简易数控直流电源设计 .doc

简易数控直流电源设计摘要：本系统以串联负反馈稳压电路为核心，MSP430F1611单片机为主控制器，通过键盘向单片机输入不同指令，运用其片内的D/A转换芯片，设置步进0.1V，整个系统的供电部分由三端稳压器7815和7915实现，通过电压放大、功率放大和滤波电路，实现输出电压09.9V，并通过单片机的A/D采样模块，由LCD1602显示输出电压的预置值和测量值，并对比误差，电压值经12位D/A转换输出模拟量，在输出电压端采样并通过比较器判断高低电平，经单片机分析处理，实时动态控制其输出电压，形成一个闭环形式的控制系统，使输出电压更加稳定。关键字： 直流电源 串联负反馈 D/A转换 步进 单片机 1系统方案选择和论证1.1 数控部分方案方案一：主要由数字电路构成，要完成键盘控制，电压控制字输出、液晶显示、电流过流时的软件保护及报警功能。要实现输出电压09.9V，步进0.1V，需要99个控制字，TI公司的MSP430F1611型单片机即包含12位D/A转换芯片，故能满足设计要求，同时能极大简化外围电路，增强数控电源的稳定性并且减小系统误差，且MSP430单片机具备超低功耗的优点，输出电压显示部分则采用LCD1602。方案二：由8051单片机做主控制芯片，由于其内部没有集成D/A转换模块，需外加D/A转换电路，使用DAC0832这款芯片。DAC0832是8位D/A转换集成芯片。与微处理器完全兼容。且具备价格低廉、接口简单、转换控制容易等优点。 二者相比，方案一成本更低，精度更高，外围电路简单，故本系统采用方案一。1.2 稳压输出部分方案方案一：采用典型的串联直流稳压电源。电路由调整环节、基准电压、反馈网络、比较放大等部分构成。其工作原理是由反馈网络取出输出电压的一部分送至比较放大器与基准电压进行比较，比较的差值经比较放大器放大后送到调整环节，使调整环节产生相反的变化来抵消输出电压的改变，从而维持输出电压的稳定。方案二：采用三端集成稳压器的应用电路。将稳压器与电压跟随器相接，与取样电阻隔离，通过调节采样电阻中的滑动变阻器来调节输出电压范围。方案选择：方案一的优点为稳定性高，纹波小，可靠性高，具有多路输出、连续可调的特点；方案二结构简单，且具有良好的负载特性，但要扩展电压种类会带来不便，一般情况下，输出矩形波中含有直流分量，如输出加耦合电容又会影响波形参数，故选择方案一。1.3 供电部分方案供电部分由220V、50Hz交流电经过降压、整流、滤波、稳压，输出整个系统所需的+15V、-15V和+5V。+5V主要供数控部分使用。1.4 系统总体框图系统总体结构框图如图1所示，整个系统硬件主要分为供电部分、数控部分、稳压输出部分。供电部分包括220V市电降压、整流、滤波、稳压输出；数控部分由单片机组成，实现数模转换、稳压控制、参数测量和显示、过流报警功能。稳压部分由稳压输出电路、电压采样负反馈回路、过流保护电路组成。图1 系统总体框图2 理论分析和计算2.1 数控部分数控部分用MSP430单片机作为主控制体，包括键盘控制输入电压、液晶显示和报警信号的触发，通过中断方式查询各个口线是否有键按下，使用软件延时去抖，电压输出值则由液晶显示。MSP430单片机内部包含12位DAC模块，可以将数字量转化为模拟量输出，选择内部2.5V基准电压，电压输出范围为09.9V，步进为0.1V，共有100种状态。当步进0.1V时，单片机DAC输出的电压变化量为 (4.26为电压放大倍数)则电压控制字变化量为 最大电压控制字为 2.2 稳压输出部分D/A转换部分输出的电压作为稳压部分的参考电压，稳压输出电路的电压与参考电压成正比，范围是09.9V,负载能力大于500mA，纹波小于10mV。稳压输出电路采用串联反馈稳压电路，如图2。电路主要由运放U1A和三极管Q1、Q2构成。考虑到MSP430F1611单片机内部D/A模块输出电压较低，最高只有2.5V,故将D/A转换部分的输出电压经过运放OP07CP的放大后送入运放U1A的同相端。稳压电源的输出经R15、R14、R2和R3组成的取样电路经分压后送到运放U1B的反向端，经运放比较放大后，驱动由Q1和Q2组成的复合调整管，达到稳定电压的作用。电路平衡时。U2输出的电压V1与取样电压V2相等，R15用20k的滑动变组器，R14=180，R2=180，R3=430,取R15=510，R5=2k，则适当调节滑动变阻器的阻值，使输出电压达到10V以上，之后可以通过电压控制字来调节输出电压值，以实现步进的功能。图2 稳压输出部分电路图 电源输出为500mA，电源调整管基极电流较大，故将调整管接成复合管。保护电路由U1B和R10组成，当电源输出电流I增加到最大值时，R8上的压降增大使Q3管导通，分掉了复合管的基极电流，是输出I不再增加。电路中定为600mA，Q3的导通压降约为0.6V,则R10=0.6V/600mA=1.0A。过流时的中断申请由运放U1B产生。过流发生时，稳压源输出经取样后得到的电压V2低于输入电压V1，U1A输出正向饱和，使U3B反相电位升高，U3B输出低电平，产生中断申请信号。2.3 供电部分+15V作为运放的正电源，同时也是稳压输出的主电源，-15V作为运放的负电源同时也给基准电压源供电。这部分电路如图3。图3 15V供电3 电路设计和程序设计3.1 主控程序主控程序首先进行系统初始化，然后读入预置电压值，输出相应的电压控制字，等待键盘输入，根据键盘的不同输入，执行步进加或减。整体程序框图如图4。电源加电时，在初始化程序中根据预置电压值输出电压控制字，实现开机预置。输出电压值由1602液晶显示。然后检测按键相应的控制增加或减少0.1V并通过1602液晶显示。图4 程序总体框图3.2 中断程序稳压输出电路含有过流检测电路，软件过流保护和报警通过中断实现，当电源过流时，过流检测电路输出低电平送到单片机的P2.2端口申请中断，CPU接受后，延时0.5s，再次检测是否过流，若仍然过流，则进行以下操作：电压控制字置为0；控制数码管全灭全亮，交替闪烁；单片机的P2.3送出约1kHz的方波，经三极管驱动后推动蜂鸣器发出报警声。中断程序服务框图如图5。图5 中断服务框图4 测试方案与测试结果 用单片机控制电源时，输出直流09.9V,数码管显示清晰正确。开机预置电压正确，键盘操作灵活有效。4.1测试步骤与测试数据（1）输出空载时，将数字万用表正确接入电路。预置电压设置为5V，调整滑动变阻器阻值，然后用“+” 、“-”键控制电压步进或步减。检查液晶显示器显示的电压是否与数字万用表测量电压相符。测量结果如表1。表1 空载输出电压1234567891011预置电压0.01.02.03.04.05.06.07.08.09.09.9输出电压0.031.082.083.024.025.075.967.018.019.0610.0实测电压0.10.841.842.884.005.045.997.18.229.129.89（2）接上负载，输出电压设置成5V,改变滑动变阻器阻值，使负载电流达到500mA，测量输出电压的变化。测量结果如表2。表2 额定负载输出电压1234567891011预置电压0.01.02.03.04.05.06.07.08.09.09.9输出电压实测电压（3）纹波测量。以20M示波器带宽为限制标准，电压设为峰峰值，去除示波器控头上的夹子与地线(因为这个本身的夹子与地线会形成环路，像一个天线接收杂讯，引入一些不必要的杂讯)，使用接地环（不使用接地环也可以，不过要考虑其产生的误差），在探头上并联一个10UF电解电容与一个0.1UF瓷片电容，用示波器的探针直接进行测试；如果示波器探头不是直接接触输出点，应该用双绞线，或者50同轴电