一種直流數(shù)控可調(diào)穩(wěn)壓電源的設(shè)計(jì)

1 引言

　　直流穩(wěn)壓電源是常用的電子設(shè)備，用以保證在電網(wǎng)電壓波動(dòng)或負(fù)載改變時(shí)，輸出穩(wěn)定的電壓。低紋波、高精度的穩(wěn)壓電源在儀器儀表、工業(yè)控制及測(cè)量領(lǐng)域都有重要的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。這里設(shè)計(jì)的穩(wěn)壓電源輸出電壓范圍為0～18 V，額定工作電流為500 mA，并具有“+”、“－”步進(jìn)電壓調(diào)節(jié)功能，最小步進(jìn)電壓為0．05 V．紋波不大于10 mV，并用LCD液晶顯示器顯示其輸出電壓值。

　　2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

　　系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)主要由AT89C51、穩(wěn)壓輸出模塊、按鍵處理模塊、顯示模塊和供電模塊5部分組成。如圖1所示。

　　2．1 供電模塊

　　供電部分輸入220 V、50 Hz交流電，輸出系統(tǒng)所需的3種電壓：+5 v，+15 V和-15 V。其中+5 V供AT89C51、D／A和A／D轉(zhuǎn)換器使用；+15 V作為運(yùn)放的正電源，同時(shí)也是穩(wěn)壓輸出電路的主電源，最大電流約650 mA；而-15 V作為運(yùn)放的負(fù)電源，同時(shí)也為基準(zhǔn)電壓源LM339供電，該電流較小，不超過(guò)50 mA。供電模塊的電路如圖2所示。

　　2．2 穩(wěn)壓輸出模塊

　　圖3為穩(wěn)壓輸出模塊原理圖，該模塊將控制部分的電壓數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換穩(wěn)壓輸出。它由D／A轉(zhuǎn)換器(DAC0832)、集成運(yùn)放OP07、LF356、晶體管VT1、VT2、VT7、VT8基準(zhǔn)電壓源LM336-5組成。

　　由于實(shí)際用到的最大電壓控制字為200，因此D／A轉(zhuǎn)換部分最大輸出電壓為：

　　D／A轉(zhuǎn)換輸出電壓Ui作為電源功放級(jí)的輸入電壓。功放級(jí)由IC3和VT1、VT2構(gòu)成閉環(huán)推挽輸出電路。該電路屬于典型的電壓串聯(lián)負(fù)反饋電路。于是輸出電壓Uo與輸入電壓Ui的關(guān)系式為：

　　將Ui代入得：

　　當(dāng)Ui=3．922 V，R2=10 kΩ，R3=9．1 kΩ，Uo=18 V，由式(4)可求得Rp1=10 kΩ。實(shí)取Rp1為47 kΩ的精密多圈電位器。當(dāng)CPU輸入電壓控制字(11001000)2=(200)10時(shí)，Uimax=3．922 V，調(diào)節(jié)Rp1使Uo=18 V。

2．2．2 過(guò)流保護(hù)電路

　　圖3中VT7、VT8構(gòu)成過(guò)流保護(hù)電路。正常工作時(shí)，VT7截止，VT7集電極電平為 -15 V，使VT8截止，輸出高電平，不觸發(fā)中斷。當(dāng)輸出電流過(guò)大時(shí)，取樣電阻R16上的壓降大于0．75 V。調(diào)節(jié)Rp3,VT7的UBE大于0．6 V時(shí)，VT7導(dǎo)通，VT7的集電極電平升高，VT8導(dǎo)通，輸出低電平，觸發(fā)AT89C51中斷，執(zhí)行中斷保護(hù)程序。

　　2．3 鍵盤與顯示模塊

　　圖4為電壓顯示與鍵盤電路。圖4中，當(dāng)輸出電壓經(jīng)R13限流和R14取樣后送 TLC2453-1進(jìn)行A／D轉(zhuǎn)換。TLC2453-1為11通道、12位串行A／D轉(zhuǎn)換器，具有12位分辨率，轉(zhuǎn)換時(shí)間為10μs，有11個(gè)模擬輸入通道，3路內(nèi)置自測(cè)試方式，采樣率為66 Kb／s，最大線性誤差為±1 LSB，同時(shí)帶有轉(zhuǎn)換結(jié)果輸出EOC，可單、雙極性輸出。通過(guò)其可編程的MSB和LSB前導(dǎo)可編程輸出數(shù)據(jù)長(zhǎng)度。TLC2453-1的時(shí)鐘頻率選用4．1 MHz，電源輸出電壓Uo的取樣信號(hào)從INO輸入，器件的I／O時(shí)鐘端、數(shù)據(jù)輸入端、轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)輸出端、片選端口分別與AT89C51單片機(jī)的P2．3、 P2．2 P2．1、P2．0相連。從單片機(jī)的P0端口輸出，以排阻驅(qū)動(dòng)后送字符型液晶顯示屏顯示。電路設(shè)計(jì)中AT89C51單片機(jī)選12 MHz的晶振頻率，P1．0～P1.3接調(diào)壓按鈕，其中兩個(gè)粗調(diào)步進(jìn)為±1 V，兩個(gè)細(xì)調(diào)步進(jìn)為±0．05 V。粗調(diào)鍵按一次電壓控制字增加／減小20，細(xì)調(diào)鍵按一次電壓控制字增加／減小1。4個(gè)按鍵有機(jī)結(jié)合可將輸出電壓調(diào)節(jié)為所需電壓。

　　2．4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

　　圖5、圖6分別為系統(tǒng)主程序流程和過(guò)流保護(hù)程序流程。

　　3 結(jié)束語(yǔ)

　　該系統(tǒng)直流數(shù)控穩(wěn)壓電源采用電壓串聯(lián)負(fù)反饋進(jìn)行穩(wěn)壓。采用12位A／D轉(zhuǎn)換模塊測(cè)量電壓，并用LCD液晶屏顯示，測(cè)量準(zhǔn)確顯示直觀。系統(tǒng)開機(jī)預(yù)置輸出電壓為5 V，并采用步進(jìn)方式調(diào)節(jié)輸出電壓，最小步進(jìn)為0．05 V。經(jīng)測(cè)試，系統(tǒng)設(shè)計(jì)輸出電壓范圍為0～18 V，其額定電流可達(dá)0．5 A，可用于實(shí)驗(yàn)教學(xué)與工程應(yīng)用中。