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

0 引言

直流穩(wěn)壓電源是常用的電子設(shè)備，它能保證在電網(wǎng)電壓波動(dòng)或負(fù)載發(fā)生變化時(shí)，輸出穩(wěn)定的電壓。一個(gè)低紋波、高精度的穩(wěn)壓源在儀器儀表、工業(yè)控制及測(cè)量領(lǐng)域中有著重要的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。本設(shè)計(jì)給出的穩(wěn)壓電源的輸出電壓范圍為0～18 V，額定工作電流為0.5 A，并具有"+"、"-"步進(jìn)電壓調(diào)節(jié)功能，其最小步進(jìn)為0.05 V，紋波不大于10 mV，此外，還可用LCD液晶顯示器顯示其輸出電壓值。

1系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)由電源模塊、調(diào)壓模塊、D／A轉(zhuǎn)換模塊、顯示與鍵盤模塊組成，圖1所示是該直流數(shù)控穩(wěn)壓電源的結(jié)構(gòu)原理框圖。

1.1系統(tǒng)電源模塊

在圖1中，220 V市電經(jīng)220 V／17.5 V變壓器降壓后得到的雙17.5 V交流電壓，經(jīng)過(guò)一個(gè)全橋整流后可得到±21 V兩路電壓，其中一路+21 V電壓供給調(diào)整管，作為電源對(duì)外輸出，另一路經(jīng)三端穩(wěn)壓器7815得到+15 V，再經(jīng)過(guò)7805得到+5 V的電壓。-21 V的電壓則經(jīng)三端穩(wěn)壓器MC7915得到-15 V電壓，以作為系統(tǒng)本身的工作電源。

1.2電壓調(diào)整模塊

該穩(wěn)壓電源中的電壓調(diào)整模塊電路如圖2所示。其中調(diào)整管采用復(fù)合管形式(由Q1、Q3組成)，以實(shí)現(xiàn)大電流輸出，由于該設(shè)計(jì)要求Iomax=0.5 A，Iomin=0 A，Pm=(Vimax-Vomin)Iomax=(18-0)×0.5=9 W，因此，本電路中的調(diào)整管可選TIP41(其Icmax=6 A>Iomax=0.5 A；Pcw=65 W>9 W，VCEOmax=100 V>18 V)，當(dāng)然，也可以選用2N5832。

電路的比較放大采用運(yùn)放NE5534來(lái)設(shè)計(jì)，該器件具有共模抑制比高，響應(yīng)速度快和壓擺率高的特點(diǎn)。設(shè)計(jì)時(shí)可由R10、R11A、R12組成分壓取樣電路，并要求R10／(R11A+R12)=1／4，即當(dāng)輸出電壓存在△UO=0.05 V時(shí)，△Ua=0.04 V，這與DAC的輸出(10／255=0.04V=1LSB)變化一致。事實(shí)上，經(jīng)過(guò)DAC轉(zhuǎn)換以將電流轉(zhuǎn)換為電壓并進(jìn)行電壓放大后，即可將得到的10 V電壓送比較器NE54534的同相端作為比較的基準(zhǔn)電壓。由于DAC0832是8位的D／A轉(zhuǎn)換器，故有255步進(jìn)。由此，當(dāng)CPU控制DAC變化1LSB時(shí)，其對(duì)應(yīng)Va的變化為0.04 V，故Uout的可調(diào)變化量為0.05 V(步長(zhǎng))。NE5534和Q1、Q3及取樣電路構(gòu)成的負(fù)反饋電路可實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)輸出電壓的目的(穩(wěn)壓)。

電路中的過(guò)流保護(hù)由R9與02完成。當(dāng)Io>0.7A時(shí)，VR9=R9Io≥1×0.7=0.7 V，此時(shí)Q2導(dǎo)通，并對(duì)調(diào)整管Q3的基極分流，使TIP41的導(dǎo)通電阻增大，輸出電壓降低，從而達(dá)到過(guò)流保護(hù)的目的。必要時(shí)，也可接入一紅色發(fā)光二極管作為過(guò)流指示。該系統(tǒng)的短路保護(hù)采用保險(xiǎn)管來(lái)完成。

1.3 D／A轉(zhuǎn)換模塊

本系統(tǒng)中的數(shù)模轉(zhuǎn)換電路如圖3所示。它由DAC0832、兩級(jí)低漂移的運(yùn)放μA714及VREF電路組成。DAC0832和運(yùn)放U3A將CPU發(fā)出的8位二進(jìn)制數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成0～-5 V的電壓，然后經(jīng)運(yùn)放U3B反向放大2倍，以得到0～10 V電壓。因此，該DAC的轉(zhuǎn)換分辨率為10／(28-1)=0.04 V，即CPU輸出給DAC的數(shù)據(jù)變化為1 Bit，DAC輸出電壓的變化為0.04 V。VREF電路為DAC提供基準(zhǔn)電壓，調(diào)節(jié)R5A，可使基準(zhǔn)電壓保持為5 V。

1.4顯示與鍵盤模塊

本電源中的電壓顯示與鍵盤電路如圖4所示。當(dāng)輸出電壓經(jīng)R13限流和R14取樣后，即可送如TLC2453-1進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換。圖4中的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 kbps，線性誤差±1LSBmax，同時(shí)帶有轉(zhuǎn)換結(jié)果輸出EOC，并可單、雙極性輸出。通過(guò)其可編程的MSB或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IN0輸入，芯片的I／O時(shí)鐘端、數(shù)據(jù)輸入端、轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)輸出端、片選端分別與AT89S51單片機(jī)的P2.3、P2.2、P2.1、P2.0相連，然后經(jīng)單片機(jī)處理后從P0口輸出，在經(jīng)排阻9A472J驅(qū)動(dòng)后送字符型液晶顯示屏SMC1602A顯示輸出電壓。電路中AT89S51單片機(jī)的晶振頻率選用12 MHz，P1.0～P1.3接調(diào)壓按鈕。增加電壓時(shí)，粗調(diào)用按鍵S1，步進(jìn)為1 V，細(xì)調(diào)用S2，步長(zhǎng)為0.05 V；減小電壓時(shí)，粗調(diào)用S3，步長(zhǎng)為1 V，細(xì)調(diào)用S4，步調(diào)為0.05 V。這樣，經(jīng)過(guò)它們的有機(jī)結(jié)合便可將輸出電壓調(diào)節(jié)到所需的電壓。

2系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

本電路的主程序流程如圖5所示。

3 結(jié)束語(yǔ)

本文給出的直流數(shù)控穩(wěn)壓電源采用硬件組成的閉環(huán)反饋模式來(lái)進(jìn)行穩(wěn)壓。電路中采用共模抑制比高、響應(yīng)速度快、壓擺率高的NE5534作比較器，從而提高了穩(wěn)壓的可靠性和精度；而采用12位A／D轉(zhuǎn)換模塊完成電壓的測(cè)量，并用LCD液晶顯示，則提高了測(cè)量的準(zhǔn)確性和直觀顯示能力。本電路的開(kāi)機(jī)預(yù)置輸出電壓為5 V，并可采用步進(jìn)方式調(diào)節(jié)輸出電壓，最小步進(jìn)為0.05 V。經(jīng)過(guò)測(cè)試，本電路的輸出電壓范圍可達(dá)到0～18V，額定電流可達(dá)到0.5A，可應(yīng)用于實(shí)驗(yàn)教學(xué)與工程實(shí)踐中。