多功能电源的设计与制作.doc

多功能小功率电源的设计与制作研 究 报 告指导老师：郭光华 孙克辉 作者：应物0201班 张群政，邓 刚，刘 强1 引言该作品是针对实际科学研究的需要而设计和制作的，主要是用作电化学和电沉积研究所需的电源。它可广泛地用于电化学反应和制备各种纳米结构体系，具有广泛的用途。对于交流电源，国内外市场上的产品种类繁多，它们大多都应用在电压比较大或频率比较高的场合，例如开关交流电源的发展就趋向于高频化、高效率、模块化、无污染等方向。对于低频，低压环境应用的可调频、调压交流的智能化产品，市场上却十分少见。但在某些应用领域，如：用于电化学和电沉积研究所需的电源，化学电镀电解的激励源，实验用多功能电源等，一种可同时接近零起调的调频、调压的交流电的需求，是十分迫切的。其次，鉴于大多数的器件都有低频截止特性，对于交流信号，要做到同时调频（接近零频率可调），调压而无畸变或衰减，是有一定技术困难的，这也是接近零频率段的交流可调电源十分少见的原因之一。本作品致力解决这一难题。最后，对于提供直流电的电源，国内外的产品也非常的多，价格也很便宜。但大多数的产品仅能供给单一电平，或几个档位的电平输出，无智能的定时控制和较大的电压幅值调节空间。一种电平幅度和对应输出时间都可调的单一或两种不同电平的直流电源的需求，也是十分迫切的。为此，本作品将设计一种多功能小功率供电电源。它分交直流两种模式工作，交流模式采用高性能的单片集成波形发生器来做波形产生电路，并采用了具有完善的过压、欠压、过载、输出短路、热失控以及瞬时温度冲击保护功能的集成功率放大器LM3886做输出功放，还采用自动增益控制环稳定和调节输出电压，防止因负载的变化而引起输出电压的扰动。直流模式采用对220V市电进行整流、滤波、稳压等系列处理。两个模式统一采用51单片机，对其编程，做定时控制、显示以及频率测量等。使用过程中，只需由几个开关，旋钮及按键来完成整个的控制过程，简单、方便、易于操作。2 主要技术指标及特点第一模式（正弦波、三角波和方波交流输出）： 调压：040V（有效值）可调，最小调整度1V，实时显示调频：3.0HZ3.0KHZ可调，最小调整度0.1HZ，实时显示额定功率：30W 第二模式（两种不同直流电压交替输出）： 如图示：V1，V2 ,t1 ,t2可显示；V1，V2均020V可调，最小调整度0.5V；t1 ，t2均0.06S600S可调，最小调整度0.01S；额定功率：10W附加功能：可提供+5V，-5V，+12V，-12V，+15V，-15V，+28V，-28V直流电输出；其技术指标表明，它还可广泛应用于小型仪器、器件或设备的电源激励，或可作为实验室实验用多功能供电电源。对于一些要求可调频调压，定时控制等特殊应用领域里的电源，它也可很好的发挥其功能。它的突出特点是：作为交流输出的正弦波、方波和三角波，可实现从接近零频率起调，接近零电压起调，调整范围较大；直流部分可输出交替两种电平，电平幅度可分别调节，电平输出时间分别可控。附加输出的多档位直流电压，可用于大部分芯片的供电电源。3 创新点此作品在设计过程中主要创新点有：1、直流模块中，为实现电压近零起调，采用可调稳压器LM317（从1.25V到37V可调）时，还利用它自身的输出特性，采用通用运放741来拉低其参考电位，把最小可调电压1.25V降到接近0V,以实现近零起调。2、交流模式里，采用了电压自动增益控制环路，以稳定和调节输出电压，减小负载对输出的影响。3、使用电子计数法测周期的原理,用已知频率的高频信号（单片机机器周期1US,做此已知信号）做基准,与低频待测信号对比，来测量低频信号的频率。4、集可同时调频调压的交、直流电压输出和多档位直流电压输出，还携带定时控制等功能，方便使用。4 研究内容和拟解决的关键问题此项目的主要研究内容包括：1如何实现正弦波、方波和三角波从接近零频率起调，接近零电压起调，且此过程中波形要稳定无畸变(示波器上观察时,无人眼可明显看出来的畸变即可)的输出。2如何稳定交、直流输出电压，而不受外接负载的影响并达到预期的功率输出指标。3如何实现用单片机控制定时、显示以及测量频率，并达到预期的精度指标等。本作品设计的是小功率的交直流电源。作为电源，除了要达到预期的技术指标外，我们还要注意很多外界对系统的影响，比如：过压、欠压、过载、输出短路、热失控、瞬时高温等等。因此，我们在设计和选用器件的时候，必须考虑到这些。5 设计与实现从此作品的性能指标出发，我们把整个系统分成三个部分，分别为：交流模块，直流模块，控制模块。对各模块，我们分别进行研究，采用方便制版的软件protel进行硬件电路设计，必要时搭建临时测试电路，以验证理论的正确性和可行性。待各模块理论设计完工后，我们开始搭建测试电路，以电路版的形式再现系统，并调试之，完成后，做成PCB版，安装系统。下面就各模块分别给出简要设计与实现。5.1 交流模块交流模块（模式一）主要包括波形发生电路，单片机对频率的测量、显示和控制电路，功率放大电路，自动增益控制环路，电压输出和测量显示电路。原理框图如下：模式一：单片机Atmel89s51频率显示键盘控制显驱动可调基准电压经比较器变为方波积分减法滤波整流波形发生电路乘法器功率放大电压输出方 波测量显示取样测量频率图1 电源模式一的原理框图5.1.1波形发生电路在交流模块里，我们采用集成波形发生器MAX038(可方便的输出正弦波、方波和三角波,频率范围宽,可实现从1HZ-20MHZ可调输出),做各种所需波形的发生电路，对MAX038的外围器件参数进行分析和调节,以实现正弦波、方波和三角波从接近零频率起调，且此过程中波形要稳定无畸变(示波器上观察时,无人眼可明显看出来的畸变即可)的输出。交流模式里采用MAX038做波形发生电路如图2所示。 图2 交流模式用MAX038产生正弦波电路图上图为MAX038产生正弦波的电路连接图,图中部分相关引脚功能如下:REF: MAX038芯片内部提供+2.50V基准电压输出端,有小许波动为:2.48V-2.52V。DADJ：占空比调节输入端，它可用来减少正弦波波形的扭曲。V(DADJ)=0 V，占空比为50%（最多2%的波动），当提供一个小的可调节电压（典型的是小于100MV给DADJ时，能够得到精确的对称，波形的扭曲可以减到最少。具体电路可用图2右边所示接法。COSC：外部电容连接端，与待输出波形的频率有关。FADJ：频率调节输入端，与待输出波形的频率有关。IIN：频率调节的电流输入端，与待输出波形的频率有关。A0,A1：取不同的TTL电平,可实现不同波形输出,具体如下表:正弦:A1=1,A0=X;图中输出正弦波的频率由下面三个参数决定:1. IIN pin的输入电流, IIN的范围:2UA750UA2. COSE pin的电容值, 20PF100UF3. FADJ pin的电压值,V(FADJ)=0V时;输出正弦波频率:Fo(out)=IIN/CF=VIN/(RIN*CF) ;COSC的电容值越大就越好的低频输出特性,且需无极性电容。对于方波与三角波,也有类似特点。如图2所示,我们用REF脚的2.5V电压做VIN,RIN为电位器,通过调节它的电阻值,来实现频率调节，最小调整度小于0.1HZ。由于大电容值的无极性电容市场上比较少见，且比较贵，我们可以用多个小容值的无极性电容并联代替，或用两个有极性的电解电容和两个二极管（单向导电特性），以取代无极性大电容。假设我们取CF=1UF，要实现频率从3.0HZ-3KHZ可调,我们来确定RIN的范围:RIN(min) = VIN/( Fo(max)*CF) = 2.5 /(3000*0.000001)=833.3 欧姆RIN(max) = VIN/( Fo(min)*CF) = 2.5 /(3*0.000001)=833333.3 欧姆具体的RIN,CF值还需看市场上的元器件参数而定。利用MAX038，可产生十分稳定，又无明显畸变的半占空比正弦波、方波和三角波。为实现波形的失真调节，可用图中左边的接法，只需调节图中电位器R6就可微小的改变输入DADJ的电压,从而调节波形的失真度. 图3 MAX038正弦波输出 图4 MAX038方波输出5.1.2单片机对频率的测量、显示 从MAX038出来的波形信号，其频率我们采用单片机测量和显示。由于单片机的机器周期为1US，即频率为1MHZ（51单片机，采用12MHZ的晶振），而待测频率从3.0HZ-3KHZ,相对单片机的机器周期来说为低频,故我们使用电子记数法测周期的原理,用已知频率的高频信号（单片机机器周期1US,做此已知信号）做基准,与低频待测信号对比，来测量低频信号的频率。具体方法是：把从MAX038出来的待测频信号经比较器电路，转换成与单片机相匹配的同频率方波，再送入单片机INTO口（见图5），利用单片机的定时/记数器T0，让它工作在门控定时方式1，此时，只有当定时开启位TR0和INTO引脚出现高电平时，定时/计数器T0才开始定时记数，以便测量INTO脚上的正脉冲宽度。通过测得INTO脚上的正脉冲宽度，我们再换算出INT0脚上信号的频率，并用单片机控制显示即可。具体换算如下： 单片机采用12M晶振，则单片机机器周期Tc=12*（1/12）=1US。定时/计数器T0工作在门控定时方式1时，每一个机器周期(1US) 计数一次,设某次计数次数为N，则换算出待测信号频率值为：Fx = 1 /（2*N*Tc）= Fc / 2N ( Tx = 1/ Fx = 2N / Fc = 2N*Tc )频率测量的误差分析：（频率显示用单片机控制数码管来实现,可显示小数点后两位）对Tx = 2N*Tc两边微分得：dTx = 2( Tc*dN +N*dTc ) ;上式两端同除2N*Tc即得： dTx/Tx = dN/N + dTc/Tc ,用增量符号代入此式中微分符号，得： （为计数器累计脉冲数相对误差，为标准时间相对误差，此处为主要由单片机所用的12M晶阵的频率抖动带来），为计数误差，在极限情况下，计数误差=，但考虑到单片机指令执行占用时间，此处还要加上由指令执行带来的计数误差No，所以：。故：，考虑到最坏情况时，上式取绝对值相加得到最大相对误差：。从此式可看处，频率测量得相对误差由三部分组成，其中是单片机机器周期的抖动带来，与被测信号无关，它远远小于0.1,对此项目的测量精度来说，可省去。而与与被测信号的频率有关，当被测信号频率最大时（此项目为3KHZ），Tx最小，计数次数N也最小 ( Nmin = (Tx / 2) / Tc = 1/ (2Fx*Tc) =)，将使这两项都达最大值。其中（）max =，而为程序指令带来的计数误差，也可由程序调整，让它降到最小（具体方法参看下面所附测频程序），为1。故max =1/ 166 = 0.006 ，故最大相对误差：= = （+0.006）= 0.012 图6 调试中的频率测量界面图5单片机对频率的测量 图7显示“CE PL”的 频率测量欢迎界面具体测频程序如下: MOSHI1: MOV IE,#00H ;关掉所有中断，避免键盘中断，T0，T1中断影响频率测量 MOV SP,#65H ;设置堆栈起始位置 CLR PSW.3 ;设置工作寄存器组 CLR PSW.4 SETB P3.2 ;为输入待测频信号做准备PINL: MOV A,P1 ANL A,#01H CJNE A,#01H,PINL1 ;模式一开关是否开启 LJMP DC4PINL1: MOV TMOD,#09H ;置TO为门控定时方式 INTO（P3.2口,接待频信号)为高电平，TR0为1才会记数 MOV 52H,#00H ;52H单元做记数溢出时（TL0，TH0记数）暂存溢出的高位。DC0: MOV A,P3 ; 输入待测信号, 以检测其高低电平 1个T ANL A,#00000100B ;1个T CJNE A,#04H,DC0 ;检测输入信号的正半周时间 2个T MOV TL0,#00H ;2个T MOV TH0,#00H ;2个T SETB TR0 ;输入信号的正半周期，做为闸门开启时间TnTn时间里，开始定时（即记下机器周期数） 1个T DC1: MOV A,P3 ANL A,#00000100B CJNE A,#00H,DC3 ;P3.2高电平,等待 检测正半周是否结束 DC2: MOV A,TL0 ;以下为正半周结束，开始把记得的周期数转成频率值并显示 ADD A,#09H ;调整误差,提高精度 ,指令误差调整 MOV TL0,A MOV A,#00H ADDC A,#00H CLR C ADD A,TH0 MOV TH0,A JC YICHU1 LJMP JISUANYICHU1: NC 52HJISUAN:MOV 27H,#00H ;24h-27h放所求余数 MOV 26H,#00H MOV 25H,#00H MOV 24H,#00H MOV 23H,#00H ;20h(底)-23h(高)放16进制被除数 和计算完毕后放所求商 MOV 22H,#07H MOV 21H,#0A1H MOV 20H,#20H MOV 53H,#00H ;50h-53h放16进制除数 MOV 51H,TH0 MOV 50H,TL0 LCALL DIVV ;调4字节除法程序,以实现记数次数到频率的转换(均为2进制) MOV R6,21H MOV R7,20H LCALL QIANWEI ;2-10转换子程序,将频率值转换成10进制,以便显示 MOV A,2AH ADD A,#80H MOV 32H,A MOV 33H,2BH MOV 34H,2CH MOV R5,2DH MOV R6,25H MOV R7,24H LCALL QIANWEI MOV 30H,2BH MOV 31H,2CH MOV R0,#30H LCALL TX ;调TX子程序,显示百位到百分位数字（所测频率值） MOV 3CH,#10000101B MOV 3DH,R5 LCALL WRITE16 ; 显示千位数字（所测频率值） LJMP PINL DC3: JB TF0,YICHU ;判断记数有没溢出记数器溢出后，TL0，TH0仍重0开始记数。 LJMP DC1YICHU: INC 52H LJMP DC1DC4: RET5.1.3功率放大电路，自动增益控制环路图8 交流模式里功放及电压增益控制环路的部分电路图（详图见附件1）此电路为功放及电压增益控制环路部分电路。功放采用美国国家半导体公司的LM3886T，能很好的长时间工作于30W输出, 且其完善的过压、欠压、过载、输出短路、热失控以及瞬时温度冲击保护等功能，十分适合做电源输出级电路。为稳定和调节输出电压，我们采用了电压自动增益控制环路。自动增益控制环由取样、整流、滤波、可调基准电压、减法器、积分器和乘法器组成，用以实现对电压大小调节和调节后保持输出电压的稳定，防止因负载的变化引起输出电压的微小扰动。它的基本思想是根据输出电压的波动方向（偏大或偏小），来调整功放输入端电压的大小（若输出电压变大，就适量的调小功放输入端电压，反之，就适量的调大功放输入端电压），具体方法如下： 先对功放输出的电源电压，进行采样，再经交/直流变换，与一可调直流基准电压比较，通过运放做减法运算，再对所得差值进行积分运算（积分电路可累计此差值，若差值为正，则积分电路输出值在原有基础上会加上此差值，若差值为负，则积分电路输出值在原有基础上会减去此差值）。积分输出的电压，和波形发生器产生的交流信号经乘法器相乘，相乘后的电压，就是根据前一时刻输出电压值的大小，已经做出调整的功放输入电压。最后，我们通过控制可调基准直流电压大小，就可控制环路最终应该稳定的输出电压值。从电路连接图来看，整个电压增益控制过程是连续进行的，也可很快稳定下来。5.1.4电压输出和测量显示交流电压输出后，用指针式电压表表头接在输出端上，直接显示输出电压大小，以便调节和观察。电压测量误差主要由表头的显示精度等级决定。交流电压的显示，我们暂时采用了量程为50V，最小刻度为2.5V的表头；直流电压的显示，我们暂时采用了量程为20V，最小刻度为1V的表头。 测交流电压表头 测直流电压表头图 9表头显示电压 5.2 直流模块直流模块（模式二）的原理框图如下：模式二：脉冲电压输出滤波整流变压220v市电电压输出电压测量、显示V1，v2调节单 片 机数码管显示时间键盘控制、显示驱动V1、v2、通断控制电路通断时间控制信号稳压图10电源模式二的原理框图模式二主要包括单片机对键盘和数码管的控制以及通过键盘的输入对V1,V2通断时间信号的控制电路，V1,V2大小调节显示电路，还包括由220v市电通过变压、整流、滤波、稳压后得到恒定直流电压的传统电路。5.2.1直流模式电压幅值调整、定时通断控制部分电路此图为直流模式电压幅值调整、定时通断控制部分电路。图中由单片机送来的带定时信息的高低电平，控制高灵敏度继电器的吸合与弹开，以此实现选择两电位器中一个导通，另一个截止。当电位器RS1导通时，对应调压V1，并输出；而电位器RS2导通时，对应调压V2，并输出。这样我们就可以实现在Vout输出如下两路直流交替输出（时间宽度由单片机送来信号控制，脉冲幅度由电位器调节）：我们不但可以在有单片机定时控制信号时，实时调节两电压幅度，也可事先调好电压幅值V1、V2，再给单片机控制信号，只需拨动开关SS就可实现（SS拨到最上面，给单片机控制信号；SS拨到中间，悬空位置，可调节V1幅值；SS拨到最下面，接高电平，可调节V2的幅值）。电路里采用了三端可调输出集成稳压器LM317，它本可实现输出直流电压1.25V-37V可调,输出电压右下式决定:(1)式 Uo=1.25(1+RS/R1)+Id*RS ;Id通常为50UA ,RS指图中RS1,RS2 ,由于R1不能大于240欧姆,我们取160欧姆左右.考虑到LM317当ADJ直接接地时(RS=0欧姆),输出端能输出稳定的1.25V电压,为能从零起调电压,我们用一通用运放741(具体如图示接法),使其输出端（如图中A点）输出1.25V电压,并接到电位器RS(含RS1,RS2) 原来本应接地的那端,这样就使输出电压Uo在原有基础上降了1.25V电压,正好实现接近零起调.具体如(2)式:(2)式 Uo=1.25*(1+RS/R1)+Id*RS-1.25 为了使输出电压能最大调到20V，我们在取R1=200欧姆基础上，用阻值从30欧姆到3.3K可调、可承受功率1W的电位器做RS1、RS2。由（2）可计算得Uo最大值为：max（Uo）=1.25*(1+3300/160)-1.25=20.6V ,(Id*RS项的值很小,已约去)。图11 直流模式电压幅值调整、定时通断控制部分电路图5.3 控制模块控制模块的原理框图已经包含在模式一、二里，此处给出它的控制程序流程和硬件电路连接图。5.3.1单片机控制程序： 开 始定时、计数器、中断初始化键盘驱动及显示驱动初始化模式二模式一单片机设置初化关开模式选择开关判断？定时、计数器、中断初始化 频率测量 按键 ? N非T1,T2键时间输入 Y 控制高电平持续时间频率显示控制低电平持续时间按键判断T1键T2键频率测量图12单片机控制程序流程框图附部分源程序：#include reg51.h/函数定义-void moshi1(void);void moshi2(void);void shortdelay(void);void longdelay(void);void delay10ms(unsigned char);void write7289(unsigned char,unsigned char);unsigned char read7289(unsigned char);void sendbyte(unsigned char);unsigned char receivebyte(void);unsigned int keyint(void);void int7289(void);unsigned char c1610(unsigned char);unsigned char c10bcd(unsigned int );void delay10(unsigned long );void pinlv(void);unsigned char cbcd10(unsigned char );/变量及i/o口定义sbit cs=P15;sbit clk=P16;sbit dat=P17;sbit key=P32;sbit P13=P13;sbit P20=P20;sbit P21=P21;sbit P22=P22;/*sbit Aa=P10;/asbit Bb=P11;/bsbit Cc=P12;/c*/ unsigned long r=0,tt1=100, m=0,tt2=100;unsigned int idata jj,x=0;unsigned char idata tmr,sp=0, keynumber,m1=0;/ 命令字定义#define RESET0xA4/ 复位指令#define TEST0xBF / 测试指令#define SHIFTL 0xA1/ 左移指令#define SHIFTR 0xA0/ 右移指令#define SHIFTRL 0xA3/ 循环左移指令#define SHIFTRR 0xA2/ 循环右移指令/ 带数据命令字定义#define YIMA0 0x80/ 设置显示起始地址，按方式0译码#define YIMA1 0xC8/ 设置显示起始地址