【正文】 數(shù)控直流穩(wěn)壓電源設(shè)計(jì) 1 數(shù)控直流穩(wěn)壓電源設(shè)計(jì) 【 摘要 】 本 設(shè)計(jì) 以直流電壓源為核心 ， STC89C52RC單片機(jī)為主控制器， 單片機(jī)系統(tǒng)是數(shù)控電源的核心。它通過軟件的運(yùn)行來控制整個(gè)儀器的工作，從而完成設(shè)定的功能 。 通過 數(shù)字 鍵盤來設(shè)置直流電源的輸出電壓 ，輸出電壓范圍為 0— ，最大電流為 300mA，并可由液晶屏 LCD1602顯示實(shí)際輸出電壓值。本 設(shè)計(jì) 由單片機(jī)程控輸出數(shù)字信號，經(jīng)過D/A轉(zhuǎn)換器（ DAC0832）輸出模擬量，再經(jīng)過運(yùn)算放大器 LM324隔離放大 ,最后輸出各種設(shè)備所需要的電壓 。 實(shí)際測試結(jié)果表明，本系統(tǒng)實(shí)際應(yīng)用于需要高穩(wěn)定度小功率恒 壓源的領(lǐng)域。 【關(guān)鍵字】 直流穩(wěn)壓電源 ； 單片機(jī) ； 數(shù)控 ； DAC0832 課題背景 電源技術(shù) 特別 是 穩(wěn)壓 電源技術(shù)在工程技術(shù)方面使用性很強(qiáng) ， 在各個(gè)行業(yè)里得到了廣泛的應(yīng)用 。 直流穩(wěn)壓電源的電路形式有很多種 ,有串聯(lián)型、開關(guān)型、集成電路、穩(wěn)壓管直流穩(wěn)壓電源等等。 目前使用的直流穩(wěn)壓電源大部分是線性電源，利用分立元件組成，體積大，效率低，可靠性差，操作使用不便，自我保護(hù)功能不完善，故障率高 （長期工作在大電流和大電壓下 ,電子元器件很容易損壞）但在直流穩(wěn)壓電源中，通過整流、濾波電路所獲得的直流電源的電壓往往是不穩(wěn)定的 [1]。 當(dāng)在外在 電壓波動(dòng)或負(fù)載電流變化 的 時(shí) 侯 也會(huì) 使 輸出電壓 有所改變。 供給 電子設(shè)備 的電壓源 的不穩(wěn)定 ,會(huì)使 設(shè)備產(chǎn)生很多問題 。 所以， 設(shè)計(jì)出質(zhì)量優(yōu)良的直流穩(wěn)壓電源，才能滿足各種電子線路的要求。 數(shù)控電源是從 80年代才真正的發(fā)展起來的，系統(tǒng)的 一些 電力電子理論 基礎(chǔ) 在那期間剛剛 建立。這些理論 的研究 為其后來 電源 的發(fā)展提供了一個(gè) 較好 的基礎(chǔ)。在以后的 電力電子發(fā)展中 ，數(shù)控電源技術(shù)的發(fā)展 得到了長足的進(jìn)步 。 不過 其產(chǎn)品存在數(shù)控程度要求 達(dá)不到 、分辨率不 夠 高、功率密度低、可靠性 比 較差 等 缺點(diǎn)。因此 穩(wěn)壓 電源 以后 主要的主要 發(fā)展方向，是針對上述缺點(diǎn) 不斷 的進(jìn)行 改善。單片機(jī)技術(shù)及電壓轉(zhuǎn)換模塊的出現(xiàn)為精確數(shù)控電源的發(fā)展提供了有利的條件。新的變換技術(shù)和控制理論的不斷發(fā)展，各種類型專用集成電路、數(shù)字信號處理器件的研制應(yīng)用，到 90年代，己出現(xiàn)了數(shù)控精度達(dá)到 ，功率密度達(dá)到每立方英寸 50W的數(shù)控電源 [2]。 本論文的主要設(shè)計(jì)思想 目前，市場上各種直流電源的基本環(huán)節(jié)大致相同，都包括交流電源、交流變壓器、整流電路、濾波穩(wěn)壓電路等 [3]。 本設(shè)計(jì) 將單片機(jī)控制系統(tǒng)應(yīng)用于直流穩(wěn)壓電源的方法和原理，實(shí)現(xiàn)了穩(wěn)壓電源的數(shù)控調(diào)節(jié) 。 從組成上， 本設(shè)計(jì)硬 件電路主要由單片機(jī)、變壓器、整流電路、濾波電路、穩(wěn)壓輸出電路、 D/A轉(zhuǎn)換 電路、顯示電路等組成 。 利用 D/ A 轉(zhuǎn)換器的高分辨率和 單片機(jī)的自動(dòng)檢測技術(shù)設(shè)計(jì) 數(shù) 控電源 更 顯示出其優(yōu)越性。 數(shù) 控電源 既 能方便輸入 ， 具有較高精度和穩(wěn)定性，而且 在 壓，所有功能由面板上的鍵盤控制單片機(jī)實(shí)現(xiàn)，給電路實(shí)驗(yàn)帶來極大的方便 ,提高了工作效率。 數(shù)控 直流穩(wěn)壓 電源 設(shè)計(jì) 研究的意義 基于單片機(jī)的數(shù)控直流穩(wěn)壓電源，與 傳統(tǒng)直流穩(wěn)壓電源 相比 ，具有新穎性、獨(dú)創(chuàng)性和先進(jìn)性。它不僅能作為常規(guī)的電子產(chǎn)品和科研實(shí)驗(yàn)電源用 ，而且可以通過軟件編程的方法使穩(wěn)壓電源產(chǎn)生連續(xù)變化的輸出電壓，具有很高的性價(jià)比 [4]。 電源采用數(shù)字控制，具有以下明顯優(yōu)點(diǎn) ： 和控制方法 ， 體現(xiàn)出 電源模塊的 高程度 智能化， 更加完美性能 。 ， 控制 比較 靈活，只需 修改控制算法，而不必改動(dòng)硬件線路。 3. 提高 控制系統(tǒng)的可靠性， 更容易實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化， 可以針對不同的系統(tǒng) (或不同型號的產(chǎn)品 )，采用相同的控制板，而只需 對軟件 控制部分 做一些調(diào)整 便可 。 一致性 比較 好，成本低 廉 ， 方便 量產(chǎn) 。 數(shù)控直流穩(wěn)壓電源設(shè)計(jì) 2 方案 的 論證 控制方案比較 方案一 :采用各類數(shù)字電路來組成鍵盤控制系統(tǒng)，進(jìn)行信號處理，如選用 CPLD 等可編程 邏輯 器件。本方案電路復(fù)雜，靈活性不高，效率低，不利于系統(tǒng)的擴(kuò)展，對信號處理比較困難。 方案二：采用 STC89C52 單片機(jī)作為 這個(gè)系統(tǒng) 的控制 單元 ， 可以通過 DAC0832 的數(shù)據(jù)采樣和 LM324的電壓調(diào)整可以 改變 系統(tǒng) 輸出電壓的大小。為了能夠使系統(tǒng)具備檢測實(shí)際輸出電壓值的大小，可以將輸出電 壓經(jīng)過 DAC0832 進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，間接用單片機(jī)實(shí)時(shí)對電壓進(jìn)行采樣，然后進(jìn)行數(shù)據(jù)處理及 送LCD1602 顯示。 顯示的電壓值便是輸出的電壓大小。 此系統(tǒng)比較靈活，采用軟件方法來解決數(shù)據(jù)的預(yù)置以及電壓的 大小 控制，使系統(tǒng)硬件更加簡潔，各類功能易于實(shí)現(xiàn)，能很好地滿足題目的要求。 比較以上兩種方案的優(yōu)缺點(diǎn)， 方案一采用中、小規(guī)模器件實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的數(shù)控部分，使用的芯片很多，造成控制電路內(nèi)部接口信號繁瑣，中間相互關(guān)聯(lián)多，抗干擾能力差。在方案二中采用單片機(jī)完成整個(gè)數(shù)控部分的功能，也便于系統(tǒng)功能的擴(kuò)展 [5]。 穩(wěn)壓 輸出 方案比較 方案一 :采用線性調(diào)壓電源 以改變其基準(zhǔn)電壓的方式使輸出不僅增加 /減少， 這樣不能不考慮整流濾波后的紋波對輸出的影響。 方案二 :使用運(yùn)算放大器對電壓的比較放大 由于運(yùn)算放大器具有很大的電源電壓抑 制比， 可以大大減小輸出端的紋波電壓。在方案一中輸出的電壓很難 跟蹤 電壓 的 快速變化 ， 而 方案二中的輸出電壓波形與 DAC0832的 輸出波形相同，不僅 可以輸出直流電平，而且只要預(yù)先生成 產(chǎn)生波形的量化數(shù)據(jù)，便 可以 輸出多種波形，使系統(tǒng)產(chǎn)生的 信號源 有一定的驅(qū)動(dòng)能力 。 顯示部分 比較 方案一 :使用數(shù)碼管顯示 使用多位 數(shù)碼管顯示 ，顯示不靈活。 方案二 :使用 LCD1602 液晶顯示 液晶顯示模塊具有體積小、功耗低、顯示內(nèi)容豐富、超薄輕巧等優(yōu)點(diǎn)。 本方案采用 LCD1602， 它具有兩行顯示，每行顯示 16 個(gè)字符，采用單 +5V供電，外圍電路簡單，價(jià)格便宜，具有很高的性價(jià)比。而數(shù)碼管 雖然便宜，但顯示單調(diào)。占用過多的 I/O。 總體方案框圖 系統(tǒng)總體方案框圖如圖 21所示 。 圖 21 系統(tǒng)總體方案框圖 數(shù)控直流穩(wěn)壓電源設(shè)計(jì) 3 主控制器 模塊 本設(shè)計(jì)采用 PDIP封裝的 STC89C52RC 芯片為主控制器，如圖 31所示。該芯片正常工作電壓 為5V，支持的最高時(shí)鐘頻率為 80MHz， Flash 程序存儲(chǔ)器為 8KB,RAM 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器為 512B,內(nèi)置看門狗電路，支持 ISP/IAP[6]。本單片機(jī)具有以下優(yōu)點(diǎn)： (1)掉電模式：典型功耗為 ,可由外部中斷喚醒，中斷返回后，繼續(xù)執(zhí)行原程序。 (2)空閑模式：典型功耗為 2mA。 (3)正常工作模式：典型功耗為 4mA7mA。 (1)I/O口、電源、時(shí)鐘、看門狗、復(fù)位電路都是經(jīng)過特殊處理。 (2)寬電壓，不怕電源抖動(dòng)，工作電壓范圍為 – 6V。 (3)高抗靜電（高 ESD 保護(hù)），輕松過 2022V。 (4)快速?zèng)_干擾。 圖 31 STC89C52RC 芯片引腳 圖 控制部分是系統(tǒng)整機(jī)協(xié)調(diào)工作和智能化 管理 的核心部分，采用 STC89C52RC 單片機(jī)實(shí)現(xiàn)控制功能是其關(guān)鍵，采用單片機(jī)不但方便監(jiān)控，并且大大減少硬件設(shè)計(jì)。 電路圖如圖 32。 數(shù)控直流穩(wěn)壓電源設(shè)計(jì) 4 圖 32 單片機(jī)控制部分 D/A 轉(zhuǎn)換 模塊 D/A 轉(zhuǎn)換芯片 DAC0832 介紹 [7] DAC0832 引腳圖如 圖 33所示 。 圖 33 D/A轉(zhuǎn)換 DAC0832 引腳 CS: 片選信號 , 低電平有效 。 ILE: 輸入鎖存允許信號 , 高電平有效 。 WR1: 寫信號 1(低電平有效 )。 WR2: 寫信號 2(低電平有效 ),輸入鎖存器將 8位數(shù)據(jù)傳輸?shù)?DAC 寄存器 IOUT1： 模擬電流輸出端 1。當(dāng)輸入數(shù)字為：全 ”1” 時(shí) , 輸出電流最大，約為 255VREF/256REB全 ”0” 時(shí) , 輸出電流為 0。 IOUT2： 模擬電流輸出端 2， IOUT1 + I OUT2 = 常數(shù) RFB： 反饋電阻引出端 , 此端可接運(yùn)算放大器輸出端 數(shù)控直流穩(wěn)壓電源設(shè)計(jì) 5 VREF： 參考電壓 , 10V～ +10V Vcc ： 芯片電源電壓 ,+5V～ +15V AGND： 模擬信號地 DGND： 數(shù)字信號地 DI7~ DI0： 數(shù)字量輸入信號， 其中 : DI0 為最低位， DI7 為最高位 [7] D/A 轉(zhuǎn)換 控制部分 系統(tǒng)設(shè)置 D/A 轉(zhuǎn)換接口，采用 8位模數(shù)轉(zhuǎn)換器 DAC0832。其電路如圖 34所示。 D/A 轉(zhuǎn)換部分的輸出電壓作為穩(wěn)壓輸出電路的參考電壓。穩(wěn)壓輸出電路的輸出與參考電壓成比例。 8位的 D/A數(shù)據(jù)口分別與單片機(jī)的 P0 口相連， DAC0832 的 片選信號和寫信號分別由單片機(jī)的 P32腳和 P36腳控制， 8位字長的 D/A 轉(zhuǎn)換器具有 256種狀態(tài)。其時(shí)序圖如圖 35所示。 圖 34 D/A 轉(zhuǎn)換 控制 部分 原理圖 圖 35 DAC0832 數(shù) 模轉(zhuǎn)換時(shí)序圖 Clk 為時(shí)鐘端， Data 為輸入數(shù)據(jù)， LOAD 為輸 入控制信號。每路電壓輸出值的計(jì)算：REF 為參考電壓， data 為輸入 8位的比特?cái)?shù)據(jù)； 本設(shè)計(jì) 用的 REF 為 5v。 穩(wěn)壓輸出 模塊 穩(wěn)壓控制芯片 LM324 LM324是四運(yùn)放集成電路，它采用 14腳雙列直插塑料封裝。它的內(nèi)部包含四組形式完全相同的運(yùn)算放大器，除電源共用外，四組運(yùn)放相互獨(dú)立 [8]。每一組運(yùn) 算放大器可用圖 36所示的符號來表示，它有 5個(gè)引出腳，其中 “ +” 、 “ ” 為兩個(gè)信號輸入端， “ V+” 、 “ V” 為正、負(fù)電源端， “ Vo” 為輸出端。兩個(gè)信號輸入端中， Vi（ ）為反相輸入端，表示運(yùn)放輸出端 Vo的信號與該輸入端的相位相反； Vi+（ +）數(shù)控直流穩(wěn)壓電源設(shè)計(jì) 6 為同相輸入端，表示運(yùn)放輸出端 Vo的信號與該輸入端的相位相同。 LM324的引腳排列見圖 37所示 。 圖 36 LM324同向輸入與反向輸入 圖 37 LM324引腳圖 由于 LM324四運(yùn)放電路具有電源電壓范圍寬，靜態(tài)功耗小，可單電源使用，價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn)， 因此被廣泛應(yīng)用在各種電路中。 穩(wěn)壓輸出原理與電路 此 部分將 經(jīng)過 D/A轉(zhuǎn)換后的初始電壓 轉(zhuǎn)換成 設(shè)備所需要的特定電壓 。 從 DAC0832 的 IOUT2 引腳 輸出電壓作為穩(wěn)壓輸出電路的參考電壓。穩(wěn)壓電路輸出 的電壓大小 與 DAC0832 的 IOUT2 輸出 參考電壓成比例。穩(wěn)壓輸出電路采用的是串聯(lián)式反饋穩(wěn)壓電路（如圖 38），在電路中， U5A— LM324 為比較放大器 ， U5B— LM324 為 運(yùn)算 放大器， D/A 轉(zhuǎn)換電路的輸出電壓 OUT2 接到 U5A — LM324的同向端（ LM324 的第 2腳） ， U5A— LM324 運(yùn)放 的輸 出 端（ LM324 的第 5腳）輸出的電壓 一邊 送到運(yùn)放 U6A — LM324 的 同 向端 （ LM324 的第 1腳） ， 一邊反饋回 DAC0832 的 RFE1 基準(zhǔn)電壓。 變位器 R5 作為 U6A — LM324 反饋電路中的反饋電阻。 經(jīng)運(yùn)放比較放大后 ，在經(jīng)過 U6ALM324 的電壓放大與調(diào)整，使得輸出的電壓與 LCD1602 顯示的電壓保持一致 [9]。 圖 38 串聯(lián)式反饋穩(wěn)壓電路 數(shù)控直流穩(wěn)壓電源設(shè)計(jì) 7 穩(wěn)壓輸出 模塊 仿真圖 通常， 直流穩(wěn)壓電源是用可變電阻來實(shí)現(xiàn)輸出電壓的調(diào)節(jié)，那么要在直流穩(wěn)壓電源的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)數(shù)字控制的話，實(shí)際上我們只要 用 數(shù)字控制部分 來代替 可變電阻，就能實(shí)現(xiàn)數(shù)控 直流穩(wěn) 壓 電 源這一課題。所以，首先要做的，就是選擇合適的穩(wěn)壓輸出電路并對其可行性進(jìn)行了仿真。如圖 39所示 ， 用 LM324的比較放大作用 很容易就 驗(yàn)證了此穩(wěn)壓輸出電路的可靠 性 [10]。 圖 39 穩(wěn)壓電路仿真圖 按鍵控制模塊 按鍵 控制 模塊 如圖 310 所示。 本設(shè)計(jì)中，采用獨(dú)立按鍵 K1K9 對單片機(jī)核心芯片 STC89C52RC進(jìn)行輸入控制。各按鍵分別一端接地，一端接單片機(jī)引腳。實(shí)現(xiàn)功能： 按鍵 K1K9 為對應(yīng)的數(shù)字 09，K00 表示位選擇 鍵 （十位或各位） ,K11 是確定鍵。 選擇 電壓后， 按確定鍵，便可輸出所需的電壓。 圖 310 鍵盤 控制 電路圖 數(shù)控直流穩(wěn)壓電源設(shè)計(jì) 8 按鍵的具體意義如 表 3