南京信息職業(yè)技術(shù)學院電子信息學院 顧振飛

1.引言

本文所測量的數(shù)控直流穩(wěn)壓電源有一定輸出電壓范圍和功能，可預(yù)置輸出電壓的果，并在數(shù)碼管上予以同步顯示。它與傳統(tǒng)的穩(wěn)壓電源相比，具有操作方便、電壓穩(wěn)定度高、干擾小、容易控制、可靠性高體積小的特點，其輸出電壓大小采用數(shù)字顯示，用到單片機、數(shù)字技術(shù)中的可逆計數(shù)器、D/A轉(zhuǎn)換器、譯碼顯示等電路?？蓪崿F(xiàn)定時開、關(guān)機，定時變壓，顯示輸出電壓、電流，預(yù)置輸出電壓值等功能。

2.數(shù)控直流穩(wěn)壓源的組成及測試

此數(shù)控直流穩(wěn)壓電源共有六部分，輸出電壓的調(diào)節(jié)是通過“+”，“-”兩鍵操作，步進電壓精確到0.1V控制可逆計數(shù)器分別作加，減計數(shù)，可逆計數(shù)器的二進制數(shù)字輸出分兩路運行：一路用于驅(qū)動數(shù)字顯示電路，精確顯示當前輸出電壓值；另一路進入數(shù)模轉(zhuǎn)換電路（D/A轉(zhuǎn)換電路），數(shù)模轉(zhuǎn)換電路將數(shù)字量按比例，轉(zhuǎn)換成模擬電壓，然后經(jīng)過射極跟隨器控制,調(diào)整輸出級，輸出穩(wěn)定直流電壓。為了實現(xiàn)上述幾部分的正常工作，需要另制±15V，和±5V的直流穩(wěn)壓電源，及一組未經(jīng)穩(wěn)壓的12V～17V的直流電壓。本設(shè)計中數(shù)控電源主要就是對此組電壓進行控制，使輸出0～9V的穩(wěn)定的可調(diào)直流電壓。

根據(jù)組成結(jié)構(gòu)和信號電壓特點，主要測試儀器使用到：萬用表，示波器，直流穩(wěn)壓電源等。本測試以輸入220v，50Hz的市電，輸出為穩(wěn)定的5V的直流電為例進行電路參數(shù)設(shè)計和測試。

2.1 直流穩(wěn)壓電源的基本組成

直流穩(wěn)壓電源由電源變壓器﹑整流器濾波器﹑穩(wěn)壓器等部分組成，其框圖如圖1所示。

（1）交流電壓變換部分

將電網(wǎng)電壓變?yōu)樗璧慕涣麟妷?，同時還可以起到直流電源與電網(wǎng)的隔離作用。萬用表可以測量50Hz220V交流電是否可以通過電源變壓器降壓為較低電壓值的交流電。

（2）整流部分

整流電路的作用，是將變換后的交流電壓轉(zhuǎn)換為單方向的脈沖電壓。這部分采用示波器來觀察整流波形。

（3）濾波部分

對整流部分輸出的脈沖直流電進行平滑，使之成為含交變成分很少的直流電壓。其實際上是一個性能較好的低通濾波器，且截止頻率一定低于整流輸出電壓的輸出頻率，因此也使用示波器觀察濾波波形。

（4）穩(wěn)壓部分

盡管經(jīng)過整流濾波后電壓接近于直流電壓，但是其電壓值的穩(wěn)定性很差，它受溫度，負載，電網(wǎng)電壓等因素的影響很大，因此，還必須有穩(wěn)壓電路，以維持輸出直流電壓的基本穩(wěn)定。這部分可以采用萬用表和示波器兩種測試方法。

2.2 直流穩(wěn)壓電源各部分測試

（1）電源變壓器

電源變壓是將電網(wǎng)電壓變換成實際電路所需的交流電壓。

根據(jù)電路圖，我們選擇在次級線圈測量輸出電壓。通常使用萬用表的交流220V檔位進行測量。測量結(jié)果U2應(yīng)當滿足N1/N2=U1/U2這樣的關(guān)系式。

（2）整流電路

整流是穩(wěn)壓電源的一個重要組成部分，主要作用是進行波形變換，即將交流信號變?yōu)橹绷餍盘?。其又可分為半波整流和全波橋式整流?/p>

整流部分的輸出可以用示波器來觀察輸出。我們采用DS1022C數(shù)字示波器來測量。數(shù)字示波器觀察波形迅速，電壓頻率測量方便迅速。全波整流的波形如圖2所示。

（3）濾波電路

本設(shè)計采用電容濾波。

電容濾波的過程主要是將全波整流波形中較高的脈動成分濾除掉。因為電容兩端的電壓不會突變，所以利用這個原理使用電容將高脈動波形轉(zhuǎn)變成低脈動波形。

測量方法同全波整流一樣，使用DS10 22C數(shù)字示波器可以觀察到濾波之后的波形，形狀已經(jīng)接近平滑，但是仍然有待改進。電容的本質(zhì)是通交流，隔直流，理論上說電源濾波用電容越大越好。在測量過程中，我們分別測試了47μF，100μF和1000μF的濾波效果，結(jié)論是1000μF的濾波效果最好。

（4）穩(wěn)壓電路

濾波后的輸出電壓即使紋波很小，也仍然存在穩(wěn)定性問題，因此需采用穩(wěn)壓電路進行穩(wěn)壓。最基本的穩(wěn)壓方法就是二極管穩(wěn)壓。除此以外，我們采用了三端集成穩(wěn)壓器LM7805和LM7905。

測量時，可以選擇DS1022C示波器，使用雙蹤功能。CH1觀察集成穩(wěn)壓器的1管腳，也就是濾波的波形，CH2觀察3管腳即穩(wěn)壓后的波形，同時顯示在屏幕上，可以觀察到穩(wěn)壓之后波形比較平穩(wěn)。

另外，可以用萬用表來測量輸入輸出的直流電電壓值。使用萬用表直流電壓20V檔位來進行測量。但是無法直觀的與濾波波形進行比較。以LM7805為例：

輸入電壓（VO=5～18V）：35V

輸出電壓：5V

2.3 數(shù)字顯示電路的測試

2.3.1 工作原理

圖1 直流穩(wěn)壓電源組成框圖

圖2 全波整流輸入（左）輸出（右）波形

數(shù)字顯示驅(qū)動采用兩塊74LS248芯片，74LS248為四線七段譯碼驅(qū)動器，內(nèi)部輸出帶上拉電阻它把從計數(shù)器傳送來的二～十進制碼，驅(qū)動數(shù)碼管顯示數(shù)碼。

74LS248，七段譯碼器，輸出高電平有效，適合于共陰極接法的七段數(shù)碼管使用A3，A2，A1，A0，為8421BCD碼輸入，a,b,c,d,e,f,g為七段數(shù)碼輸出，LT為試燈輸入信號，用來檢查，數(shù)碼管的好壞，IBR為滅零輸出信號，用來動態(tài)滅零，IB/QBR為滅燈輸出信號，該端既可以作輸入也可以作輸出，具體工作如上真值表所示。

測量集成電路我們主要選用萬用表直流電壓檔，通過管腳高低電平，判斷工作狀態(tài)和信號的輸出情況。當集成電路工作電壓為5V時，高電平電壓在5V左右，低電平電壓一般在1V左右。

2.3.2 原件選擇

與74LS248功能相同的還有，74LS247，7CD4511，74LS245等。

2.4 D/A轉(zhuǎn)換電路（數(shù)模轉(zhuǎn)換器）的測試

（1）DAC0832工作原理介紹

數(shù)模轉(zhuǎn)換電路，采用DAC0832集成塊，它是一個8位數(shù)/模轉(zhuǎn)換電路，這里只使用高4位數(shù)字量輸入端。由于DAC0832不包含運算放大器，所以需要外接一個運算放大器相配，才構(gòu)成完整的D/A轉(zhuǎn)換器，低位DAC輸出模擬量經(jīng)9:1分流器分流后與高位DAC輸出模擬量相加后送入運放，具體實現(xiàn)，由900Ω和100Ω的電阻相并聯(lián)分流實現(xiàn)，運放將其轉(zhuǎn)換成與數(shù)字端輸入的數(shù)值成正比的模擬輸出電壓，運放采用具有調(diào)零的低噪聲高速優(yōu)質(zhì)運放NE5534。

d7～d0：8位二進制數(shù)據(jù)輸入端；ILE：輸入鎖存允許，高電平有效；CS：片選信號，低電平有效；WR1，WR2：寫選通信號，低電平有效；XFER：轉(zhuǎn)移控制信號，低電平有效；Rf：內(nèi)接反饋電阻，Rf=15KΩ；IOUT1，IOUT2：輸出端，其中IOUT1和運放反相輸入相連，IOUT2和運放同相輸入端相連并接地端；Vcc：電源電壓，Vcc的范圍為+5V～+15V；Vref：參考電壓，范圍在-10V～+10V；GND：接地端。

當ILE=1,CS=0,WR=0，輸入數(shù)據(jù)d7～d0存入8位輸入寄存器中，當WR2=0，XFER=0時，輸入寄存器中所存內(nèi)容進入8位DAC寄存器并進行D/A轉(zhuǎn)換。當DAC0832外接運放A構(gòu)成D/A轉(zhuǎn)換電路時，電路輸出量V0和輸入d7～d0的關(guān)系式為：

（2）DAC0832芯片的特點

DAC0832最具特色是輸入為雙緩沖結(jié)構(gòu)，數(shù)字信號在進入D/A轉(zhuǎn)換前，需經(jīng)過兩個獨立控制的8位鎖存器傳送。其優(yōu)點是D/A轉(zhuǎn)換的同時，DAC寄存器中保留現(xiàn)有的數(shù)據(jù)，而在輸入寄存器中可送入新的數(shù)據(jù)。系統(tǒng)中多個D/A轉(zhuǎn)換器內(nèi)容可用一公共的選通信號選通輸出。由于DAC0832輸出級沒有加集成運放，所以需外加NE5534相配適用。

IN-為反相輸入端,IN+為同相輸入端；OUT為輸出端；Balance為平衡輸入端,主要作用是,使內(nèi)部電路的差動放大電路處于平衡狀態(tài)；COMp/Bal的作用為,通過調(diào)節(jié)外接電阻,以達到改善放大器的性能和輸出電壓；VCC-和Vcc+為正負電源供電。

對于數(shù)字控制電路來說，測量的方法均相同，同上一個數(shù)顯譯碼器一樣，按照真值表的高低電平對應(yīng)關(guān)系，使用萬用表測量管腳輸出電壓值，與真值表一一對應(yīng)檢查。

3.問題和改進措施

本電源輸出電壓大小尚受限制，在需要較高輸出電壓時，在不改變調(diào)節(jié)精度（即步進電壓值）前提下，只要增加計數(shù)器的級聯(lián)數(shù)和相應(yīng)D/A轉(zhuǎn)換器的個數(shù)，擴大數(shù)顯指示范圍，配合選用高電壓輸出運放，就能輕易地滿足要求。當需要正負對稱輸出電壓時，只要另增一組電源，對D/A轉(zhuǎn)換器及調(diào)整輸出電路稍作改動即可達到目的。

數(shù)字示波器精度高，速度快，讀數(shù)誤差小，在觀察測量電壓頻率上有很大優(yōu)勢，但是由于精度過高，在觀察波形上容易受到諧波的干擾，導致自動選取XY坐標單位有誤，過分放大諧波，導致誤判失真波形。這方面對測試人員的測試經(jīng)驗要求較高，需要能在數(shù)字示波器自動測量的基礎(chǔ)上配合手動測量調(diào)節(jié)，選取合適的XY坐標和單位進行測量，并且能較準確的判斷波形的情況。

4.結(jié)束語

通過此次對數(shù)控直流穩(wěn)壓電源產(chǎn)品的測試，加強了對儀器儀表的使用熟練程度，在測試過程中對各種元器件的特性有了更深刻的把握，為今后測量其他更加復(fù)雜電路打下良好基礎(chǔ)。

數(shù)控電源設(shè)備用以實現(xiàn)電能轉(zhuǎn)換和功率傳遞，對模擬器件和數(shù)字器件的測試要求和設(shè)備要求都有很大不同。本設(shè)計在各個行業(yè)中都有廣大應(yīng)用，在發(fā)展的同時對數(shù)控電源的也提出了更高要求。例如增設(shè)過流保護、聲光報警等，這些新技術(shù)同樣可以通過測試來進行調(diào)校，對測試的精度和準確性、可靠性的要求也進一步提高。

[1]何小艇.電子系統(tǒng)設(shè)計[M].浙江:浙江大學出版社,1998:22-29.

[2]劉守義.單片機應(yīng)用技術(shù)[M].西安:西安電子科技大學出版社,2002:83-84.

[3]孫傳友等.測控電路及裝置[M].北京:北京航空航天大學出版社,2002:17(第3版).

[4]李朝青.單片機原理及接口技術(shù)[M].北京:北京航空航天大學出版社,2005:66(第2版).

[5]湯競南等.51單片機C語言開發(fā)與實例[M].北京:人民郵電出版社,2007:117.