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多功能
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多功能数控电源,多功能,数控,电源
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多功能数控电源李天豪 麦松涛一、系统设计1. 设计题目及要求数控直流稳压电源基本要求： 当输入交流电压为220v10%时，输出电压在3-13v可调； 额定电流为0.5A，且纹波不大于10mV； 使用按键设定电压，同时具有常用电平快速切换功能（3v、5v、6v、9v、12v），设定后按键可锁定，防止误触； 显示设定电压和测量电压，显示精度为0.01v。 扩展要求： 输出电压在0-13v连续可调； 额定电流为1A，且纹波不大于1mV； 掉电后可记忆上次的设定值； 两级过流保护功能，当电流超过额定值的20%达5秒时，电路作断开操作；当电流超过额定值的50%时，电路立即断开。具有光提示（如LED）； 其他创新。2. 总体设计方案 方案设计方案一利用LM317加上一组电阻构成调整网络。通过单片机来控制各个电阻的导通与关断，从而达到调节输出电压的目的。方案二利用LM317电源芯片作为调整管，通过单片机经过PWM或DAC控制调整管以达到改变输出电压的目的。方案三运用大功率三极管结合单片机，利用AD/DA（或PWM）转换控制实现数字化电源。 方案论证与比较方案一做起来比较简单，但不足之处是作为调整的一组电阻比较难匹配，而且功能单一，比较难扩展。方案二是经典的电源设计方案，它的原理也相对较为简单，容易实现题目给出的要求。而且能扩展其他的一些功能，比如恒流控制等。在方案一，二中，采用线性调压电源，用改变其基准电压的方式使输出步增或步减，这样做必须要考虑到滤波后的纹波对输出的影响。而方案三有所不同，它使用运放作前级的功率放大电路，由于运算放大器具有很高的电源电压抑制比，可以大大减少输出端的纹波电压。方案三的设计还很容易进行扩展，例如，可以通过AD采集输出反馈到单片机来实现电压实时跟踪，同时还可以用这种方法实现恒流控制等等。由于方案三的种种优势与特色，我们选择的是方案三。3. 具体方案实现基本功能实现DA转换：利用八位DA转换芯片DAC0832实现，做成步进0.1V的电源，可以从实现从015V连续可调。恒压控制：通过从输出端采样的电压反馈控制来实现，主要由利用四运放LM324来调节。单片机控制部分：使用Atmega8，通过遥控进行控制，并在12864液晶上进行显示。功率放大：采用大功率三极管TIP42C扩流。扩展功能实现：恒流控制：使用ATmega8内部10位ADC转换器将模拟信号转换位数字信号，再由单片机分析得到的电流值后，通过DAC0832调节输出电压来达到恒流的目的。过流保护：利用AD采集输出的电流信号，利用软件控制电流输出的最大值，并在电流过大时报警及切断电路。掉电记忆：使用ATmega8内部EEPROM保存设定的模式和预设值。增加串口连接接口，可通过上位机进行控制。增加DS1B820的接口。通过该芯片能实现一个可以适应环境温度变化的多功能电源。二、 单元电路设计1. 单片机最小系统我们选用的是高性能ATmega8单片机。其主要性能如下：l 高性能、低功耗的 8 位AVR 微处理器 l 先进的RISC 结构 l 8K字节的系统内可编程Flash l 512字节的EEPROMl 1K字节的片内SRAMl 两个具有独立预分频器8位定时器/计数器,其中之一有比较功能l 一个具有预分频器、比较功能和捕捉功能的16位定时器/计数器l 具有独立振荡器的实时计数器RTCl 三通道PWMl PDIP封装的6 路10 位ADCl 两个可编程的串行USARTl 可工作于主机/ 从机模式的SPI 串行接口 l 具有独立片内振荡器的可编程看门狗定时器l 片内模拟比较器l 23个可编程的I/O 口线在本系统中，ATmega8的IO口数量、Flash及内存大小可以满足设计要求。其内置的EEPROM可实现设定值的掉电记忆功能，6路10位ADC可满足系统的采样需求，免去增加外部ADC的麻烦。根据芯片手册，设计单片机最小系统。 单片机程序下载接口图2.1 单片机程序下载接口 复位电路ATmega8采用的是低电平复位，下图为典型的复位电路。图2.2 单片机复位电路 振荡电路为了充分利用单片机的IO口，且系统中不需要精确定时，因此没有使用外部震荡电路，而使用ATmega8内部的1MHz晶振。 IO口分配PB：普通IO口，接DAC0832输入PC0：第二功能ADC0，电压取样端PC1：第二功能ADC1，电流取样端PC2：第二功能ADC2，电压模拟控制端PC3：普通IO口，蜂鸣器控制端PC4：普通IO口，LED控制端 PC5：第二功能ADC3，电流模拟控制端PC6：第二功能RESET，复位控制PD0：第二功能RXD，串口输入PD1：第二功能TXD，串口输出PD2：第二功能INT0，红外中断PD3：普通IO口，接DAC0832转换控制端PD4：普通IO口，接LCD同步信号端PD5：普通IO口，接LCD串行数据口PD6：普通IO口，接LCD片选端PD7：普通IO口，继电器控制图2.3 ATmega8 IO分配2. LCD控制电路为显示完整的菜单，方便用户操作，我们选用的是12864液晶作为显示接口。使用LCD串行工作模式，根据数据手册设计电路。1脚（VSS）：接GND2脚（VDD）：接VCC3脚（Vo）：接VCC4脚（RS）：LCD片选，接Atmega8 PortD.65脚（R/W）：LCD串行数据口，接Atmega8 PortD.56脚（E）：LCD同步时钟，接Atmega8 PortD.415脚（PSB）：串并行选择，接GND19脚（LEDK）：背光电源负极，接GND20脚（LEDA）：背光电源正极，接VCC其他管脚悬空。图2.4 液晶接口3. 红外接收电路用户使用遥控对数控电源进行控制。根据数据手册，设计红外接收电路。红外接收头共三个引脚，其中数据口接至Atmega8的INT0。图2.5 红外接收模块4. 串口电路从Atmega8引出RXD和TXD，通过串口线与电脑连接，可实现在上位机对数控电源的控制。图2.6 串口电路5. 基准电压电路为使ATmega8内部AD和DA转换芯片稳定地工作，必须提供稳定准确的参考电压，因此采用专用的基准电压芯片提供基准电压。MC1403是低压基准芯片。一般用作812bit的D/A芯片的基准电压等一些需要基本精准的基准电压的场合。 输出电压: 2.5 V /- 25 mV 输入电压范围: 4.5 V to 40 V 输出电流: 10 mAMC1403满足实际电路的要求，选用它作为基准电压芯片。参阅MC1403的芯片手册中的管脚说明以及经典电路，设计实际应用电路。1脚Vin接输入电压Vcc。3脚GND接地。2脚Vout即为参考电压输出，接至DAC0832的8脚VREF，以及Atmega8的AD参考电压端AREF。各脚再接上相应的滤波电容。图2.8 MC1403管脚图 图2.9 MC1403电路图根据实际测量，输出参考电压值为2.525V。 6. 数模转换电路为实现通过单片机控制输出电压的目的，必须接入数模转换电路。按照设计要求，电压可从0到13V以0.1V步进连续可调，采用八位的数模转换即可满足。因此选用较为廉价的直流输出型八位双缓冲数模转换器DAC0832。DAC0832可实现双缓冲，可对数字量进行锁存，以及控制是否进行模数转换。在本电路中，使用的是单缓冲方式，不对数据进行锁存，只控制模数转换使能端，使输出模拟量较为稳定。DI0DI7：数字量输入口，接至Atmega8的PortB。VREF：外部电路提供的-10V到+10V的参考电源，接至MC1403的输出端。RFB：片内反馈电阻，通过接入外部反馈电阻，达到合适的输出电压。ILE：寄存器锁存控制，接GND，不锁存。IOUT1：其中一个电流输出端，接至运放的反向输入端。CS：片选信号，接GND。WR1：写信号控制端1，接GND。WR2：写信号控制端2，接Atmega8 INT1。XFER：转换控制端，接Atmega8 INT1。图2.9 DAC0832管脚图 图2.10 DAC0832电路图DAC0832为电流输出型DA，输出电流随输入的电压控制字线性变化。若要得到电压，还需外接一片运放来实现电流到电压的转换。根据DAC0832的数据手册，输出电流值如下所示：其中15千欧为DAC0832内部反馈电阻值，但因为我们编程的时候数字输入部分只用了0-150，所以根据该公式，若不外接反馈电阻，输出电压最大值为1.479V，不能满足设计要求，因此利用LM324形成反向放大电路以增大反馈电阻。经过一级放大之后，输出电压可达到1.479/15*(15+33)，约4.7V；实测放大后的电压值约为5.25V。经过第二级反向放大电路，电压反向（设计放大值约为1倍），调节R15可粗调电压输出的最大值，实测放大后的电压值约为5.62V，而后面功率放大部分会相应放大3倍左右，调节R8可微调电压输出值。最终的电压输出值约为15V，满足设计要求。图2.11 第一二级反向放大电路7. 整流滤波电路系统供电部分我们用了双十五伏变压器。大功率整流管1N4004最大电流为1A，最大耐压400V，满足设计要求。经过D1D4大功率整流管1N4004整流，以及型滤波电路后，获得较稳定的25。在型滤波电路中，因考虑到电感的作用不大，所以把电感去掉。而滤波电路中选择了两个4700uF大电容滤波，因输出级为20V，所以选择电容的耐压值为50V；10nF电容是用于过滤高频信号的。20电压直接送至TIP42C输出级，经过调整后输出。加入LED灯以显示电路工作状态。图2.12整流滤波电路8. 稳压电路前级整流滤波后的+/-20V信号经过两个7812，一个7912以及一个7805降压，作为辅助电源供电给各个环节。由于输入级已经有大电容滤波，所以降压电路输入部分没有再连接滤波电容，输出端则连接10nF以及330uF电容分别来过滤高低频噪声。在输入输出连接一个二极管，防止高频信号在内部自激导致输出电压大于输入电压，电流倒流。输出端再连接滤波电容。而两个7812并联处有散热片，防止电流过大，起分流作用。图2.13辅助电源电路9. 功率放大电路 功率放大电路工作原理经过一二级的反向放大电路，信号的幅值约为5V，通过一个LM324再次进行放大（设计放大倍数约为3），达到设计值的15V，并与后级的功率放大电路形成反馈回路，提高电压稳定性。其中R21是一个很重要的电阻，其作用是输出零点控制。由于我们选用的运放是普通的LM324运放，其性能不是很好，加上DAC0832量化误差，若不放这个电阻或者阻值过大，会出现输出无法调零，若阻值过小则会把输出信号削弱，使输出电压达不到设定值，在经过多次选择后，确定300欧是最合适阻值。而Q1、Q2和Q4、Q5形成复合管，其目的就是要给Q2一个很小的基极电流，便可在Q1上得到一个较大的集电极电流。通过R10把输出电压反馈到运放反相输入端，加入滑动变阻器R8可以实现反馈控制的微调。电压升高时调节过程：输出电压反相输入端电压8端输出电压，从而达到了稳压的目的，反之亦然。C11和R26是用于提供一个放电回路，若去掉，则很容易会出现电压值无法从较大值调小的问题。 功率放大电路元件的选取与计算1) 功率放大三极管Q1的选用根据设计思路，要求功率三极管承受电流能力强，即带负载能力好，反应时间短，必须满足以下要求：l 晶体管的导通饱和压降要小l 晶体管截止时的反向漏电流要小l 晶体管的开关时间要短，即转换速度要快l 晶体管的基极驱动电流要小l 由于晶体管的输出端一般是感性负载，所以要求晶体管的反向击穿电压较大根据要求，经查询元器件手册，我们选用Tip42c作为大功率开关管。其主要参数如下，满足设计要求：型号材料结构击穿电压饱和电流最大耗散功率Tip42cSi-PNP100V6A65w2) 晶体管Q2的选择晶体管Q2与Q1的连接方式为达林顿连接，其目的就是要给Q2一个很小的基极电流，便可在Q1上得到一个很大的集电极电流。因此，晶体管Q2的最大饱和电流要大，反向击穿电压也要大。但是如果我们在Q2的发射极附加一个电阻R14，则使用一般的三极管就能满足上面的条件。经查询我们选用常见的9014，参数如下：型号极限参数PCM(mW)ICM(mA)BVCBO(V)BVCEO(V)BVEBO(V)9014300100252043) 运放LM324的选择运放的一个功能是将DAC0832输出的量化电流转换为量化的电压，驱动后级功率放大，这就要求运放的线性放大性能要比较好，开始我们采用TL084，发现输出调不了零，不管如何改变电路，要么没法调零，要么达不到线性输出，换用LM324后问题解决。运放的另外一个功能是将采样到的电流进行放大再进行AD转换，因为电压太小读数误差会变大。 LM324四运放放大器是内含四个特性近似相同的高增益、内补偿放大器的单电源（也可以是双电源）运算放大器。电路可以在+5V或+15V下工作，功耗低，每个运放静态功耗约0.8mA，但驱动电流可达40 mA。主要参数如下，满足设计要求：l 电压增益 100dB l 单位增益带宽 1MHzl 单电源工作范围 3V-30VDCl 每个运放功耗（V+=5V时） 1mV/op.Ampl 输入失调电压 2mV（最大值7mV）l 输入偏置电流 50nA-150 nAl 输入失调电流 5nA-50 nA l 输入共模电压范围 0-V+-1.5VDC（单电源时） V- -V+-1.5VDC（双电源时）l 输出电压幅度 0-V+-1.5VDC（单电源时）l 输出电流 40mAl 放大器间隔离度 -120dB（f0:1kHz-20kHz）图2.14功率放大电路10. 采样电路滑动变阻器R6负责电压采样，把分压后的输出电压输入单片机的AD口。而对于电流采样，则通过一个3W的水泥电阻把电流信号变成电压信号，电压信号相对AD采样电压过低，所以用一个LM324进行放大再输入至单片机的AD口。图2.15 采样电路11. 其他电路通过继电器实现电路快速切断。当控制继电器的端口置低电平时，继电器3,4端口不连通，而2,6端口连通，电路处于导通状态。而当控制继电器的端口置高电平时，继电器处于工作状态，3,4端口处于连通状态，而2,端口连接断开，达到断电保护效果。图2.16 继电器电路LED灯显示电路工作状态以及进行报警。图2.17 指示灯电路蜂鸣器进行报警。图2.18 蜂鸣器电路模拟控制端的可调电阻，因为内部采样的AD参考电压为2.52 V，所以电阻R211是用来分压，使采样的电压值最大值不能超过2.52 V。然后通过转化采样到的10位AD，然后在B端口输出到DAC0832中，使滑动变阻器可以在015V间调节。图2.19 模拟控制可调电阻电路三、 整机电路1. 整机电路图2. 系统框图四、 性能指标测试1. 系统指标测试输出端空载测量仪器：数字万用表。测量时间：2010/5/13 数据记录（20）设置电压显示电压实测电压设置电压显示电压实测电压设置电压显示电压实测电压0.5000.5030.5215.505.535.5310.5010.5610.581.001.001.0246.006.036.0511.0011.0611.081.501.501.5266.506.536.5511.5011.5611.582.002.012.037.007.047.0612.0012.0712.082.502.512.537.507.547.5612.5012.5612.583.003.013.038.008.048.0613.0013.0613.063.503.523.548.508.568.5713.5013.5613.564.004.024.049.009.059.0714.0014.0614.064.504.524.559.509.559.5714.5014.5514.565.005.035.0310.0010.0610.0715.0015.0715.072. 误差分析从电路的原理框图可以看出，系统的主要误差来源于三方面：1) DAC0832的量化误差0832为8位D/A转换器，满量程为25伏的量化误差为(1/2)（1/28）25V49mV.按满度归一化的相对误差为(1/2)（1/28）0.2%。2) 基准电压温漂引入的误差MC1403的温飘。3) 由功率放大器引入的误差 主要是由于LM324的温漂4) 采样电阻造成的误差输出电压由于采样电阻的存在，会产生一定压降，而且随电流的增大，压降会越来越大。3. 系统功能 根据题目的要求，完成功能如下： 当输入交流电压为220v10%时，输出电压在0-15v连续可调； 额定电流为1A，且纹波不大于10mV； 掉电后可记忆上次的设定值； 使用按键设定电压，同时具有常用电平快速切换功能（3v、5v、6v、9v、12v），设定后按键可锁定，防止误触； 显示设定电压和测量电压，显示精度为0.01v。 两级过流保护功能，当电流超过额定值的20%达5秒时，电路作断开操作；当电流超过额定值的50%时，电路立即断开。具有光提示以及蜂鸣器报警； 在额定电流范围内，可进行稳流输出 可切换至模拟控制模式4. 操作说明接通电源，系统根据上次使用保存的信息（包括模式和预设值）设置电压或电流。LCD根据模式的不同显示系统的状态信息。（大于1000mV/mA/mW的使用单位V/A/W）LCD第一行为系统目前所选的模式信息。数字控制稳压模式：预设电压：03.00V数字控制稳流模式：预设电流：030mA模拟控制稳流模式：模拟控制稳流模式模拟控制稳压模式：模拟控制稳压模式LCD其余三行显示系统目前实际电压、电流及功率信息。实际电压：02.92V实际电流：029mA实际
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