数控恒压源电路.doc

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1、摘摘 要要直流稳压电源的应用非常的广泛，质量优良的直流稳压电源，才能满足各种电子线路的要求。所以,直流稳压电源的设计颇为重要，特别是数控制流稳压电源。本文主要介绍数控直流稳压电源的设计，对其中涉及的 D/A 转换、A/D 转换、单片机等也有详细介绍。将单片机数字控制技术,有机地融入直流稳压电源的设计中,就能设计出一款高性价比的多功能数字化通用直流稳压电源。关键词关键词直流稳压电源,单片机,数字控制AbstractImplementation of direct current stabilized voltage power source isextensive.Direct current

2、stabilized voltage power source that is supenriorin quality,is able to satisfy with the require of all kinds of electroncircuit.So,the design of direct current stabilized voltage power source isvery important，especially numerical contol direct current stabilizedvoltage power source.The text mostly i

3、ntroduce design of a numericalcontol direct current stabilized voltage power source,versus thereintotouch on D/Aconversion,SCM wait too have got detail introduce.TheDESign middle of the should SCM numerical control technologyorganically molten greet direct current regulator,thought out one entertain

4、high sexual valence specific multifunction digitalization currency directcurrent regulator.Keywordsregulated power supply of direct current;single2ch ip m icrocomputer,digital control目目 录录摘要摘要1 1AbstractAbstract2 2目录目录3 3绪论绪论1 1第一章第一章 直流稳压电源原理直流稳压电源原理 2 21.1 整流电路 21.1.1 单相桥式整流电路21.2 滤波电路 31.2.1 电容滤波

5、电路31.2.2 电感滤波电路51.3 稳压电路 6第二章第二章 数控恒压源的实现方案数控恒压源的实现方案 7 72.1 设计目标 72.2 实现框图 7第三章第三章 供电和稳压输出部分供电和稳压输出部分 8 83.1 稳压输出部分仿真图 83.2 供电和稳压输出电路图 8第四章第四章 数字控制部分数字控制部分10104.1 单片机部分104.2 D/A 转换部分 104.3 A/D 转换部分 114.4 绘制 PCB 134.5 总电路软件实现流程图14第五章第五章 电源测试结果电源测试结果15155.1 电压测试155.2 性能测试16结论结论 1717谢谢 辞辞1818参考文献参考文献

6、1919附录附录 2020绪论几乎所有的电子设备都需要稳定的直流电源，因此直流稳压电源的应用非常的广泛。直流稳压电源的电路形式有很多种,有串联型、开关型、集成电路、稳压管直流稳压电源等等。在电子设备中，直流稳压电源的故障率是最高的（长期工作在大电流和大电压下,电子元器件很容易损坏）但在直流稳压电源中，通过整流、滤波电路所获得的直流电源的电压往往是不稳定的。输出电压在电网电压波动或负载电流变化时也会随之有所改变。电子设备电源电压的不稳定,将会引起很多问题，比如：测量仪器的准确度降低，交流放大器的噪声增大，直流放大器的零点漂移等等。设计出质量优良的直流稳压电源，才能满足各种电子线路的要求。因此,直

7、流稳压电源的研究就颇为重要。目前产生直流稳压电源的方法大致分为两种:一种是模拟方法，另一种是数字方法。前者的电路均采用模拟电路控制，而后者则是通过数字电路进行自动控制。直流稳压电源朝着数字化方向发展。因此对于数控恒压源的研究是必要的。目前,国外直流稳压电源已朝着多功能和数字化的方向发展。M atthew等提出了采用多路DA分别设定多路输出电压，以及以多路A D进行输出检测的微机数控电源。随着科学技术飞速发展,对电源可靠性、输出精度和稳定性要求越来越高,利用D/A 转换器的高分辨率和单片机的自动检测技术设计程控电源就显示出其优越性。程控电源既能方便输入和选择预设电压值又具有较高精度和稳定性，而且

8、还可程控实现对电源的可编程监控，如模拟电压跌落、间断或起伏等情况，即可编程电源也可以看作一种功率型的低频信号发生器。程控电源可以任意设定输出电压或电流，所有功能由面板上的键盘或通过RS-232C串口连接的上位微机实现，给电路实验带来极大的方便,提高了工作效率。第一章 直流稳压电源的基本原理在电子电路中，通常都需要电压稳压的直流电源供电。日常生活中也需要将交流电转变成直流电，形成直流稳压电源。一般直流稳压电源由电源变压器、整流电路、滤波电路和稳压电路等四部分组成。图 1 直流稳压电源的工作原理电源变压器是将交流电网 220V 的电压变为所需要的电压值，然后通过整流电路将交流电压变为脉动的直流电压

9、，由于此脉动的直流电压还含有较大的纹波，必须通过滤波电路加以滤除，从而得到平滑的直流电压。但这样的电压还随电网电压波动（一般 10%左右的波动）、负载和温度的变化而变化。因而在整流、滤波电路之后，还需接稳压电路。稳压电路的作用是当电网电压波动、负载和温度变化时，维持输出直流电压稳定。1.1 整流电路整流电路的任务是将交流电变换成直流电。完成这一任务主要靠二级管的单向导电作用。因此二极管是构成整流电路的关键元件。常见的几种整流电路有单相半波、全波、桥式和倍压整流。我主要研究了单项桥式整流电路。1.1.1 单相桥式整流电路图 2单相桥式整流电路图 2 中 Tr 为电源变压器，它的作用事将交流电网电

10、压变成整流电路要求的交流电压。单相桥式整流电路是由四个二极管接成电桥的形式构成的。设电源变压器二次侧电压 U=Usinwt(v)，在 U 的正半周，极性为上正下负，此时二极管 D1、D3 承受正向电压而导通，D2、D4 反向截止，电流 i 的通路是 aD1RLD3b。负载 RL 上又得到半波电压。在 U 的负半周，极性为上正下负，此时二极管 D2、D4 导通，D1、D3 反向截止，电流 i 的通路是 bD2RLD4a。负载 RL 上又得到半波电压。RL 上得到的电压 U 是单方向全波脉动(图 3)。图 3单相桥式整流滤波电路波形图要使之接近于理想的直流电压，在整流之后需加滤波电路，将单向脉动电

11、压中的交流分量尽量多地滤掉。1.2 滤波电路滤波电路用于滤去整流输出电压中的纹波，一般由电抗元件组成，如在负载电阻两端并联电容器 C，或与负载串联电感器 L，以及由电容、电感组合而成的各种复式滤波电路。滤波电路的形式有很多，分为电容输入式和电感输入式。1.2.1 电容滤波电路采用一只容量较大的电解质电容器，所以要注意其极性，其正极要接电路高电位端，负端要接电路低电位端。若极性接反，过高的反向电压可能击穿电容器。图 4 桥式整流、电容滤波电路图 5 交流电压 U 的波形如图 4，由于电容 C1 并联在负载电阻 R1 上，所以电容 C1 两端的电压CU就是负载的电压OU，交流电压 U 的波形（如图

12、 5）；假设，电路接通时，恰恰在电压 U 由负到正过零的时刻，这时二极管开始导通，电压 U 通过二极管向电容C1 充电，由于二极管的正向电阻很小，所以充电时间常数很小，电压CU将随着电压 U 按正弦规律逐渐升高，当 U 增大到最大值时，CU也随之上升到最大值。然后 U 开始下降，CU也开始下降，但他们按不同规律下降，U 按正弦规律下降，而电容 C1 则通过负载 R1 放电，电容端电压CU按指数规律下降，由于放电时间常数较大，CU下降缓慢。除了刚过最小值的一小段时间内，仍有CU=U 的关系外，之后就出现 UCU的情况，二极管承受反向电压，处于截止状态。电压CU按指数规律缓慢下降到 wt=2以后，

13、虽然电压 U 又为正值，但由于 UCU以后，二极管才又导通，电容 C1 由放电状态重新变为充电状态，CU又随着 U 上升。如此继续下去，电压CU也就是负载电压LU就变得平滑了，因而负载电压的平均值也有所增大了。如果电容滤波电路接于桥式整流电路，则在交流电压的一个周期内，电容 C1 有两次充、放电，其放电时间比上述半波整流后所接电容滤波电路要短，故输出电压更为平滑。电容滤波使整流输出电压波形变得平直的原因，还可以从电容 C1 对脉动电流中的交流成分具有旁路作用来理解。由于电容 C1 与负载电阻 R1 并联，C1 的容量愈大，整流后所得的脉动电流交流分量的频率愈高，则电容 C1 的荣康、容抗愈小，

14、而电阻 R1 的阻值与频率无关，因此，脉动电流中的交流成分主要通过电容 C1 而被旁路，R1 上的电流和电压便较为平直了。1.2.2 电感滤波电路图 6 电感滤波电路如图 6 是电感滤波电路，它是在整流电路的输出端和负载电阻 R 之间串联一个电感线圈。电感中流过的电流发生变化时，线圈中要产生自感电动势阻碍电流的变化。当电流增加时，自感电动势的方向与电流方向相反，自感电动势阻碍电流的增加，同时将能量储存起来，使电流增加缓慢。反之，当电流减小时，自感电动势的方向与电流的方向相同，自感电动势阻止电流的减小，同时将能量释放出来，使电流减小缓慢，因而使负载电流和负载电压脉动大为减小。如果要求输出电流较大

15、，输出电压脉动很小时，可在电感滤波电路之后再接电容 C。组成 LC 滤波电路。电感滤波之后，利用电容再一次滤掉交流分量，这样，便可得到更为平直的直流输出电压。上面讨论的整流滤波电路，输出电压已较平滑，但却不稳定，当用一个不稳定的电压对负载供电时，会引起负载工作不稳定，甚至不能正常工作。为了得到稳定的直流输出电压，在整流滤波电路之后，需要增加稳压电路。1.3 稳压电路稳压电路用的比较多的稳压电路是硅稳压管稳压电路。如图 7 是硅稳压管稳压电路，由稳压管 D2 和调整电阻 R1 组成，稳压管在电路中应为反向联接，它与负载电阻 R1 并联后，再与调整电阻串联。下面分析一下稳压原理。图 7 硅稳压管稳

16、压电路1）负载电阻 R1 不变，交流电源电压波动时的稳压情况：当负载电阻不变，支流电源电压增加时，整流滤波电路的电压oU随之增加，负载电压LU也将增加，而LU就是稳压管两端的反向电压。当LU稍有增加，稳压管的电流ZI就会显著增加，因此电阻 R1 上的压降增加，从而使增大了的负载电压LU的数值有所减小。如果电阻 R1 的阻值选择适当，最终可使LU基本上保持不变。同理如果交流电压降低，使oU减小，则LU也减小，ZI也随着减小，则RU也减小，仍保持负载电压LU近似不变。2）电源电压不变、负载电流变化时的稳压情况：假设交流电源电压不变，由于负载电阻变化而使负载电流增大，则电阻 R1 上的电压降增大，负

17、载电阻 R1上的端电压LU因而下降，LU下降一点，稳压管的电流ZI显著减小，使已经降低的负载电压LU回升，与原来数值比较可基本保持不变。当负载电流减小时，稳压过程相反。经半波最好是全波整流，再由稳压电路最终送给负载的电压就是比较稳定的支流电了。由以上几部分电路就组成了直流稳压电源，它将广泛地应用到实践中。第二章 数控恒压源的实现方案传统的直流稳压电源输出是通过粗调波段开关及细调电位器来调节的，并由电位表指示电压值的大小。这种直流稳压电源存在读数不直观、电位器易磨损、稳压精度不高、不易调准、电位构成复杂、体积大等缺点，而基于单片机控制的数控直流电源不但实现了直流稳压的功能，而且没有上述的缺点。2

18、.1 设计目标1）电源输出电压范围 0.0V-15.0V，步长 0.06V，输出电压值由液晶显示器显示。2）用户对数控恒压源的控制，通过按键进行控制。3）整机由自制稳压电源供电，输入交流 220V，输出直流+5V。2.2 实现框图整个电源（如图 10）分成三个主要部分：供电部分、稳压输出部分和数控部分。图 8 稳压直流电源总框图第三章 供电和稳压输出部分供电部分简单，不做详细论述。3.1 稳压输出部分仿真图U1OPAMP_5T_VIRTUALQ22N3904R21 Q1BJT_NPN_VIRTUALR36.2k R46.2k R53.3k C110nF R150K_LINKey=A 50%V1

19、12 V V25 V R6200_LINKey=Z 50%U3DC 1e-009-0.050A+-U2DC 10M4.999V+-图 9 模拟部分中的稳压电路稳定性验证图一般的直流稳压电源是用可变电阻来实现输出电压的调节，那么要在直流稳压电源的基础上实现数字控制的话，实际上很简单，我们只要将可变电阻换成数字控制部分来代替，就能实现数控恒压源这一课题。所以，首先要做的，就是选择合适的稳压输出电路并对其可行性进行了仿真。如图 9，很容易就验证了此稳压输出电路的可靠。3.2 供电和稳压输出部分电路图这部分将数控部分送来的电压控制字转换成稳定电压输出，电路主要由供电、整流滤波、稳压输出、过流保护和延时

20、启动等几部分组成。（如图 10）D/A 转换部分的输出电压作为稳压输出电路的参考电压。稳压输出电路的输出与参考电压成比例。稳压输出电路采用的是串联式反馈稳压电路（如图 9），在电路中，Q1TIP122 为调整管，U6ALM358 为比较放大器，R19、R22 组成反馈网络。D/A 转换电路的输出电压 DAOUT 接到 U6A 的同向端，稳压电源的输出经 R19、R22 组成的取样电路分压后送到运放 U6A 的反向端，经运放比较放大后，驱动调整管 Q1。当电路平衡时，D/A 电路的输出电压DAOUTV与取样后的电压REFV相等。稳压输出部分的过流保护电路由 R21 和 Q2 组成。设mI为保护动

21、作电流，则当电源输出电流 I 增加到mI时，R21 上的压降mI*R21 使得 Q2 管导通，分掉了 Q1上的基极电流，使输出 I 不再增加，起到了过流保护作用。图 10 供电和稳压输出部分第四章 数字控制部分4.1 单片机部分图 11 单片机控制部分控制部分是系统整机协调工作和智能化管理的核心部分，采用 89C52 单片机实现控制功能是其关键，采用单片机不但方便监控，并且大大减少硬件设计。I10，I9 属微调，步长为 0.0586V，I10 加，I9 减；I8，I7 属粗调，步长为0.9961V，I8 加，I9 减。4.2 D/A 转换部分系统设置 A/D、D/A 转换接口，采用美国 TI

22、公司的高速串行 8 位模数转换器 TLC549 和四通道串行数模转换器 TLC5620。图 12 D/A 转换部分D/A 转换部分的输出电压作为稳压输出电路的参考电压。稳压输出电路的输出与参考电压成比例。8 位字长的 D/A 转换器具有 256 种状态。当电压控制字从 0，1，2，到 256 时，电源输出电压为 0.0，0.06，15.0。TLC5620 是八位的串行输入四路电压输出的数模转换器。其时序图如图 13：图 13TLC5620 数模转换时序图Clk 为时钟端，Data 为输入数据，LOAD 为输入控制信号。每路电压输出值的计算：02256dataVREFREF 为参考电压，data

23、 为输入 8 位的比特数据；我们这里用的 REF=2.5v；4.3 A/D 转换部分图 14 A/D 转换部分TLC549 是采用 LinCMOSTM 技术，以开关电容逐次逼近原理工作的 8 位串行 A/D芯片。单电源 3V6V 供电范围，控制口线少，时序简单，转换速度快，功耗低，价格便宜，适用于低功耗的袖珍仪器上的单路 A/D 采样，也可将多个器件并联使用。TLC549是8位串行A/D转换器芯片，可与通用微处理器、控制器通过I/O CLOCK、CS、DATA OUT 三条口线进行串行接口。具有 4MHz 片内系统时钟和软、硬件控制电路，转换时间最长 17s,TLC549 允许的最高转换速率为

24、 40 000 次/s。总失调误差最大为0.5LSB，典型功耗值为 6mW。采用差分参考电压高阻输入，抗干扰，可按比例量程校准转换范围，VREF-接地，VREF+VREF-1V，可用于较小信号的采样。TLC549 的极限参数如下：电源电压：6.5V；输入电压范围：0.3VVCC0.3V；输出电压范围：0.3VVCC0.3V；峰值输入电流(任一输入端)：10mA；总峰值输入电流(所有输入端)：30mA；工作温度:TLC549C：070TLC549:4085TLC549M：55125TLC549 片型小，采样速度快，功耗低，价格便宜，控制简单。适用于低功耗的袖珍仪器上的单路 A/D 或多路并联采样

25、。TLC549 均有片内系统时钟，该时钟与 I/O CLOCK 是独立工作的，无须特殊的速度或相位匹配。当 CS 为高时，数据输出(DATA OUT)端处于高阻状态，此时 I/O CLOCK 不起作用。这种 CS 控制作用允许在同时使用多片 TLC548、TLC549 时，共用 I/O CLOCK，以减少多路(片)A/D 并用时的 I/O 控制端口。一组通常的控制时序为：(1)将 CS 置低。内部电路在测得 CS 下降沿后，再等待两个内部时钟上升沿和一个下降沿后，然后确认这一变化，最后自动将前一次转换结果的最高位(D7)位输出到 DATA OUT 端上。(2)前四个 I/O CLOCK 周期的

26、下降沿依次移出第 2、3、4 和第 5 个位(D6、D5、D4、D3)，片上采样保持电路在第 4 个 I/O CLOCK 下降沿开始采样模拟输入。(3)接下来的 3 个 I/O CLOCK 周期的下降沿移出第 6、7、8(D2、D1、D0)个转换位，(4)最后，片上采样保持电路在第 8 个 I/O CLOCK 周期的下降沿将移出第 6、7、8(D2、D1、D0)个转换位。保持功能将持续 4 个内部时钟周期，然后开始进行32 个内部时钟周期的 A/D 转换。第 8 个 I/O CLOCK 后，CS 必须为高，或 I/O CLOCK保持低电平，这种状态需要维持 36 个内部系统时钟周期以等待保持和

27、转换工作的完成。如果 CS 为低时 I/O CLOCK 上出现一个有效干扰脉冲，则微处理器/控制器将与器件的 I/O 时序失去同步；若 CS 为高时出现一次有效低电平，则将使引脚重新初始化，从而脱离原转换过程。在 36 个内部系统时钟周期结束之前，实施步骤(1)(4)，可重新启动一次新的 A/D 转换，与此同时，正在进行的转换终止，此时的输出是前一次的转换结果而不是正在进行的转换结果。若要在特定的时刻采样模拟信号，应使第 8 个 I/O CLOCK 时钟的下降沿与该时刻对应，因为芯片虽在第 4 个 I/O CLOCK 时钟下降沿开始采样，却在第 8 个I/O CLOCK 的下降沿开始保存。本设

28、计中 A/D 的采样电压是稳压输出电路的取样电压REFV。REFV与输出电压oV的关系：191922REFoRVVRR（4-1）因此可以通过一定的比例调整来得到输出电压oV的数字显示值。4.4 绘制 PCB图 15 总电路的 PCB4.5 总电路软件实现流程图图 16 总流程图程序见后面附录。第五章 电源测试结果5.1 电压测试预置电压（V）显示电压（V）测量电压（V）0.0580.0580.0590.1750.1750.1760.2920.2920.2940.4100.4100.4110.5850.5850.5870.8200.8200.8210.9960.9960.9951.9921.99

29、21.9902.9983.0462.984.9805.0384.976.9727.0306.959.96010.0779.9412.94813.12412.9214.9414.9414.735.2 性能测试性能指标测量条件测量结果测量仪表全程输出电压0-15VDM-311 型数字万用表负载电流oV=5V,LR=10506mA短路电流oV=15V=1.73A过流保护1.4A用单片机控制电源时，输出直流 0-15V，液晶显示器显示清晰正确，误差极小，完美的实现了数控恒压源这一课题。但在功能上还不够强大,如没有开机的电压预置功能，没有电流过流时的报警指示功能等等，还可以进一步得到提高。结 论本文先对

30、直流稳压电源原理进行了论述，主要是对整流电路、滤波电路和稳压电路等几部分功能进行了论述；然后通过仿真进行稳压输出电路可行性研究，最终确定了数控恒压源的方案。绘制 PCB 版，制作完成硬件部分，然后对硬件进行了测试；编写单片机程序实现软件部分；通过对整个数控衡压源的调试完善，最终实现了数控恒压源的制作，实现了数字控制稳定电压输出的功能。但在制作上还有进一步提高的可能，如开机预置电压输出，过流保护警报指示等等。致 谢大学生活即将结束，回想这四年有苦有甜。在最后的毕业设计过程中，我得到了很多老师和同学的帮助，也学到了很多平时在学习中无法学到的东西。在此，我要感谢所有曾经教导过我的老师和关心过我的同学

31、，是他们在我的成长过程中给予了我足够的帮助。本文能够顺利的完成，要特别感谢我的导师殷奎喜老师的关怀和教导；还有我的同学蔡红雷在硬件电路的设计和电子器件的选择上给了我很多的意见，潘应云同学在单片机的编程上给了我特别多的帮助，使我能够顺利完成毕业设计。参考文献17040072416康华光电子技术基础高等教育出版社210005013（2001）04037105 AT89C51单片机数控多路直流稳压电源华侨大学学报（自然科学报）第22卷第4期2001年10月310028743（2004）02005505 串联型直流稳压电源的仿真分析广西师范学院学报 第21卷第2期4高稳定度稳压电源（GWE-1）的研制

32、西南石油学院学报 第 17 卷第 3 期1 年 8 月516711041（2003）01001302 基于 TL431 的直流稳压电源设计设计师笔记6基于单片机的高品质直流电源电子产品世界2005,1/下半月7基于先进集成电路多输出线性直流稳压电源设计中文核心期刊 微计算机信息（测控自动化）2005 年第 21 卷第 1 期816730062（2005）006304数字可调式高压直流稳压电源的设计南华大学学报（自然科学版）第19卷2005年9月9用单片机制作的直流稳压可调电源电子世界 2005 年第 11 期10刘华毅，李霞，徐景德电力电子技术第 35 卷第六期 2001 年 12 月117-81012-969-4何立民单片机中级教程北京航空航天大学出版社127-115-13713-7陈小忠、黄宁、赵小侠 单片机接口技术实用子程序人民邮电出版社13Matthew R,Robin T.M icrop rocessor controlled pow er supplyJ.ElectronicWorldW-irelessWorld,1994,95(1 639):524 527