次經過全波整流橋進行整流、濾波電路作用以及穩壓電路處理后可得到±15V和+5V三種輸出電壓，+5V電壓部分是給EP2C70F896C6、DAC0832以及ADC0809和LCDl602顯示等部分供電；15V電壓部分給運算放大器供電。

2.主控模塊

FPGA具有一系列優點，本設計的核心控制器FPGA芯片采用的是CycloneⅡEP2C70F896C6，Ahera Cyclone II FPGA拓展了Cyclone FPGA系列的領先優勢，擁有70000個邏輯單元，成本低、功耗低并具有收發器。CycloneⅡFPGA系列適合于的大批量低成本應用。CycloneⅡFPGA只需要兩路電源供電，這使得電源的調配大大簡化，電路板的成本大大降低，電路板的面積也相應減少，設計時間大大縮短。Altera Cyclone II FPGA采用的是60-rim低功耗技術，繼承并拓展了Cyclone FPGA的低功耗特性。與Cyclone FPGA相比，Mtera CycloneⅡFPGA內核的電壓相對而言是比較低的，總功耗降為Cyclone FPGA的75%。

二、電路擴展

穩壓部分輸出電路的參考電壓是DAC0832轉換部分輸出的電壓。穩壓電路部分的輸出與基準電壓成比例，輸出電壓范圍是0.000v-9.900V，穩壓電源部分既是一個串聯反饋型的穩壓電路，同樣也是一個直流功率放大電路，這個直流功率放大電路以參考電壓作為輸入。這部分電路由運算放大器U4A以及三極管T1、T2構成。其中，T2是一個大功率的三極管。DAC0832轉換電路輸出的電壓UOUT連接到運算放大器U4A的電壓同相端，穩壓電源的輸出經過一個取樣電路分壓后，其中取樣電路由R5、RW3和R6組成，分壓后送到運算放大器U4A的反相端，經過運放放大，然后驅動由兩個三極管組成的復合調整管。

三、系統的軟件設計

系統采用硬件描述語言VHDL按模塊化方式進行設計，并將各模塊集成于FPGA芯片中，然后通過oLlartus9.0軟件開發平臺，軟件要實現的功能是：鍵盤對EP2C70F896C輸入數據，EP2C70F896C對獲得的數據進行處理，送到DAC0832中，再送給數字電壓表，對電壓的控制也就得以實現。

A/D轉換子程序。START是高電平有效模數轉換的啟動信號；ALE是鎖存信號，進行ADDC、ADDB、ADDA3種通道地址選擇信號的鎖存。3位地址信號用于選擇模擬量輸入哪一個輸入端，而ALE用于鎖存地址信號；轉換狀態信號EOC在轉換結束后，輸出一個高電平，這表示轉換結束；若在轉換狀態信號的上升沿之后，使能信號OE變為高電平，則轉換完成的8位數據會通過打開的三態緩沖器輸入數據總線。

四、結論

本方案具有眾多明顯優點：輸出的電壓穩壓精度高（精度可達0.001V），因而，對于電壓精度要求比較高的電子設備比較適用或用在科研實驗室中充當實驗電源。本設計采用VHDL語言編程技術，便于采用先進的智能控制策略，電源系統擁有較高的智能化程度以及更完美的性能；尤其是電源能靈活控制，電源系統的升級也更加便捷，甚至本系統升級時可以不必修改硬件線路而只在線修改控制算法；這樣系統的可靠性也大大提高，標準化也更加方便，對于不同的系統或不同型號的產品，可以采用統一的控制板，在進行標準化時，只需對軟件部分做一些適當的處理。這樣也有利于提高系統的一致性，降低相應的成本，生產制造上也更加方便。