数字电位器的可变电压电源设计.docx

1、数字电位器的可变电压电源设计数字电位器的可变电压电源设计摘要随着电子技术的不断发展，电子产品种类越来越齐全，电子设备的应用也越来越广泛，并且时刻与人们生活息息相关，任何电子设备都离不开可靠的稳定的电源，这些设备对电源的要求也越来越高，电子设备的小型化和低成本化是电源以轻、薄、小和高效率为发展方向的动力。本文介绍了一种利用晶体管组成的滞留稳压电源，这种电源能够给电子设备提供稳定的电源，通过数字电位器调节使输出电压在3-15V,且在输出电压为15V时输出电流为500mA,由于串联型直流稳压电源可以输出大的电流和高的电压，又采用负反馈电路，能够克服由于负载变动而产生输出电压的变化，从而能够经常保持一

2、定值的输出电压。测试结果表明，所设计的可变电压电源在输出端可以输出3-9V的电压，并且是稳定的，各点的参数也符合要求，能够为电子设备提供稳定可靠的直流电压。【关键i司】可变电压，数字电位器，晶体管3数字电位器的应用技术及直流电压3.1减小额定阻值误差和温度系数的影响每个数字电位器中每一级电阻值的增量一致性很好;在双数字电位器、三数字电位器和四数字电位器中，各个电位器的阻值是精密匹配的。据此，合理设汁应用电路和恰当选择数字电位器的型号，可充分利用精密匹配的优点，大大减小额定阻值误差和温度系数造成的影响。图3.1所示的电路是用数字电位器按常规方法构成的可变增益放大器。显然,数字电位器的额定阻值误差

3、和温度系数明显影响放大器增益的准确性和稳定性。将图3.1的电路设计成图3.2的形式1,将数字电位器MAX5160L用作分压器，为放大器MAX4252提供一定的正反馈。电路增益为Av=（l-Kn）/（Kp-Kn）,其中PKn、Kp分别是负、正反馈系数。Kn=100k8/（100k8+50k8）=2/3,Kp可调。当MAX5160L的滑动端位于左端（Vref端）时,Kp=0,放大器的增益为-0.5;当滑动端位于中点时,Kp=0.5,放大器的增益为-2。故用左端与中点之间的17级可变电阻就可使增益变化6dB。放大器的增益不再与数字电位器的阻值误差有关，仅受100k8/50k8电阻的？1%精度和MAX

4、5160L的INLD/NL（最大?4.6%）的限制。选择双数字电位器将可变增益差分放大器设计成图（3.3）的形式2（用单数字电位器R2,R4为固定电阻），则可始终保持集成运放的同相端和反相端对外的电阻相等,从而始终保持很高的CMRR,亦即抑制了温漂误差。图3.1图3.2图3.33.2通频带的选择数字电位器的通频带一般较窄，如X系列（Xicor公司）有些型号的-3dB带宽只有3236kHz。主要原因是数字电位器内存在杂散电容，频率响应受RC时间常数的限制。额定阻值/k8-3dB带宽/kHz滤波电容/LF1240026000.0016102403200.0135052680.06810032360

5、.12表3.1部分X系列数字电位器测试结果测试表明：通频带宽度主要与其额定阻值的大小和滑动端与地之间的滤波电容的容量有关。额定阻值越小,通频带越宽,表1给出了部分X系列数字电位器-3dB带宽的测试结果。3.3大电流线性分压器数字电位器的滑动端允许通过的电流较小，一般不超过3mA,电流过大会使器件过早失效。实践中可在滑动端后接一电压跟随器,这样既可以扩大电流又能隔离负载对数字电位器的影响。3.4输出正、负电压的分压器数字电位器一般不能直接接负电源，但在构成分压器时，有时需要输出正、负电压,此时可采用图（3.4）所示的电路。虽然输出V0不能得到VDDVSS全范围的分压，但适当选取R1和R2的阻值，

6、仍可得到一定范围可正可负的分压输出。图3.4可输出正负电压的分压器3.5控制信号波形畸变不一样型号的数字电位器的控制信号顺序不尽相同，在实际情况中必须严格遵守其时序规定，不然，很可能工作不正常。可以估算，也可以根据经验选取。如用数字电位器AD8042,控制信号来自单片机8031的P1口，设其内部上拉电阻值为lk8,滤波的截止频率X0=l/RC50MHz,可得C0.02nF,又由于8031的P1脚发出的脉冲最小宽度为2Ls,所以S=RC2Ls,实践表明，在晶振为6MHz的8031系统中，选用InF的滤波电容，效果很好。此外,数字电位器的阻值变化规律以线性的为多见，但也有按对数规律变化的，如X95

7、14、DS1661、DS1801等。选用时应注意。若数字电位器由机械按键开关控制，则应采取可靠的去抖动措施消除开关抖动的影响。由R-S触发器（可由门电路构成）和机械开美构成去抖动开关电路是一种简单、有效的措施。RC去抖动的作用是很有限的，不宜用于这类场合。必须防止使用过程中有可能出现的瞬间失效。因为瞬间失效可能会使集成运放处于开环状态，放大器增益很大，过大的输出信号就会造成后级电路损坏或其他不良后果。4数字电位器可变电源电压设计4.1稳压电源的组成直流稳压电源主要由电源变压器、整流电路、滤波电路和稳压电路所组成，如图所示，各部分功能如图4.1：图4.1稳压电路框图电源变压器：由于各种电子设备要

8、求直流稳压电源提供不同的幅值的直流电压，而市电提供的交流220V（或380V）,因此需要利用变压器先将市电的电压变换成所需要的交流电压，再将变换后的交流电压整流、滤波和稳压，最后获得所需要的直流电压；整流电路：整流电路是利用具有单向导电性的整流器件（如整流二极管、晶闸管），将大小、方向变化的正弦交流电变换成单向脉动的直流电。这种单向脉动直流电压含有很大的纹波成分，一般不能使用；滤波电路：滤波电路的主要任务是将整流后的单向脉动直流电压中的纹波成分尽可能滤除掉，使其变成平滑的直流电。滤波电路通常由电容、电感等储能元件组成；稳压电路：稳压电路的作用是采取某些措施，使直流稳压电源输出的直流电压在市电电

9、压或负载电流发生变化时保持稳定。4.2电源的结构本设计电源的主要参数：输出电压：315V,用数字电位器来调节；输出电流：500mA（在输出电压15V）根据电源设计原理和要求此直流电源图4.2可变电压电源电路由于该电路的负载电流最大到500mA，所以将射极跟随器部分进行如图连接，这是由于用小的基极电流可控制大的负载电流的缘故将输出电压进行反馈的电阻使用可变电阻，就能对输出电压进行调节。4.2.1选择输出晶体管对于射极跟随器部分的晶体管Tri,由于流过500mA的负载电流及交流整流后的电压为19V(后述)，所以选择具有lC>500mA,VCBO19V最大额定值的晶体管。选择低功率放大晶体管2

10、SD1406o还有，输出电压是15V、500mA的集电极电流流动时的Tri的集电极一发射极间电压为4V(=19V-15V),可以算出发生2W(=500mAX4V)的热损耗。在实际电路中，图A点的电压为脉冲电压(峰值为19V),所以Tri的热损耗为1.5W左右。因此，在Tri上有必要安装1.5W的散热器。在该电路中，Tri用的散热器是MC24L20。在输出电压设定在3V时，为了抑制Tri的热损耗在1.5W以下，输出电流必须限制在100mA以下。也就是，如果安装散热量为7W的散热器，即使输出电压为3V,电路也能取出500mA的电流。4.2.2误差放大器的设计对于Tr2,最大0.1mA的基极电流是必

11、需的(e500mA/60/70,即最大输出电流被Tri与Tr2的hFE的最低值除)。该电流是有共发射极放大器(Tr2)的负载电阻R1提供给Tr2的基极的，所以R1的值太大则不能给Tr2提供基极电流。在输出电压为15V时，R1的压降为2.8V(2.8=19V-15V-1.2V)。为了流过0.1mA以上的电流，Rl=2.2K(设定的太小，电流就浪费了)。如图3所示，VR1的滑动头位置放在最上端时(a)图，输出电压为最小值，这个值D5的压降V2加上Tr3VBE的值。图4.3电位器滑动头的位置与输出电压的关系最小输出电压由设计规格可知必须为3V,所以对于D5,使用齐纳电压为2V的齐纳二极管HZ2BLL

12、。还有，如图4.4(a)所示，也可以用三个串联连接的硅二极管代替齐纳二极管，进而，如图4(b)所示，去掉齐纳二极管，仅用Tr3的VBE作基准电压也能工作。但是，这两种电路的输出电压的温度稳定性和负载电流引起的电压下降率等性能都会变差。VR1是改变反馈到误差放大器的电压，进而调整输出电压的可变电阻。但是该电阻值取得过大，则不能提供Tr3的基极电流；如果过小，则无用电流变大。这里取VR1F0K。如图4.4(b)所示，R2的作用是当VR1的滑动头位置在最下端时，使得输出电压不要过大。为了使最大输出电压为15V以上,R2必须小于2.1K(15V=(10K+R2)/R2X2.6V),因此R2=2KO图4

13、.4齐纳二极管的代用品4.2.3稳压工作用的电容器C2是减少输出端与Tr3之间的交流阻抗(将VR1交流地短路)、稳定地加负反馈使用的电容器。C2的值如果在几微法以上，则不管多大都可以。不过，过大也是浪费的。在这里，取C2=10uFo即使没有C2,电路也工作，但是为了保证稳定度和性能，这是个绝对必要的电容器。C3是为了减少输出端的交流输出阻抗而使用的电容器。由于电源电路加上负反馈而使输出阻抗下降，所以C3本来是不必要的，但是没有充分加反馈的高频范围，为了降低输出阻抗，也接上110uF左右的电容器。在该电路中，取C3=10uFo2.4整流电路的设计在电源电路中，虽然进行电压稳定化的部分早已经消失，

14、但是从交流(AC)得到直流(DC)电压的整流电路是非常重要的。首先，在Tri的集电极(A点)必要的电压为16.5V。这是输出电压的最大值15V加上Tri与Tr2的VBE(0.6V)和Tr2的基极电流流过R1所产生的压降的值(16.5V15V+0.6VX2+2.2KX0.1mA)。但是,该值不是波纹的最大值，而是表示A点波纹的最低值，必须在16.5V以上。在整流电路中，设定波纹的最大值是一件简单的事情(最大值为输入交流电压的峰值减去二极管的压降)，波纹的最小值则由输入的交流电压、滤波电容器的值、变压器的线圈带内阻以及负载电流等多种因素来决定。在该电路中，设输入电压为14VAC用四个二极管上的压降

15、，所以越为19V(R14VX2-0.6VX2)。对于整流二极管D1D4,选择关断时的耐压为20V以上，能流过正向电流为500mA（最大负载电流）以上的器件。在这里，使用100V耐压，1A的普及型塑封S5277Bo4.3电容滤波电路本设计我们使用电容滤波，滤波后，输出电压平均值增大，脉动变小。C越大，RL越大，丁越大，放电越慢，曲线越平滑，脉动越小。由此得到稳定的电流电压。4.4测试方法测试原理：市电经过变压器后输出电压的峰峰值为16V,再经过桥式整流之后波形发生了变化全部为正半波，又因为在桥式电路后面接有一个大电容，不断的充放电之后使得波形成了一个趋于直线的波形，然后经过稳压电路之后输出的电压

16、就成了一条直线，并且是稳定的。测试步骤：先将变压器的输出和电路板的输入端。再把变压器接到插座上，用万用表测量电路板的输出端，调节电位器，使输出的电压变化。图4.6电压电源的输出电压与输出电流特性图4.6表示的是输出电压与输出电流的曲线图（输出电压在无负载时，已调整到15.OOV）0在500mA输出电流流动时，输出电压为14.8V,要比此时的无负载电压（15V）低0.2V（1.3%）0因此，对该电路的等效输出阻抗进行计算，则为0.4欧（=0.2V/500mA）o由于射极跟随器的输出阻抗为数欧，可以知道，如该电路所示，加上负反馈就能够大大减少电源的输出阻抗。还有，想超过这个负载稳定度时，有必要提高

17、放大电路的增益（提高裸增益就是增大负反馈量，由此能够更加降低输出阻抗）。结束语通过本次试验，增强了我们的动手能力，让我们学会如何制作可变电压电源。这次设计制作的数字电位器可变电压电源是成功的，在输出端可以输出3-9V的电压，并且是稳定的，各点的参数也都符合要求。射极跟随器的输出阻抗非常低，只有数欧左右的值，所以在大负载电流流过时，输出电压要下降。这个电路是串通型的直流稳压电源，因为控制输出用的晶体管，在电源与负载之间是串联连接的。参考文献1 梁光辉.理解和应用数字电位器J.科协论坛20097:22-23.LIANGGuanghui.Understandingandapplicationofdi

18、gitalpotentiometerJ.Science&TechnologyAssociationForum20097:22-23.2 周南生.晶体管电路设计.北京：科学出版社，2004.3 张国晨.基于数字电位器的直流偏置技术J.电子科技2011247:10-15.4 张黎军黄效国李烽-一款实用的过程量仪表测试用信号源【j】仪表技术，2008.2：1-5葛化敏，郑静，杨利青.基于ARMLinux的LCD显示模块设计j.仪表技术与传感器,2009,7：75-775 张明莉.新型稳压电源及应用实例.北京：电子工业出版社，2004.6 庞湘萍，基于89C52单片机的微电压信号源设计【j】.

19、仪表技术，2004,1：26-2史东兴.20位脉宽调制直流电压D/A转换器设计【j】.国外电子测量技术，2007,26(7)：25-277 电力工程直流系统设计技术规程S.北京：中国电力出版社o2009.8 郭永基.电力系统可靠性原理和应用.北京:清华大学出版社,2008.DigitalpotentiometervariablevoltageofpowersupplydesignAbstractWiththecontinuousdevelopmentofelectronictechnology,electronicproductsismoreandmorecomplete,theapplica

20、tionofelectronicequipmentisbecomingmoreandmorewidely,andiscloselyrelatedtopeople'slife.Anyelectronicequipmentisinseparablefromthereliableandstablepowersupply,thesedevicesbecomemoreandmorehightotherequirementofpowersupply,theminiaturizationofelectronicdevicesandlowcostisthepowertolightthinsmallan

21、dhighefficiencyfordevelopmentdirectionofpower,thisarticledescribesauseoftransistorstrandedregulatedpowersupply,thispowersupplycanprovidestablepowerforelectronicdevices,throughdigitalpotentiometertoadjusttheoutputvoltagein3-15v,andtheoutputvoltageof15voutputcurrentis500ma.Becauseofthelargeseriesdereg

22、ulatedpowersupplycanoutputcurrentandhighvoltage,andthenegativefeedbackcircuitcanovercomeduetothechangesofloadchangesandproducetheoutputvoltage,whichcanoftenkeepacertainvalueofoutputvoltage.testresultsshowthatthedesignedvariablevoltagepowerontheoutputsidecanoutput3-9vvoltage.andstabletheparametersofe

23、achpointalsomeetstherequirements,abletoprovidestableandreliableelectronicequipmentofdevoltage.IKeyWordsJ:Variablevoltage,thetransistor,Digitalpotentiometer附录仿真电路图及其波形1引言11.1选题的目的及意义11.2研究背景11.3可变电压电源研究的现状12数字电位器的特点及其工作原理32.1数字电位器32. 2数字电位器的特点42.3数字电位器的工作原理53数字电位器的应用技术及直流电压73. 1减小额定阻值误差和温度系数的影响73. 2通

24、频带的选择83.3大电流线性分压器83.4输出正、负电压的分压器93. 5控制信号波形畸变94数字电位器可变电源电压设计104. 1稳压电源的组成104.2电源的结构104. 2.1选择输出晶体管114. 2.2误差放大器的设计114.2.3稳压工作用的电容器124.3电容滤波电路134.4测试方法13结束语15参考文献-17-致谢错误!未定义书签。附录18in1.1选题的目的及意义在这二十一世纪信息高速发展的时代，基于市场对设备集成化，微型化的要求，越来越需要用数字电位器代替机械电位器，以提高系统的可靠性和可控性。数字电位器是采用CMOS工艺制成的数模混合信号处理集成电路也称数控可编程电阻器

25、采用是数控方式调节电阻值大小多用多晶硅或薄膜电阻材料，从而有使用灵活调节精度高无触点低噪声等特点，同时又有体积小节省印制板空间、易于安装、不易污损、抗振动、抗干扰、寿不易受环境温度影响等优点，基于上述内容数字电位器已被广泛用于通信设备，工业控制，家用电器数码产品等各领域。而电子设备的飞速发展又越来越需要更可靠的稳定的可变电压电源，因此设计一种数字电位器的可变电压电源己成为一种普遍的发展势。1.2研究背景在这个21世纪信息时代，电子设备产品更新换代快，应用的领域也越来越广泛，人们的生活越来越离不开电子产品，任何电子产品都需要稳定的电源，这些设备对电源的要求也越来越高，电子设备的小型化和低成本化是

26、电源以轻、薄、小和高效率为发展方向的动力而数字电位器据有灵活调节精度，使用简单方便灵活等优点广泛应用各领域，所以越来越需要研究一种基于数字电位器的可变电压电源，这种电源能够为电子设备提供稳定的电压，并旦能够灵活方便的调节输出电压，本文研究的这种电压电源是利用晶体管组成的滞留稳压电源，通过数字电位器调节使输出电压在3-15V,月.在输出电压为15V时输出电流为500mAo晶体管电路是根据调整管与负载的连接方式分为串联型和并联型。所谓串联型就是调整管与负载串联，这种电路应用较多。由于用晶体管作为调整管，晶体管串联稳压电路能在较大的工作电流下工作，可以克服稳压二极管电路的输出电流受稳压二极管电流限制

27、的缺点。可见设计一种数字电位器的可变电压电源是很有意义和发展前景的。1.3可变电压电源研究的现状目前国内的可变电压电源经过许多年的研究，己经形成了比较成熟的可靠性评估模型、不同方法以及各种技术指标体系，但大部分产品还有很多缺点，比如可调范围小，操作复杂，损耗大，制造成本高等等。目前直流稳压电源行业市场竞争也比较激烈，其主体企业包括企业的产品、业务状况、财务状况、竞争策略、市场份额、竞争力分析等,但各行各业都急需这种可变的电压电源，可见它的生命周期还是十分长久的。综上所述，当今背景下，研究一种基于数字电位器的可变电压电源是十分有必要的,它能够给电子设备提供稳定的电压，能在多领域发挥巨大的作用，并

28、且其性能好，操作简单方便，易于掌握，发展前景广阔。2数字电位器的特点及其工作原理2.1数字电位器数字电位器是一种颇具发展前景的新型电子器件，在许多领域可取代传统的机械电位器，其优点为调节精度高无噪声工作寿命极氏无机械磨损数据町读写，具有配置寄存器及数据寄存器多电平量存储功能。它广泛应用于仪器仪表计算机及通信设备家用电器医疗保健产品工业控制等领域任何需要用电阻来进行参数调整和控制的场合都可使用数字电位器构成可编程模拟电路但是在实际使用中应特别注意数字电位器的电阻调整误差由于不同应用场合时的误差影响因素有所不同，因此在实际应用时最好利用A/D转换路对其进行精确测量并采用单片机对其补偿。图（2.1）

29、数字电位器等效电路图。数字电位器一般由角度传感器电路、数据处理电路、信号转换电路组成。角度传感器电路是数字电位器的重要组成部分，它将角度变化量采集转换成随角度变化的模拟信号。数据处理电路是一种特殊的模/数转换电路，转换后的数字量代表0360。的角度值。信号转换电路根据需要将角度值转换成模拟量（电压/电流）信号或串行数字信号输出。数字电位器数字控制部分包括加减计数器译码电路保存与恢复控制电路和非易失性存储器等4个电路模块将个阻值相同或不同电阻串联在端之间每个电阻两端分别经过一个由CMOS管而构成模拟开关连在一起，作为数字电位器抽头在数字信号控制下每次只能有一个模拟开关闭合从而将串联电阻的一个节点

30、连接到滑端亦即。当外部计数脉冲信号停止或片选信号无效后译码电路输出端只有一个有效故只选择一个MOS管。数字控制部分的存储器是一种断电非易失性存储器电路再次上电时数字电位器中仍保存着原有控制数据其中间抽头到两端点之间的电阻值仍是上一次的调整结果。“dm)V(R)oVI麻I)图2.2数字电位器内部电路原理图2.1数字电位器等效电路数字电位器优点及通过简单电路实现其应用这使得它能与数字电路及其他单片机简易结合在一起，导致数字电位器应用领域越来越来广泛进而取代机械电位器。由于每片数字电位器芯片内部的布局技术架构，这导致其抽头数有限常见的单片芯片最多可达1024个抽头即相当于最高分辨率为lObitDAC

31、E10现在DAC位数和价格呈正比因此低成本架构从而提高数字电位器抽头数的电路设计更为经济实用。可以用单片较低分辨率数字电位器芯片通过多路选择器单片机的设计电路实现提高电阻值或分辨率这些设计都可以实现并验证低成本架构电路的实用性经济性的特点。2.2数字电位器的特点1数模混合信号产品是一种特殊形式数模转换器DAC,由数字控制电路存储器和RDAC电路组成其中RDA是数字电位器重要组成部分，由电阻数-模转换器电路构成。2分辨率与内部RDAC位数，RDAC位数越多分辨率越高。3自身有控制接口存储器和电阻系统同时内部有非易失性Nonvolatile存储器EEPR0M用户可对其进行读写操作并通过软件控制接口对其阻值进行编程4利用数字电位器可实现模拟电路中对电阻电压或电流的数字控制及调整5允许将几个数字电位器进行串并联或混联6受制作