基于D/A轉(zhuǎn)換器的程控電源設(shè)計

　　引 言

　　在各種電子電路實驗中，電源是一種必不可少的儀器，目前實驗所用的電源大多是只有固定電壓輸出(例如常用的有： ±5V、±12V或±15V) ，其缺點是輸出電壓不可人為的改變，輸出精度和穩(wěn)定性都不高：在測量上，傳統(tǒng)的電源一般采用指針式或數(shù)字式來顯示電壓或電流，搭配電位器調(diào)整所要的電壓及電流輸出值。 若要調(diào)整精確的電壓輸出，須搭配精確的顯示儀表監(jiān)測：又因電位器的阻值特性非線性，在調(diào)整時，需要花費一定的時間，且會產(chǎn)生漂移，使得最終只好因陋就簡。

　　隨著科學(xué)技術(shù)飛速發(fā)展，對電源可靠性、輸出精度和穩(wěn)定性要求越來越高，利用D/A 轉(zhuǎn)換器的高分辨率和單片機(jī)的自動檢測技術(shù)設(shè)計程控電源就顯示出其優(yōu)越性。 程控電源既能方便輸入和選擇預(yù)設(shè)電壓值又具有較高精度和穩(wěn)定性，而且還可程控實現(xiàn)對電源的可編程監(jiān)控，如模擬電壓跌落、間斷或起伏等情況，即可編程電源也可以看作一種功率型的低頻信號發(fā)生器。 程控電源可以任意設(shè)定輸出電壓或電流，所有功能由面板上的鍵盤或通過RS-232C 串口連接的上位微機(jī)實現(xiàn)，給電路實驗帶來極大的方便，提高了工作效率。

　　工作原理

　　本電源以常規(guī)穩(wěn)壓電源為基礎(chǔ)

　　電源，以高性能單片機(jī)和數(shù)模轉(zhuǎn)換器為控制電路，在控制和檢測軟件支持下，把預(yù)先給定值通過單片機(jī)的的輸出口送至相應(yīng)的的D/A 轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的給定模擬電壓，以替代常規(guī)穩(wěn)壓電源中的比較參考電壓，使輸出電壓或電流隨著參考電壓的變化而變化，其原理如圖1 所示。 用戶可根據(jù)需要通過鍵盤設(shè)定穩(wěn)壓電源的輸出值。

　　圖1 　程控電源框圖

　　系統(tǒng)硬件配置

　　程控電源整機(jī)框圖如圖2 所示，它主要由鍵盤、液晶顯示、單片微機(jī)系統(tǒng)、D/A 轉(zhuǎn)換電路、報警電路、檢測電路和直流穩(wěn)壓電路等七部分組成。 根據(jù)需要，可擴(kuò)展RS232 接口。

　　單片微機(jī)系統(tǒng)

　　單片機(jī)系統(tǒng)是程控電源的核心。 它通過軟件的運行來控制整個儀器的工作，從而完成設(shè)定的功能。 單片機(jī)系統(tǒng)以AT89C52為CPU ，它是由美國ATMEL 公司生產(chǎn)的低電壓、高性能8 位CMOS 單片機(jī)，片內(nèi)含8K字節(jié)的FLASH或PEROM和256 字節(jié)的RAM，器件采用ATMEL 公司的高密度、非易失性存儲技術(shù)生產(chǎn)，與標(biāo)準(zhǔn)MCS-51 指令系統(tǒng)及8052產(chǎn)品引腳兼容。AT89C52 接收檢測電路的外部中斷信號，也接收來自鍵盤的信息，并對輸入的信息進(jìn)行處理，從而確定儀器原工作狀態(tài)及輸出電壓的大小。 此外，AT89C52 還能根據(jù)工作溫度自動調(diào)節(jié)風(fēng)扇轉(zhuǎn)速，如果發(fā)生過熱現(xiàn)象，還能驅(qū)動報警電路工作。

　　圖2 　整機(jī)系統(tǒng)框圖

　　D/A 轉(zhuǎn)換電路

　　D/A 轉(zhuǎn)換器采用12 位電壓輸出型、內(nèi)置雙緩沖輸入鎖存器和齊納基準(zhǔn)電源的MAX508，通過雙緩沖鎖存器實現(xiàn)與微處理器接口，數(shù)據(jù)輸入允許低8位和高4位分段右移輸入。 MAX508 提供的片內(nèi)量程電阻可以外接產(chǎn)生雙極性輸出電壓范圍為±5V 或單極性輸出電壓范圍為0-5V、0-10V 的幾種輸出方式。 本電源中采用0-10V 的單極性輸方式，如圖3 所示。 此時ROFS 與AGND 相連，RFB 與VOUT相連，采用直接二進(jìn)制編碼。

　　圖3 　D/A 連接電源原理圖

　　智能型風(fēng)扇

　　系統(tǒng)在工作過程中如果溫度過高會使芯片燒壞，因此系統(tǒng)必須有散熱裝置，本電源系統(tǒng)采用散熱片和智能型風(fēng)扇。 智能型風(fēng)扇主要由MAX6660控制，它是一款遠(yuǎn)端結(jié)溫傳感器和風(fēng)扇速度調(diào)節(jié)器，提供了完備的風(fēng)扇控制解決方案。 遠(yuǎn)端溫度傳感器通常采用一個廉價且易安裝的2N3904 NPN 或2N3906 PNP。 該器件還包括一個閉環(huán)風(fēng)扇控制器，根據(jù)轉(zhuǎn)速計反饋來調(diào)節(jié)風(fēng)扇速度。MAX6660 將溫度風(fēng)扇門限溫度和增益設(shè)定相比較，兩者均可通過SMBus 由用戶編程。 其結(jié)果是實現(xiàn)與遠(yuǎn)端結(jié)溫成正比的自動風(fēng)扇控制。 可以在任何時候斷開溫度反饋環(huán)，以便由系統(tǒng)控制風(fēng)扇速度。 風(fēng)扇速度是通過電壓控制的，與PWM控制相比，更加安靜和可靠。

　　保護(hù)電路

　　為了使程控電源能可靠、安全地工作，本系統(tǒng)設(shè)置多重監(jiān)測和保護(hù)系統(tǒng)，主要包括軟啟動電路、過溫保護(hù)、過壓保護(hù)、過流保護(hù)，其中過溫保護(hù)采用中斷方式控制。 本系統(tǒng)采用MAX6660 檢測電路中晶片的工作溫度，若溫度超過給定值，溫度傳感器調(diào)理器就給單片機(jī)中斷信號，單片機(jī)啟動聲光報警，經(jīng)過一定時間切斷電壓輸出。

　　鍵盤和顯示

　　程控電源的鍵盤和顯示部分安裝在儀器的操作面板上，由16 個鍵和液晶顯示模塊LCM組成。 其中LCM模塊選用某電子有限公司生產(chǎn)的圖形點陣液晶顯示模塊SMG240128A ，其內(nèi)置T6963C 及兼容控制器，它可顯示電源輸出的電壓值、顯示存儲數(shù)據(jù)和工作狀態(tài)，還可進(jìn)行報警顯示。

　　軟件設(shè)計

　　系統(tǒng)應(yīng)用程序的結(jié)構(gòu)可分為主程序和若干子程序，主程序流程圖如圖4所示。

　　主程序

　　1) 初始化程序：在初始化過程中，先是將8052各個口復(fù)位，清RAM 區(qū)的各個寄存器、緩沖區(qū)。 程序正常運行后，將不再進(jìn)入初始化程序，只有當(dāng)儀器啟動或復(fù)位時才進(jìn)入該程序。 初始化完成后，開外部中斷。

　　2) 功能處理程序：當(dāng)按下這些鍵時，經(jīng)過判斷，轉(zhuǎn)各自的處理程序。 這些程序是相似的，主要功能是顯示各自的字符，設(shè)置各自的標(biāo)志。

　　3) RUN 鍵處理程序：當(dāng)按下功能鍵后，再置入數(shù)字，然后按下RUN 鍵，可以得到與置入數(shù)值大小相等的電壓輸出。

　　4) CLR 鍵處理程序：清除鍵(CLR) 的主要功能是，根據(jù)當(dāng)前狀態(tài)的不同，清除不同的工作區(qū)。 當(dāng)程序進(jìn)入出錯處理子程序時，只有按下CLR 后，才能使儀器恢復(fù)正常工作。

　　圖4 　主程序框圖

　　子程序

　　子程序包括：讀鍵盤子程序、中斷子程序、顯示子程序、出錯處理子程序、計算子程序、存儲和讀取子程序等。

　　結(jié) 論

　　利用單片機(jī)和數(shù)模轉(zhuǎn)換器控制的直流穩(wěn)壓電源，完全改變了傳統(tǒng)直流穩(wěn)壓電源的設(shè)計，具有新穎性，獨創(chuàng)性和先進(jìn)性。 它不僅能作為常規(guī)的科研實驗電源用，而且可以通過軟件編程的方法使穩(wěn)壓電源產(chǎn)生連續(xù)變化的輸出電壓，具有很高的性價比。