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(jī)帶動(dòng)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(diǎn)：對(duì)于單片機(jī)，系統(tǒng)工作在開(kāi)環(huán)狀態(tài)，對(duì)數(shù)模轉(zhuǎn)換的精度要求較高，設(shè)計(jì)成本低。

　　缺點(diǎn)：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(duì)它進(jìn)行軟件補(bǔ)償。

　　方案二：數(shù)控部分用AVR單片機(jī)的PWM組成開(kāi)關(guān)電源，再利用AVR的AD轉(zhuǎn)換對(duì)輸出電壓進(jìn)行實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)換，利用軟件進(jìn)行電壓調(diào)整以達(dá)到穩(wěn)壓。

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

　　缺點(diǎn)：輸出紋波電壓較大，對(duì)軟件的要求很高。

　　方案二簡(jiǎn)單的電路結(jié)構(gòu)起初對(duì)設(shè)計(jì)者很吸引，但是后來(lái)了解到AVR單片機(jī)的PWM的精度用于開(kāi)關(guān)電源比較勉強(qiáng)，而且開(kāi)關(guān)電源有個(gè)通病：紋波電壓大，考慮到設(shè)計(jì)目標(biāo)對(duì)電源的功耗要求不是很嚴(yán)，同時(shí)為了保證紋波足夠小也鑒于自身對(duì)于51單片機(jī)和線性電源較為熟練，故選擇方案一。

　　2.總體設(shè)計(jì)原理

　　本設(shè)計(jì)采用AT89S52單片機(jī)作為整機(jī)的控制單元，利用4×4鍵盤輸入數(shù)字量，通過(guò)控制單元輸出數(shù)字信號(hào)，再經(jīng)過(guò)D/A轉(zhuǎn)換器(DA0832)輸出模擬量，最后經(jīng)過(guò)運(yùn)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(jì)

　　本系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計(jì)主要圍著AT89S5 2單片機(jī)作為整機(jī)的控制單元用P R O T E L99SE設(shè)計(jì)軟件來(lái)布線的，其中還用到了模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片DAC0832、外部存儲(chǔ)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(gè)元件的電氣特性，例如元器件之間的干擾問(wèn)題，接地問(wèn)題，布線問(wèn)題等，本系統(tǒng)將硬件電路設(shè)計(jì)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(jī)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(yáng)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(jī)外圍接口總電路

　　單片機(jī)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(lái)輸出字段碼;P2.5-P2.7用來(lái)輸出數(shù)碼管選通位信號(hào);P2.0、P2.2分別接外部存儲(chǔ)芯片24C01的數(shù)據(jù)線(SDA)和時(shí)鐘線(SCL);P2.3接揚(yáng)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(lái)輸出數(shù)字量信號(hào);RST為復(fù)位腳，用來(lái)輸入復(fù)位信號(hào)，同時(shí)它還與P1.5-P1.7一起用作ISP下載端口;P3口用做鍵盤信號(hào)輸入端口，XTAL1、XTAL2接晶振電路。

　　2.單片機(jī)外圍電路接口電路

　　主要有：24C01與單片機(jī)AT89S52接口電路、4×4矩陣鍵盤接口電路、揚(yáng)聲器電路、AT89S52單片機(jī)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(jiǎn)單介紹一下存儲(chǔ)芯片。

　　穩(wěn)壓電源設(shè)計(jì)中利用它存儲(chǔ)電壓輸出值，實(shí)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(jī)的P2.0、P2.2的同時(shí)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(kāi)路，以具備線“與”功能)。

　　3.數(shù)字部分電路PCB設(shè)計(jì)

　　本系統(tǒng)中，數(shù)字部分電路PCB采用Protel99se軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)。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(yùn)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(shí)須將它與5V低壓工作的數(shù)字部分電路分開(kāi)，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(jì)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(jì)中考慮到單片機(jī)及其他器件的電源供電問(wèn)題，采用一個(gè)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(jìn)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(yùn)算放大器LM324和達(dá)林頓管TIP127的工作電壓，5V是AT89S52單片機(jī)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(hào)經(jīng)AT89S52處理后輸出給DAC0832,數(shù)字信號(hào)經(jīng)過(guò)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(shí)現(xiàn)穩(wěn)壓輸出。本設(shè)計(jì)的模擬部分利用了LM324作為放大器，采用二級(jí)放大電路，第一級(jí)為同相比例放大電路，第二級(jí)為閉環(huán)反饋放大電路。

　　本設(shè)計(jì)實(shí)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(bǔ)償;用達(dá)林管TIP127作為調(diào)整管，由于其工作時(shí)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(jì)

　　本系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)要實(shí)現(xiàn)的功能是：鍵盤對(duì)單片機(jī)輸入數(shù)據(jù)，單片機(jī)對(duì)獲得的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，處理后的數(shù)據(jù)送4位共陽(yáng)數(shù)碼管，再送到8位數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片(DAC0832)，以實(shí)現(xiàn)數(shù)字量對(duì)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(yǔ)言及輸入

　　C語(yǔ)言在單片機(jī)的應(yīng)用中，由于其邏輯性強(qiáng)，可讀性好，比匯編語(yǔ)言靈活簡(jiǎn)練，目前越來(lái)越多的人從普遍使用匯編語(yǔ)言到逐漸使用C語(yǔ)言開(kāi)發(fā)，市場(chǎng)上幾種常見(jiàn)的單片機(jī)均有其C語(yǔ)言開(kāi)發(fā)環(huán)境。因此，在本系統(tǒng)中，考慮到匯編語(yǔ)言的這些缺點(diǎn)，采用了C語(yǔ)言作為軟件設(shè)計(jì)語(yǔ)言。

　　2.軟件補(bǔ)償編程

　　由于系統(tǒng)采用DAC0832進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換線性穩(wěn)定度不夠好，因此系統(tǒng)實(shí)際輸出電壓值與輸出顯示值存在誤差，必須用軟件補(bǔ)償?shù)霓k法來(lái)消除誤差。為此通過(guò)測(cè)試多組實(shí)際輸出電壓值與輸出顯示值對(duì)比，然后進(jìn)行軟件補(bǔ)償，所以程序中調(diào)用軟件補(bǔ)償函數(shù)對(duì)輸出電壓值的補(bǔ)償，從而消除誤差。

　　四、結(jié)束語(yǔ)

　　本系統(tǒng)的不足之處就是不能對(duì)輸出電壓進(jìn)行實(shí)時(shí)采樣，為了能夠使系統(tǒng)具備檢測(cè)實(shí)際輸出電壓值的大小，系統(tǒng)通過(guò)加入模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊(ADC0809芯片)進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，間接用單片機(jī)實(shí)時(shí)對(duì)電壓采樣，然后進(jìn)行數(shù)據(jù)處理及顯示。這樣一來(lái)使系統(tǒng)輸出誤差更小，效果更好，這也是系統(tǒng)將來(lái)的一種功能擴(kuò)展。

　　單片機(jī)實(shí)現(xiàn)的數(shù)字式可調(diào)穩(wěn)壓電源由于原理簡(jiǎn)單、穩(wěn)定性好、精度高、成本低、易實(shí)現(xiàn)等諸多優(yōu)點(diǎn)而受到越來(lái)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。