馮澤虎 馮煥芝

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

[關(guān)鍵詞]單片機(jī) D/A轉(zhuǎn)換器 過流保護(hù) A/D轉(zhuǎn)換器 LCD1602

[中圖分類號(hào)]TP[文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼]A[文章編號(hào)]1007-9416(2009)12-0029-02

1 引言

隨著計(jì)算機(jī)、通信、工業(yè)自動(dòng)化、電機(jī)電器和家用電器等行業(yè)的發(fā)展,電源——電子電路的動(dòng)力源、電子工業(yè)的基礎(chǔ)產(chǎn)品也迅速發(fā)展。直流穩(wěn)壓電源是電源領(lǐng)域的一個(gè)重要分支,對(duì)它的研究一直都倍受關(guān)注。也從來都沒有間斷過,當(dāng)然關(guān)于這方面的文獻(xiàn)也層出不窮。可是,對(duì)于它的自動(dòng)控制功能及使用壽命方面,還未得到完全的解決,還有待進(jìn)一步研究。

直流穩(wěn)壓電源本身就是電子領(lǐng)域發(fā)展的基礎(chǔ),實(shí)現(xiàn)它的自動(dòng)控制必然會(huì)促進(jìn)電子領(lǐng)域各方面的發(fā)展。基于單片機(jī)控制的直流穩(wěn)壓電源就可以更容易的實(shí)現(xiàn)控制的自動(dòng)化,使人們對(duì)它的操作更方便,功能更完善,輸出電壓精度和穩(wěn)定性更高,使用壽命也會(huì)更長久。

2 本系統(tǒng)功能特點(diǎn)

本系統(tǒng)除了要能夠輸出穩(wěn)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(diào)。具體功能特點(diǎn)及要求有:

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

(2)輸出端無論是過流還是短路,保護(hù)電路的動(dòng)作都是以切斷輸出回路的方式工作,且當(dāng)輸出短路不再存在或負(fù)載足夠輕時(shí)電路會(huì)自動(dòng)恢復(fù)正常工作狀態(tài)。保護(hù)動(dòng)作時(shí)兼有聲光報(bào)警信號(hào)。

3 系統(tǒng)硬件的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

系統(tǒng)硬件的結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。主要由單片機(jī)、LCD顯示、檢測與保護(hù)電路、報(bào)警電路及鍵盤輸入電路組成。

3.1 原理分析

3.1.1 步進(jìn)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(jī)AT89S52、D/A轉(zhuǎn)換器DAC0832、運(yùn)放OP07和電流放大所用到的三極管。

3.1.2 保護(hù)電路工作原理

保護(hù)環(huán)節(jié)的硬件電路主要由取樣電路、A/D轉(zhuǎn)換電路、單片機(jī)、保護(hù)控制與報(bào)警電路四部分構(gòu)成。構(gòu)成框圖如圖3所示。

它能在輸出端短路或是負(fù)載過重導(dǎo)致的過流現(xiàn)象存在時(shí)動(dòng)作,以切斷輸出回路保護(hù)電源本身不致?lián)p壞。

3.2 印制電路板設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)因數(shù)字信號(hào)與模擬信號(hào)、小信號(hào)與與大幅度信號(hào)共存,所以在PCB制板時(shí),應(yīng)特別注意干擾與抗干擾問題。

3.2.1 電路布線方法

在系統(tǒng)的PCB板的布局之前,應(yīng)仔細(xì)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(hào)、高速數(shù)字電路和噪聲源(如大電流開關(guān)等)這三部分合理分開,使相互間的偶合最小。放置元器件時(shí),應(yīng)仔細(xì)考慮如何在子系統(tǒng)之間布線,包括時(shí)鐘和晶體電路。元器件應(yīng)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(tǒng)印制電路板的設(shè)計(jì)結(jié)果

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

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)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(shù)字萬用表

高性能數(shù)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(shù):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(shí))。

AC技術(shù):RMS及AC耦合測量。

2)示波器

采用DS-8824P,4通道數(shù)字存儲(chǔ)示波器,最大帶寬150MHz,400MS/s。

5.2 結(jié)果分析

(1)由于選擇A/D與D/A轉(zhuǎn)換器精度遠(yuǎn)高過指標(biāo)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(shè)定值和實(shí)際測量值的精度要求;

(2)采取高質(zhì)量穩(wěn)壓電源供電等措施,使得輸出電流的諧波大大低于設(shè)計(jì)要求;

(3)輸出端并聯(lián)大容量的電容濾波與優(yōu)質(zhì)高頻吸收電容(突波電容),進(jìn)一步降低輸出電壓的紋波系數(shù)。

(4)設(shè)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(shè)定值),最大為0.06V。

(5)本系統(tǒng)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(duì)輸出電壓采樣通道的取樣電阻、A/D溫度誤差及基準(zhǔn)源誤差的確定。為了減少這一通道的誤差,使用熱穩(wěn)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(shí)也能獲得較大的電壓值;選擇高精度的儀器專用運(yùn)放(OP07),并將A/D芯片遠(yuǎn)離發(fā)熱量較大的電源主電路。

5.4 提高系統(tǒng)精度的技術(shù)措施

根據(jù)設(shè)計(jì)要求,在分析設(shè)計(jì)前,計(jì)算好每個(gè)模塊允許的誤差范圍,采取相應(yīng)的措施將誤差減小到允許的誤差范圍以內(nèi)。

控制策略方面:采用可靠的硬件閉環(huán)反饋控制與軟件修正的算法實(shí)現(xiàn)雙回調(diào)控。

器件選型方面:選用轉(zhuǎn)換精度達(dá)8位的DAC0832,確保給定量的精度達(dá)標(biāo)。

濾波措施方面:輸出端并聯(lián)大容量的電容濾波與優(yōu)質(zhì)高頻吸收電容(突波電容),進(jìn)一步降低輸出電壓的紋波系數(shù)。

其他方面:對(duì)電磁兼容的全面考慮和技術(shù)處理,合理的熱設(shè)計(jì)。

6 結(jié)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(jìn)行了各單元電路的驗(yàn)證。這使得后期的硬件設(shè)計(jì)周期大大縮短,成功率也得到提高。在整個(gè)設(shè)計(jì)制作過程中,始終關(guān)注系統(tǒng)的性能指標(biāo)、功能要求和運(yùn)行穩(wěn)定性,采取了諸多有效措施,實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的各項(xiàng)要求。

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