一款高精度直流電源設計*

王志偉，陸錦軍，李德軍

（1.江蘇信息職業技術學院機電工程學院，江蘇 無錫214153；2.無錫智航控制技術有限公司，江蘇無錫214028）

0 引 言

高精度傳感器、線性系統信號轉換模塊等是航空航天測控系統的重要組成部分，其測量精度要求遠遠超過一般民用測控系統，要求系統每一個部分都不存在短板，作為航天測控系統重要組成部分的直流供電電源，其輸出電壓的質量決定了信號測試和轉換的精度。該供電電源系統設計仍以變壓、整流、濾波及穩壓作為基本架構，但通過優化電路結構，增加反饋綁定等環節搭建多路高精度直流供電電源，使電源在負載改變的情況下仍能保證高精度輸出，同時利用（C8051F005單片機+TM12864Z-1）和研華上位機通過數據采集卡實時監控電源系統及測控系統其它模塊的輸出［1］。通過運用高品質元件以及對電路結構的獨特設計，電源在交流供電電源波動及負載變化的過程中，實現了電壓的穩定輸出和高精度輸出。

1 系統總體設計

系統由整流、濾波、反饋綁定、穩壓及顯示、上位機模擬量采集等組成，其輸出電壓分±15 V和5 V兩組（3路）輸出（見圖1）。

±15 V直流電源設計參數為：輸出精度優于±0.15 V，不同負載下（輸出電流0～2 A）電壓穩定度≤1%。

+5 V電源設計參數為：輸出精度優于±0.05 V，不同負載下（輸出電流0～2 A）電壓穩定度≤0.5%。

+5 V、±15 V電源每路最高輸出電流單路可達2 A，各路電源波紋分量應不大于5 mV，并以輸出1 A負載電流作為該電路標準調校電流值。同時為實現電路電壓的超高精度，要求每一部分電路核心部件采用高性能集成電路及高精度軍品級分立元器件［2］。

圖1 系統結構框圖Fig.1 Block diagram of system structure

單片機監控電路測試及面板顯示范圍分別為0～6 V及（-18～+17.3）V。上位機通過16位高分辨率凌華（PCI-6208+6216）數據采集卡采集三組模擬量電壓信號。

2 系統電路設計

系統硬件電路包括±15 V、5 V電源、單片機基準電源和前級信號處理電路、單片機及顯示模塊等組成。

2.1 ±15 V直流電源設計

±15V電源（見圖2）由變壓、整流、濾波、+15 V穩壓電路、-15 V反饋綁定電路組成。其中C5和C9選用10 000μF／50 V大電容保證濾波，穩壓管TVS1和TVS2（IN4750）先行穩壓，所選三端穩壓器LM317具有調壓范圍寬、穩壓性能好、噪聲低、負載調整率小（可達0.1%）、紋波抑制比高等優點，D1進行箝位保護，利用精密方形電位器RV3將+VS調整至+15 V，R3和R7均為精密電阻，利用精密電位器RV1及高壓大電流運放OPA551形成反饋回路，從而將負電壓與正電壓絕對值同步綁定，功率三極管TIP42提供足夠大的負載電流，后級旁路電容 C1、C2、C12、C13過濾旁路高頻干擾信號。

圖2 ±15V直流供電模塊Fig.2 ±15V DC power supplymodule

2.2 +5 V直流電源設計

同理+5 V電源采用7 V交流輸入，整流、濾波、穩壓均采用與+15 V電源相同電路架構（見圖3）。

圖3 +5 V直流供電模塊Fig.3 5 V DC power supplymodule

2.3 基準電源和前級信號處理電路設計

為保證轉換精度以及單片機的工作要求，系統需要高精度的供電電源和超高精度基準電壓源，通過高精度電源轉換芯片AMS1117-3.3給并通過5 V直流電源給單片機提供3.3 V供電電壓。基準電壓源選用超高精度帶隙基準電壓源AD780，為單片機系統提供2.4 V基準電壓VREF，它具有低初始誤差、低溫度漂移和低輸出噪聲，精度可達±1 mV的特點，非常適合用于增強高分辨率ADC和DAC的性能，以及任何通用精密基準電壓源應用［3］（見圖4（a））。

圖4 單片機基準電源和前級信號處理電路Fig.4 Reference power supply and front stage signal processing circuit of SCM

2.4 單片機及顯示模塊配置

系統選用 C8051F005作為控制核心［6-7］，其具有8個12位AD轉換接口，單片機采用內部25MHz時鐘頻率，完全滿足系統電壓的轉換速度和精度需要。

系統顯示模塊選用TM12864Z-1，具有4位／8位并行、2線或3線串行多種接口方式，既可以顯示8×4行16×16點陣的漢字，也可完成圖形顯示，具有低電壓、低功耗的顯著特點［8］，系統單片機配置如圖5所示，在該系統中，通過程序將接口方式設為并行，面板實測數據見圖6。

圖5 系統單片機配置Fig.5 System of SCM configuration

圖6 顯示實物Fig.6 Display physical

3 系統程序設計

系統按模塊化方式編程，其主要程序塊包括初始化、AD轉換、ADC校準、LCD12864顯示等程序塊，如圖7。

圖7 程序流程圖Fig.7 Program flow chart

3.1 單片機檢測程序設計

由于采用了12位AD轉換器，故±15 V理論電壓顯示分辨率可達，故完全可滿足測試板與顯示器進行標準調校的精度要求［8］。

3.2 上位機程序設計

系統上位機通過凌華（PCI-6208+6216）數據采集卡采集+5 V、±15 V在負載情況下的實時電壓和電流參數值。

上位機程序為：

4 實驗結果與分析

產品測試時先進行標準值校準，即連接功率電阻，并使輸出電流為1 A，通過調整RV1～RV3值以及程序中設定參數值，使LCD顯示值調節到±15.00 V和+5 V左右。后通過對電路給定負載使輸出電流從0 A～2 A從變化的過程用采樣測試20點電壓（見圖8），每一個測試點誤差均小于1%，由測試結果可知，轉換精度、電壓穩定度等參數均達到設計要求，證明了設計電路的正確性、合理性和實用性。

圖8 電源采樣測試曲線Fig.8 Power sampling test curve

5 結束語

本文利用單片機（C8051F005）及高性能信號處理電路搭建高精度多通道數據采集模塊，設計了一款高精度線性電源，經產品性能測試與應用，表明所設計的電源精度高，運行可靠，滿足航天測控電源要求。