數控直流電源設計

吳超

摘 要：本文介紹了以8051單片機為控制單元，以數模轉換器DAC0832輸出參考電壓控制電壓轉換模塊LM317輸出電壓大小的數控直流電源設計。該電源具有設計簡單，應用廣泛，精度較高等特點。

關鍵詞：單片機（AT89C51）；數模轉換器（D/A）

目前所使用的直流可調電源中，幾乎都為旋鈕開關調節電壓，調節精度不高，而且經常跳變，使用麻煩。利用數控直流電源，可以達到每步0.04 V的精度，輸出電壓范圍0-10V。

本文介紹了以8051單片機為控制單元，以數模轉換器DAC0832輸出參考電壓控制電壓轉換模塊LM317輸出電壓大小的數控直流電源設計。該電源具有設計簡單，應用廣泛，精度較高等特點。

1 設計原理與總體方案

鑒于目前數控直流電源一般采取運放構成的電流-電壓轉換電路與單片機結合，設計方案大多為開環系統，主控制器僅用于數字給定及顯示，沒有對輸出電流進行檢測和控制。本文在傳統電路設計的基礎上，利用控制系統中反饋與控制的原理，引入電流負反饋，在采樣電阻上獲取和電流成正比的采樣電壓，并接人運算放大器的反向輸入端，實現負反饋，形成恒流輸出的閉環控制系統；軟件方面，將具有全局尋優能力但收斂速度慢的遺傳算法和具有收斂速度快且局部尋優能力強的直接搜索法結合在一起，同時結合PID算法，形成軟件閉環，實現對輸出電流的精確控制。

2 硬件設計

系統工作原理如下圖所示：由鍵盤預置電壓值，輸入到單片機；采樣電阻采集的電壓信號經D/A轉換器送入單片機，當兩值之差絕對值為零或不大于設定值時，不作任何調整；當兩值之差大于設定值時，運用PID算法進行調整，送人D/A轉換，調整輸出電壓，直到差值在允許的范圍內。單片機控制液晶顯示電流的設定值、實際輸出值和電壓步進值。

2.1 DAC電路

一個8位D/A轉換器有8個輸入端（其中每個輸入端是8位二進制數的一位），有一個模擬輸出端。輸入可有256個不同的二進制組態，輸出為256個電壓之一，即輸出電壓不是整個電壓范圍內任意值，而只能是256個可能值。

2.2 AGC控制電路

可以分為增益受控放大電路和控制電壓形成電路。增益受控放大電路位于正向放大通路，其增益隨控制電壓而改變。控制電壓形成電路的基本部件是AGC整流器和低通平滑濾波器，有時也包含門電路和直流放大器等部件。

2.3 鍵盤

在鍵盤中按鍵數量較多時，為了減少I/O口的占用，通常將按鍵排列成矩陣形式 ，矩陣式結構的鍵盤顯然比直接法要復雜一些。當按鍵沒有按下時，所有的輸出端都是高電平，代表無鍵按下；一旦有鍵按下，則輸入線就會被拉低，這樣通過讀入輸入線的狀態就可得知是否有鍵按下了。

2.4 液晶顯示

液晶1602A各個管腳的介紹：

2.5 穩壓輸出

LM317的輸入最高電壓為30余伏，輸出電壓1.5----32V，電流1.5A，不過在用的時候要注意功耗問題，注意散熱。LM317有三個引腳：一個輸入，一個輸出，一個電壓調節。輸入引腳輸入正電壓，輸出引腳接負載，電壓調節引腳一個接電阻（200左右）在輸出引腳，另一個接可調電阻（幾K）接于地。輸入和輸出引腳對地要接濾波電容。

3 軟件設計

流程圖如下：

4 結果分析

測得的數據和從鍵盤輸入的數據比對：

1.數據分析

從上面表中的數據來看，輸入數據越大，誤差越大；輸入數據越小，誤差越小。

2.誤差分析

（1）由于所用電源為四個：+12V、-12V、+5V、-5V，電源不夠穩定

（2）電路中元器件發熱產生誤差

（3）LM317輸出電壓不夠穩定

（4）外界對輸出電壓的干擾，導致輸出有誤差

（5）運放未調零

參考文獻

[1]徐新民.單片機原理與應用.浙江大學出版社，2006.8

[2]李永敏等.檢測儀器電子電路.西北工業大學出版社，1994

[3]方勇.數字信號處理——原理與實踐.清華大學出版社，2006

[4]王麗.模擬電子電路.人民郵電出版社，2010.10