新型的數(shù)字式可調(diào)穩(wěn)壓電源的電路研究

　　一、數(shù)字式可調(diào)穩(wěn)壓電源原理介紹

　　1.方案分析與選擇

　　方案一：數(shù)控部分用單片機帶動數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片提供線性穩(wěn)壓電壓的參考電壓。

　　優(yōu)點：對于單片機，系統(tǒng)工作在開環(huán)狀態(tài)，對數(shù)模轉(zhuǎn)換的精度要求較高，設(shè)計成本低。

　　缺點：功耗較大，LED數(shù)碼管輸出顯示不是系統(tǒng)的精確輸出電壓，須對它進行軟件補償。

　　方案二：數(shù)控部分用AVR單片機的PWM組成開關(guān)電源，再利用AVR的AD轉(zhuǎn)換對輸出電壓進行實時轉(zhuǎn)換，利用軟件進行電壓調(diào)整以達(dá)到穩(wěn)壓。

　　優(yōu)點：硬件簡單，穩(wěn)壓的大部分工作由軟件完成，對單片機的運行速度要求很高，利用手頭的ATmaga16L單片機最高8MHz工作頻率很難達(dá)到速度要求。對軟件要求較高，功耗小。

　　缺點：輸出紋波電壓較大，對軟件的要求很高。

　　方案二簡單的電路結(jié)構(gòu)起初對設(shè)計者很吸引，但是后來了解到AVR單片機的PWM的精度用于開關(guān)電源比較勉強，而且開關(guān)電源有個通?。杭y波電壓大，考慮到設(shè)計目標(biāo)對電源的功耗要求不是很嚴(yán)，同時為了保證紋波足夠小也鑒于自身對于51單片機和線性電源較為熟練，故選擇方案一。

　　2.總體設(shè)計原理

　　本設(shè)計采用AT89S52單片機作為整機的控制單元，利用4×4鍵盤輸入數(shù)字量，通過控制單元輸出數(shù)字信號，再經(jīng)過D/A轉(zhuǎn)換器(DA0832)輸出模擬量，最后經(jīng)過運算放大器隔離放大，控制輸出功率管的基極，隨著輸出功率管的基極電壓的變化，間接地改變輸出電壓的大小。

　　二、數(shù)字式可調(diào)穩(wěn)壓電源硬件電路設(shè)計

　　本系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計主要圍著AT89S5 2單片機作為整機的控制單元用P R O T E L99SE設(shè)計軟件來布線的，其中還用到了模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片DAC0832、外部存儲芯片24C01、放大器芯片LM324、4×4矩陣式鍵盤、數(shù)碼管等其他器件?？傮w框圖考慮到各個元件的電氣特性，例如元器件之間的干擾問題，接地問題，布線問題等，本系統(tǒng)將硬件電路設(shè)計分為數(shù)字部分和模擬部分。

　　(一)穩(wěn)壓電源數(shù)字部分電路

　　穩(wěn)壓電源數(shù)字部分電路即單片機外圍接口電路主要包括：DAC0832數(shù)模轉(zhuǎn)換電路、EEPROM接口電路、鍵盤接口電路、揚聲器接口電路、復(fù)位電路、晶振電路及數(shù)碼管顯示部分電路。

　　1.單片機外圍接口總電路

　　單片機AT89S52與外圍器件的接口總電路如圖1所示，下面將各部分電路介紹，AT89S52的P0、P2.5-P2.7接數(shù)碼管輸出顯示部分電路，其中P0口用來輸出字段碼;P2.5-P2.7用來輸出數(shù)碼管選通位信號;P2.0、P2.2分別接外部存儲芯片24C01的數(shù)據(jù)線(SDA)和時鐘線(SCL);P2.3接揚聲器電路，為執(zhí)行內(nèi)部程序指令，EA/VPP必須接VCC.

　　AT89S52的P1口與數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片DAC0832相連接，用來輸出數(shù)字量信號;RST為復(fù)位腳，用來輸入復(fù)位信號，同時它還與P1.5-P1.7一起用作ISP下載端口;P3口用做鍵盤信號輸入端口，XTAL1、XTAL2接晶振電路。

　　2.單片機外圍電路接口電路

　　主要有：24C01與單片機AT89S52接口電路、4×4矩陣鍵盤接口電路、揚聲器電路、AT89S52單片機復(fù)位電路及外部晶振電路、數(shù)碼管顯示部分電路。下面簡單介紹一下存儲芯片。

　　穩(wěn)壓電源設(shè)計中利用它存儲電壓輸出值，實現(xiàn)掉電保存當(dāng)前電壓值的功能。它的引腳1、2、3、4、7接地;8腳接+5V;5腳與6腳分別接單片機的P2.0、P2.2的同時接5.1K上拉電阻后再接+5V(因連接總線的器件的輸出端必須是集電極或漏極開路，以具備線“與”功能)。

　　3.數(shù)字部分電路PCB設(shè)計

　　本系統(tǒng)中，數(shù)字部分電路PCB采用Protel99se軟件進行設(shè)計。如圖2所示：

　　(二)穩(wěn)壓電源模擬部分電路

　　穩(wěn)壓電源模擬部分電路主要包括電源部分電路，由運放LM324、達(dá)林頓管TIP127等構(gòu)成的輸出電壓控制單元電路。另外，模擬部分電路屬于高壓部分，穩(wěn)壓管和達(dá)林頓管發(fā)熱量比較大，要帶散熱片;同時須將它與5V低壓工作的數(shù)字部分電路分開，這樣可有效地防止元件的損壞，這也是系統(tǒng)為什么將電路設(shè)計分為數(shù)字部分和模擬部分的原因。

　　1.電源部分電路

　　在系統(tǒng)設(shè)計中考慮到單片機及其他器件的電源供電問題，采用一個變壓器將220V交流電降壓再經(jīng)電橋整流，獲得25V左右的平穩(wěn)電壓，然后用穩(wěn)壓管78L24、78L12、78L05進行三次穩(wěn)壓，分別獲得24V、12V和5V的穩(wěn)定電壓，24V提供的是運算放大器LM324和達(dá)林頓管TIP127的工作電壓，5V是AT89S52單片機和DAC0832的工作電壓。圖3所示。

　　2.輸出電壓控制單元電路

　　系統(tǒng)中，矩陣鍵盤輸入數(shù)字信號經(jīng)AT89S52處理后輸出給DAC0832,數(shù)字信號經(jīng)過數(shù)模轉(zhuǎn)換后輸出的是電流量，因此必須將電流量接電阻后接反饋放大電路以實現(xiàn)穩(wěn)壓輸出。本設(shè)計的模擬部分利用了LM324作為放大器，采用二級放大電路，第一級為同相比例放大電路，第二級為閉環(huán)反饋放大電路。

　　本設(shè)計實際用到的數(shù)字式可調(diào)穩(wěn)壓電源模擬部分輸出電壓控制單元電路，其中用電位器和微調(diào)電阻作為校準(zhǔn)電壓值硬件補償;用達(dá)林管TIP127作為調(diào)整管，由于其工作時發(fā)熱量較大，須外加散熱裝置。

　　三、數(shù)字式可調(diào)穩(wěn)壓電源軟件設(shè)計

　　本系統(tǒng)軟件設(shè)計要實現(xiàn)的功能是：鍵盤對單片機輸入數(shù)據(jù)，單片機對獲得的數(shù)據(jù)進行處理，處理后的數(shù)據(jù)送4位共陽數(shù)碼管，再送到8位數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片(DAC0832)，以實現(xiàn)數(shù)字量對電壓的控制。系統(tǒng)中的主程序主要完成鍵盤掃描、判斷、處理和數(shù)碼顯示。

　　1.編程語言及輸入

　　C語言在單片機的應(yīng)用中，由于其邏輯性強，可讀性好，比匯編語言靈活簡練，目前越來越多的人從普遍使用匯編語言到逐漸使用C語言開發(fā)，市場上幾種常見的單片機均有其C語言開發(fā)環(huán)境。因此，在本系統(tǒng)中，考慮到匯編語言的這些缺點，采用了C語言作為軟件設(shè)計語言。

　　2.軟件補償編程

　　由于系統(tǒng)采用DAC0832進行模數(shù)轉(zhuǎn)換線性穩(wěn)定度不夠好，因此系統(tǒng)實際輸出電壓值與輸出顯示值存在誤差，必須用軟件補償?shù)霓k法來消除誤差。為此通過測試多組實際輸出電壓值與輸出顯示值對比，然后進行軟件補償，所以程序中調(diào)用軟件補償函數(shù)對輸出電壓值的補償，從而消除誤差。

　　四、結(jié)束語

　　本系統(tǒng)的不足之處就是不能對輸出電壓進行實時采樣，為了能夠使系統(tǒng)具備檢測實際輸出電壓值的大小，系統(tǒng)通過加入模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊(ADC0809芯片)進行模數(shù)轉(zhuǎn)換，間接用單片機實時對電壓采樣，然后進行數(shù)據(jù)處理及顯示。這樣一來使系統(tǒng)輸出誤差更小，效果更好，這也是系統(tǒng)將來的一種功能擴展。

　　單片機實現(xiàn)的數(shù)字式可調(diào)穩(wěn)壓電源由于原理簡單、穩(wěn)定性好、精度高、成本低、易實現(xiàn)等諸多優(yōu)點而受到越來越廣泛的重視。其性能優(yōu)于傳統(tǒng)的可調(diào)直流穩(wěn)壓電源，操作方便，非常適合一般教學(xué)和科研使用。