数显直流稳压电源的研究与设计

冯泽虎 冯焕芝

[摘 要]本文所介绍的电源是由步进式电压输出构成的稳压电源。步进式电压输出以AT89S52单片机为核心控制器件,采用D/A转换器DAC0832将单片机输出的数字量转换成模拟量,然后通过I/U转换以电压形式输出。过流保护电路采用ADC0809将取样的模拟量转换成数字量送入单片机处理;以LCD1602作为主要器件实现输出电压显示之用。输出终端用2N3055进行电流放大。此电源不仅拥有完善的过流保护功能、直观的电压显示、良好的稳定性和较大的输出电流,而且能以0.1V步进递增或递减电压,足以满足众多实验场合的需求。

[关键词]单片机 D/A转换器 过流保护 A/D转换器 LCD1602

[中图分类号]TP[文献标识码]A[文章编号]1007-9416(2009)12-0029-02

1 引言

随着计算机、通信、工业自动化、电机电器和家用电器等行业的发展,电源——电子电路的动力源、电子工业的基础产品也迅速发展。直流稳压电源是电源领域的一个重要分支,对它的研究一直都倍受关注。也从来都没有间断过,当然关于这方面的文献也层出不穷。可是,对于它的自动控制功能及使用寿命方面,还未得到完全的解决,还有待进一步研究。

直流稳压电源本身就是电子领域发展的基础,实现它的自动控制必然会促进电子领域各方面的发展。基于单片机控制的直流稳压电源就可以更容易的实现控制的自动化,使人们对它的操作更方便,功能更完善,输出电压精度和稳定性更高,使用寿命也会更长久。

2 本系统功能特点

本系统除了要能够输出稳定性良好、噪声小、精度高、纹波小的性能外,还要求能够大电流输出,且输出电压可调。具体功能特点及要求有:

(1)电源最大输出电流可达2.5A,输出电压从0.0V～+12.0V以0.1V步进连续可调(递增或递减),输出电压在小于+3v时,短路保护,在输出电压为+3V～+24V时输出电流超过2.5A时保护。

(2)输出端无论是过流还是短路,保护电路的动作都是以切断输出回路的方式工作,且当输出短路不再存在或负载足够轻时电路会自动恢复正常工作状态。保护动作时兼有声光报警信号。

3 系统硬件的设计与实现

系统硬件的结构框图如图1所示。主要由单片机、LCD显示、检测与保护电路、报警电路及键盘输入电路组成。

3.1 原理分析

3.1.1 步进电压输出电源组工作原理

在这部分电路中主要的器件有单片机AT89S52、D/A转换器DAC0832、运放OP07和电流放大所用到的三极管。

3.1.2 保护电路工作原理

保护环节的硬件电路主要由取样电路、A/D转换电路、单片机、保护控制与报警电路四部分构成。构成框图如图3所示。

它能在输出端短路或是负载过重导致的过流现象存在时动作,以切断输出回路保护电源本身不致损坏。

3.2 印制电路板设计

本系统因数字信号与模拟信号、小信号与与大幅度信号共存,所以在PCB制板时,应特别注意干扰与抗干扰问题。

3.2.1 电路布线方法

在系统的PCB板的布局之前,应仔细考虑如何放置元器件来抗电磁干扰。各部件之间的引线要尽量短。在布局上,要把模拟信号、高速数字电路和噪声源(如大电流开关等)这三部分合理分开,使相互间的偶合最小。放置元器件时,应仔细考虑如何在子系统之间布线,包括时钟和晶体电路。元器件应均匀、整齐和紧凑地排列在PCB上,尽量减少和缩短各元器件之间的引线和连接。

3.2.2 本系统印制电路板的设计结果

本系统印制电路板绘制所用的软件为Altium公司开发的Protel 2004版本,绘制出的最终PCB布线图如图4。

4 系统软件设计

本系统的软件用C语言编写而成。

主程序流程图如图5所示。

5 性能测试

5.1 测量仪器

1)DT1000型数字万用表

高性能数字万用表,可以高精度测量电压与电流。

①测量电流

量程:10mA(只适用于DC)、100mA(只适用于DC)、1A、3A。

最高分辨率:10nA(在10mA量程)。

AC技术:RMS,AC耦合。

②测量电压

量程:100mV、1V、10V、100V或1000V(750Vac)。

最大分辨率:100nV(在100mV的量程时)。

AC技术:RMS及AC耦合测量。

2)示波器

采用DS-8824P,4通道数字存储示波器,最大带宽150MHz,400MS/s。

5.2 结果分析

(1)由于选择A/D与D/A转换器精度远高过指标要求的精度,且电路中所用的电阻均采用精密电阻,所以可以保证设定值和实际测量值的精度要求;

(2)采取高质量稳压电源供电等措施,使得输出电流的谐波大大低于设计要求;

(3)输出端并联大容量的电容滤波与优质高频吸收电容(突波电容),进一步降低输出电压的纹波系数。

(4)设定值与测量值的最大误差小,从上面的表中可以知道Ue=Um-Us(Um为测量值,Us为设定值),最大为0.06V。

(5)本系统的最大输出功率:

P =Umax1×Iom1

=12V×2.5A

=30W

5.3 输出显示的误差分析

输出显示部分的误差,主要取决于对输出电压采样通道的取样电阻、A/D温度误差及基准源误差的确定。为了减少这一通道的误差,使用热稳定性能良好的康铜丝制作取样电阻,并选取较大的阻值,使得在电流较低时也能获得较大的电压值;选择高精度的仪器专用运放(OP07),并将A/D芯片远离发热量较大的电源主电路。

5.4 提高系统精度的技术措施

根据设计要求,在分析设计前,计算好每个模块允许的误差范围,采取相应的措施将误差减小到允许的误差范围以内。

控制策略方面:采用可靠的硬件闭环反馈控制与软件修正的算法实现双回调控。

器件选型方面:选用转换精度达8位的DAC0832,确保给定量的精度达标。

滤波措施方面:输出端并联大容量的电容滤波与优质高频吸收电容(突波电容),进一步降低输出电压的纹波系数。

其他方面:对电磁兼容的全面考虑和技术处理,合理的热设计。

6 结语

本文介绍的电路在理论上成熟之后,为了确保电路的可行性,在做印制电路板之前先进行了各单元电路的验证。这使得后期的硬件设计周期大大缩短,成功率也得到提高。在整个设计制作过程中,始终关注系统的性能指标、功能要求和运行稳定性,采取了诸多有效措施,实现了系统的各项要求。

[参考文献]

[1] 顾滨,赵伟军,王 泰,鲍可进,李铁香编著.单片机微计算机原理、开发及应用[M].北京:高等教育出版社,2000

[2] 孙育才,王荣兴,孙华芳编著.ATMEL新型AT89S52系列单片机及其应用[M].北京:清华大学出版社,2005

[3] 薛永毅,王淑英,何希才编著.新型电源电路应用实例[M].北京:电子工业出版社,2001

[4] 吴慎山主编;彭玉峰,杨豪强副主编.电子线路设计与实践[M].北京:电子工业出版社,2005

[5] 方大千,鲍俏伟编著.实用电源及其保护电路[M].北京:人民邮电出版社,2003

[6] Donald A.Neaman 著.Electronic Circuit Analysis and Design[M].北京:电子工业出版社,2003.