高精度数控直流稳压电源的设计与实现

1、 高精度数控直流稳压电源的设计与实现主讲人：薛莲金1.稳压电源稳压电源是能为负载提供稳定交流电源或直流电源的电子装置。其中交流稳压电源有：u铁磁谐振式交流稳压器。由饱和扼流圈与相应的电容器组成，具有恒压伏安特性。u磁放大器式交流稳压器。将磁放大器和自耦变压器串联而成，利用电子线路改变磁放大器的阻抗以稳定输出电压。u滑动式交流稳压器。通过改变变压器滑动接点位置稳定输出电压。u感应式交流稳压器。靠改变变压器初、次级电压的相位差，使输出交流电压稳定。1.1概念直流稳压电源按其工作方式来分有以下几种类型。u可控整流型。用改变晶体管的导通时间来调整输出电压。u斩波型。输入是不稳定的直流电压，以改变开关电

2、路的通断比得到单向脉动直流，再经滤波后得到稳定直流电压。u变换器型。不稳定直流电压先经逆变器变换成高频交流电，再经变压、整流、滤波后，从所得新的直流输出电压取样，反馈控制逆变器工作频率，达到稳定输出直流电压的目的。1.2直流稳压电源类型1.3直流稳压电源应用线性直流电源高频开关直流电源蓄电池充电电源 直流稳压电源可以作为各种晶体管仪器、仪表、电子计算机、自动控制系统与设备的直流电源，还可作为检定某些电工仪表用的稳压、稳流电源。直流稳压电源引可广泛应用于国防、科研、大专院校、实验室、工矿企业、电解、电镀、直流电机、充电设备等。图1 各种直流稳压电源2.研究目的u传统的直流稳压电源通常用电位器和波

3、段开关来实现电压的调节。u电位器易磨损难以实现电压精确输出且读数欠直观。u传统稳压方式是由于电位器阻值变化为非线性，而且其调整范围窄，难以实现输出电压精确调整。2.1传统直流稳压电源的缺点 鉴于这些缺点，本次设计以单片机代替调节波段开关和电位器，通过不同的程序灵活更改调节方式、参数，通过电压调节输出，实现一种高精度数控直流稳压电源；采用键盘输入及 LED 显示作为输出电压显示，使得操作简单可靠。 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。u本次设计主要由AVR ATmege 16单片机系统、键盘、数码管显示器、指示灯及报警电路、检测电路、D/A转换电路、直流稳压电

4、路等部分组成。u其中采用按键盘，可对输出电压及报警阈值以快慢两种方式进行设置，输出由单片机通过D/A控制驱动模块输出一个稳定电压。u稳压方法采用单片机控制,单片机通过A/D采样输出电压，与设定值进行比较，若有偏差则调整输出，越限则输出报警信号并截流。u工作过程中，稳压电源的工作状态(输出电压、电流等各种工作状态)均由单片机输出驱动LCD显示，由键盘控制进行动态逻辑切换。2.2系统实现功能 图2 系统总体设计框图 u系统电压调节范围为012V，最大输出电流1A，具有过载和短路保护功能。u输出电压可用LCD1602液晶显示。u键盘设有6个键，复位键，步进增减1V两个键，步进增减0.1V两个键以及确

5、认键。复位键用于启动参数设定状态（5V），步进增减键用于设定参数数值，确认键用于确认输出设定值。u监测D/A的输出电压值。2.3系统设计要求3.研究内容和方法3.1 直流稳压电源的基本原理 驱动电源电路一般由电源变压器、 整流电路滤波电路及稳压电路所组成。 如图 3 所示。 图3驱动电源电路框图 图4 直流稳压电源电路图 电路采用三端稳压器LM7805来稳压，应用电路如图5所示，只要正确把输入电压U1加到LM7805的输入端，LM7805的公共端接地，其输出端便能输出正电压标为U2。实际应用中，输入端和输出端与地之间分别接大容量滤波电容到地。C1用于抑制自激振荡，C2用于过滤芯片的高频带宽，减

6、小高频噪声。 图 5三端固定式稳压电路3.2 数控电源的方案 数控电源的输出电压数值由键盘控制。通过键盘把需要输出的电压值以步进方式输入到单片机。这里电压采用单片机的PWM模拟电压输出。显示电路既可用来显示输出的电压值，也可用来显示键盘电路的调整过程。如果不满足输出电压的要求，将需要添加一个电压放大器。经LM324线性转换后，得到所需电压值，另外对监测电压实际输出电压值进行采样，并将采样值通过单片机的A/D采样口送回单片机处理后显示。在该数字控制电源中，使用AVR芯片完成系统控制按键输入判断、电压数值显示以及对外部芯片的各种数字控制。3.3数字控制部分 ATmega16是基于增强的AVR RI

7、SC结构的低功耗8位CMOS微控制器(图6)；数据吞吐率高达1 MIPS/MHz可以缓减系统在功耗和处理速度之间的矛盾；具有4通道的PWM以及8路10 bit ADC。图6 AVR ATmega 16 单片机管脚图本系统的D/A选择常用的DAC0832。把单片机的数据线与DAC0832的输入端直接相连即可。其各个引脚的连接及外围如图7所示。DAC0832为8 bit D/A转换器，单电源供电，范围为+5 V+15 V，基准电压范围为10 V。电流的建立时间为1s。CMOS工艺功耗20 mW。输入设有两级缓冲锁存器。图7 DAC0832实物图和管脚图(1)欲将数控电压步进设计为1 V，需要准确选

8、择D/A的参考电压V ref，所示用一个精密电阻进行调节，计算方法如下：nVVnVVrefref256,256(2)数字量取0256，n取16，Vref取8 V。即数字量每步进16个单位，模拟量改变为0.031 25 V，要达到步进为1 V，必须放大2倍，用运放即可。运算放大器的原理如图7所示。图7 LM324构成的运算放大电路3.4电压放大电路 运算放大器通常工作在闭环状态，将运算放大器的放大电路接上一定的反馈电路和外接元件，就可以实现各种数学运算。运算放大器反馈电路有各种形式，不同的反馈电路和不同的输入方式可以组成各种不同用途的运算放大电路。 图8是输入信号加在反相输入端的比例运算电路。其

9、中R 1为输入端电阻，R f为反馈电阻，它以并联负反馈的方式将输出电压反馈到反相输入端，为了在输入信号U i0时，输出U o0，电阻的选择应满足R 2R 1/R f 。图 8 运放连接示意图 这样可保证运算放大器的反相输入端与同相输入端的外接电阻相等，使其处于对称平衡状态，以消除运算放大器的偏置电流对输出电压的影响，因此，称R2 为平衡电阻。 由理想运放的两条重要结论可知，I10，U+U-。通过R1的电流I1，即：If=I1，又由于运放的通向输入端接地，U+=0，所以可得U+U-，也就是说，当同相端接地，U+=0时反相输入端电位U-0，它是一个不接地“地”，称为“虚地”。“虚地”的存在是运算电

10、路在闭环工作状态下的一个重要特征。 由图8可得： I 上式表明，该电路的输出电压与输入电压之比仅由电阻Rf与R1的比值决定，而与集成运放本身的参数无关。中的负号表示输出电压与输入电压反相，因而称为反相比例运算放大电路。当R1R f时，Uo-Ui，反相输入比例运算电路就成了反相器。 ii13.5 显示电路设计数控电源的数据显示采用 LCD1602 液晶显示，如图 9 所示。 图9 LCD1602管脚和实物图LCD1602采用标准的16脚接口，各管脚功能如下，其中： 第1脚：GND为电源地。 第2脚：VCC接5V电源正极。 第3脚：V0为液晶显示器对比度调整端，接正电源时对比度最弱，接地电源时对比

11、度最高（对比度过高时会 产生“鬼影”，使用时可以通过一个10K的电位器调整对比度）。 第4脚：RS为寄存器选择。高电平1时选择数据寄存器、低电平0时选择指令寄存器。 第5脚：RW为读写信号线，高电平(1)时进行读操作，电平(0)时进行写操作。 第6脚：E(或EN)端为使能(enable)端,高电平（1）时读取信息，负跳变时执行指令。 第714脚：D0D7为8位双向数据端。 第1516脚：空脚或背灯电源。15脚背光正极，16脚背光负极。 4.软件设计 控制程序使用C语言编写，在ICCAVR平台下编译通过，运用双龙下载软件将程序下载到芯片。当按键按下，可进行电压调整，最大可调节电压为1 V，步进为

12、0.1 V。在按键加减的过程中，LCD模块显示的电压随着上下变化，当按键不动作后，将单片机的PWM模拟输出电压经二次滤波电路输出，经线性，放大得到与显示电压值相同的电压。4.1 程序设计流程图设计流程图分为三大部分，即主程序流程图、键盘扫描流程图和键盘控制流程图。主程序流程图如图10所示。图10程序流程图4.2调试 准备就绪后，将变压器通电，开始进行测试，检测它们是否达到设计要求。检查的项目包括输出电压范围、整个输出电压范围内的步进调整值、输出电压与预置电压是否匹配以及数字电压表功能的精准度。数控电源系统的供电由直流稳压电源提供，由硬件电路的15 V电源和5 V电源提供。电压测试结果如表1所示。 以上为电压测试结果，由于PWM的分辨率为0.2，所以其误差范围可以限制在00.2 V左右，在这个范围内产生误差是允许的。因此监测电压与输出电压基本一致。因为PWM输出为8 bit，分辨率=PWM占空比/250，那么当占空比值变化1时，其电压变化为0.02 V，之后运放将电压放大变化0.04 V。所以可达到电压变化精度为0.04 V。表1 测试结果及对比 5总结 本文设计了一种基于16位AVR单片机ATMege16的数控直流电源以解决传统数控电源价格昂贵,误差较大,人机交互性较差。本电源用过键盘输入或者串口通信发送数据控制单片机,由单片机完