一種數(shù)字式可調(diào)穩(wěn)壓電源系統(tǒng)的設(shè)計

謝永超，嚴 俊,2,楊 利

(1.湖南鐵道職業(yè)技術(shù)學院，湖南 株洲 412001； 2.中南大學 信息科學與工程學院，長沙 410083)

0 引言

隨著電子科學技術(shù)的快速發(fā)展，電源技術(shù)在艦船工業(yè)、汽車工業(yè)、自動檢測、智能制造等領(lǐng)域的應用越來越廣泛。特別是數(shù)字電子技術(shù)產(chǎn)品在工作、工業(yè)生產(chǎn)和生活的廣泛普及和應用，報警器、比較器等各種各樣的電子產(chǎn)品的不斷更新和涌現(xiàn)，為各類電子產(chǎn)品提供直流電壓的電源系統(tǒng)在電子整機產(chǎn)品中的重要性變得不可缺少，且直流穩(wěn)壓電源自身的性能參數(shù)的精度與穩(wěn)定性將直接影響電子整機產(chǎn)品的功能實現(xiàn)。特別是對直流穩(wěn)壓電源性能參數(shù)要求比較高的應用場合，對直流穩(wěn)壓電源的電壓調(diào)整率、紋波系數(shù)等性能參數(shù)提出了更加嚴格的要求[1-16]。因此，開展數(shù)字式可調(diào)穩(wěn)壓電源系統(tǒng)的設(shè)計研究具有重要的意義。本文利用單片機AT89S51作為核心控制部件，設(shè)計了一種數(shù)字式可調(diào)穩(wěn)壓電源系統(tǒng)，輸出可調(diào)電壓范圍為0～12 V、輸出電流為500 mA、電壓誤差小于0.1 V，可應用于直流電源提供領(lǐng)域，具有設(shè)計簡單、輸出電壓穩(wěn)定、性能可靠等特點。

1 數(shù)字式可調(diào)穩(wěn)壓電源系統(tǒng)總體設(shè)計

數(shù)字式可調(diào)穩(wěn)壓電源系統(tǒng)硬件部分包括AT89S51與鍵盤和顯示器的連接、D/A 轉(zhuǎn)換、電壓和電流放大、將采樣電壓降壓、 A/D 轉(zhuǎn)換電路、電源電路等6個功能模塊(如圖1所示)。選用單片機小系統(tǒng)AT89S51單片機作為數(shù)字式可調(diào)穩(wěn)壓電源系統(tǒng)的核心控制單元。數(shù)字式可調(diào)穩(wěn)壓電源系統(tǒng)輸出直流電壓的改變通過改變D/A轉(zhuǎn)換芯片(DAC0832)輸入的數(shù)字量來調(diào)節(jié)輸出的直流電壓值，進一步調(diào)整輸出功率管的基極電壓，最終實現(xiàn)輸出電壓的控制和調(diào)整。數(shù)字式可調(diào)穩(wěn)壓電源系統(tǒng)的輸出電壓檢測功能的實現(xiàn)是將輸出直流電壓經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換芯片(ADC0832)進行模擬電壓信號和數(shù)字電壓信號的轉(zhuǎn)換，再通過單片機(AT89S51)實時進行輸出直流電壓的采樣，然后數(shù)字式可調(diào)穩(wěn)壓電源系統(tǒng)通過單片機(AT89S51)進行輸出直流電壓的數(shù)據(jù)處理與顯示功能。數(shù)字式可調(diào)穩(wěn)壓電源系統(tǒng)運行時，首先通過鍵盤模塊輸入所需要的目標電壓值(G)，然后通過A/D (ADC0832)進行轉(zhuǎn)換，將采集到的當下輸出的電壓值(N)與目標電壓值(G)進行比較，求解出二者之建的電壓差值(△=G-N)。再使用逐次逼近的方法，把當前的電壓值(N)加上△/2。然后將N+△/2作為D/A的轉(zhuǎn)換值，并通過電壓、電流放大，最終通過數(shù)字式可調(diào)穩(wěn)壓電源系統(tǒng)的輸出端輸出電壓。循環(huán)上述步驟至△<0.1，從而獲得到數(shù)字式可調(diào)穩(wěn)壓電源系統(tǒng)的最終目標值。

圖1 數(shù)字式可調(diào)穩(wěn)壓電源系統(tǒng)框圖

2 數(shù)字式可調(diào)穩(wěn)壓電源系統(tǒng)硬件電路設(shè)計

2.1 數(shù)字式可調(diào)穩(wěn)壓電源系統(tǒng)的AT89S51小系統(tǒng)電路、鍵盤電路、顯示器電路的電路

數(shù)字式可調(diào)穩(wěn)壓電源系統(tǒng)的單片機AT89S51與顯示器的電路圖如圖2所示。其中，數(shù)字式可調(diào)穩(wěn)壓電源系統(tǒng)時鐘電路通過單片機(AT89S51)的X1和X2口外接電容和晶振實現(xiàn)，由電容C6(33pF)、C7(33pF)、晶振(11.059 2 MHz)組成，主要功能是數(shù)字式可調(diào)穩(wěn)壓電源系統(tǒng)提供唯一且同步時鐘信號，進而實現(xiàn)工作方式的同步。單片機(AT89S51)的P1端口和A/D、D/A連接。鍵盤S1、S2 的主要功能是設(shè)定目標電壓值的大小，按鍵S1的功能向上加數(shù)，按鍵S2的功能是向下減數(shù)。單片機(AT89S51)的P0端口與液晶顯示器(LCD1602)連接，實現(xiàn)輸出電壓的顯示等功能。

圖2 單片機小系統(tǒng)及液晶顯示連接電路圖

2.2 數(shù)字式可調(diào)穩(wěn)壓電源系統(tǒng)的D/A轉(zhuǎn)換電路

數(shù)字式可調(diào)穩(wěn)壓電源系統(tǒng)的D/A轉(zhuǎn)換電路如圖3所示。D/A轉(zhuǎn)換選取的芯片是12位的D/A轉(zhuǎn)換芯片MCP4921。D/A轉(zhuǎn)換芯片(MCP4921)與單片機(AT89S51)的連接方式如下：D/A芯片(MCP4921)的1腳接電源(VCC)，D/A芯片(MCP4921)的2、3、4、5、8腳分別接單片機(AT89S51)的P1口的P14、P15、P16和P17。實現(xiàn)數(shù)字式可調(diào)穩(wěn)壓電源系統(tǒng)中對數(shù)字信號(D)與模擬信號(A)相互轉(zhuǎn)換的功能需求。

圖3 MCP4921D/A轉(zhuǎn)換電路圖

2.3 數(shù)字式可調(diào)穩(wěn)壓電源系統(tǒng)的電壓和電流放大

數(shù)字式可調(diào)穩(wěn)壓電源系統(tǒng)的電壓和電流放大電路圖如圖4所示，其主要作用是實現(xiàn)電壓和電流信號的放大。電壓放大通過由集成運算放大器(LM324)構(gòu)成的同相輸入放大電路，其放大倍數(shù)為1+(R11+W1)/R10。電流放大電路通過2個NPN型三極管Q1和Q2(8050)構(gòu)成的直接耦合的2級放大電路實現(xiàn)。

圖4 電壓和電流放大電路圖

2.4 數(shù)字式可調(diào)穩(wěn)壓電源系統(tǒng)的采樣電壓降壓電路

數(shù)字式可調(diào)穩(wěn)壓電源系統(tǒng)的采樣電壓降壓電路如圖5所示，其主要功能是實現(xiàn)實時進行輸出直流電壓的采樣，并將采樣的結(jié)果輸入DAC-V2，最終實現(xiàn)輸出電壓的采樣與調(diào)整。采樣電壓降壓電路通過R2(10K)和R4(10K)構(gòu)成電阻串聯(lián)分壓電路、集成運算放大器(LM324)構(gòu)成的同相電壓跟隨器實現(xiàn)。

圖5 采樣電壓降壓電路圖

2.5 數(shù)字式可調(diào)穩(wěn)壓電源系統(tǒng)的A/D轉(zhuǎn)換電路

數(shù)字式可調(diào)穩(wěn)壓電源系統(tǒng)的A/D 轉(zhuǎn)換電路如圖6所示，其主要功能是實現(xiàn)數(shù)字式可調(diào)穩(wěn)壓電源系統(tǒng)的模擬(A)信號和數(shù)字(D)信號的轉(zhuǎn)換需求，A/D轉(zhuǎn)換選取的集成芯片是8位的TLC0832CN。A/D轉(zhuǎn)換芯片(TLC0832CN)與數(shù)字式可調(diào)穩(wěn)壓電源系統(tǒng)的電路連接方式如下：A/D轉(zhuǎn)換芯片(TLC0832CN)的8腳接電源(VCC)，3腳、4腳接地(GND)，2腳是模擬信號的輸入端。A/D轉(zhuǎn)換芯片(TLC0832CN)的1腳、5腳、6腳和7腳分別接單片機(AT89S51)P1口的P10、P11、P12和P13。

圖6 A/D轉(zhuǎn)換電路圖

2.6 數(shù)字式可調(diào)穩(wěn)壓電源系統(tǒng)的電源電路

數(shù)字式可調(diào)穩(wěn)壓電源系統(tǒng)的電源電路如圖7所示，其主要功能是為數(shù)字式可調(diào)穩(wěn)壓電源系統(tǒng)的所有集成芯片與電子器件提供工作電壓，主要輸出+15 V、-15 V和+5 V三種類型的直流電壓。其主要工作原理是變壓器將AC220V、50 Hz的工頻交流電降壓為AC18V，AC18V經(jīng)過4個二極管進行橋式全波整流，整流輸出后再經(jīng)過電容C14和C16、C18和C19進行濾波，濾波后分別由三端固定式的集成穩(wěn)壓器(7815、7915、7805)進行穩(wěn)壓輸出。其中，三端集成穩(wěn)壓器7815輸出+15 V 電壓，三端集成穩(wěn)壓器7915輸出-15 V電壓，三端集成穩(wěn)壓器7805輸出+5 V的電壓。

圖7 電源電路

3 數(shù)字式可調(diào)穩(wěn)壓電源系統(tǒng)的軟件設(shè)計

數(shù)字式可調(diào)穩(wěn)壓電源系統(tǒng)的軟件設(shè)計采用C語言進行模塊化設(shè)計。主要由主程序(如圖8所示)、A/D與D/A轉(zhuǎn)換及顯示更新子程序(如圖9所示)和盤掃描和顯示更新子程序(如圖10所示)組成。總體編程思想如下：首先輸入所需要的目標電壓值(G)，然后通過A/D (ADC0832)進行轉(zhuǎn)換，將采集到的當下輸出的電壓值(N)與目標電壓值(G)進行比較，求解出二者之建的電壓差值(△=G-N)。再使用逐次逼近的方法，把當前的電壓值(N)加上△/2。然后將N+△/2 作為D/A 的轉(zhuǎn)換值，并通過電壓、電流放大，最終通過數(shù)字式可調(diào)穩(wěn)壓電源系統(tǒng)的輸出端輸出電壓。循環(huán)上述步驟至△<0.1，獲得最終目標值。

圖8 主程序流程圖

圖9 A/D與D/A轉(zhuǎn)換及顯示更新子程序流程圖

數(shù)字式可調(diào)穩(wěn)壓電源系統(tǒng)的如圖8所示的軟件主程序流程執(zhí)行如下：首先是“開始”，并進行初始化，顯示模塊(LCD)顯示開機界面，并顯示數(shù)字式可調(diào)穩(wěn)壓電源系統(tǒng)當前的電壓值(N)與目標值(G)，然后鍵盤掃描子程序開始運行，鍵盤掃描子程序運行的主要目的是判斷按鍵(S3)是否按下，也就是是否設(shè)定了新的目標電壓值，如果設(shè)定了新的目標電壓值，則開始運行A/D和D/A轉(zhuǎn)換及數(shù)據(jù)處理子程序，實現(xiàn)電壓值的采樣與調(diào)整，并最終輸出目標電壓值。

圖9中A/D與D/A轉(zhuǎn)換及顯示更新子程序的主要作用是實現(xiàn)A/D與D/A轉(zhuǎn)換及顯示更新的控制，其執(zhí)行流程如下：首先是開始并進行A/D轉(zhuǎn)換，并實時顯示轉(zhuǎn)換更新的結(jié)果，然后求解前的電壓值(N)與目標值(G)兩者的差值(D)，并將差值(D)是否大于0.1 V作為判斷條件，如果電壓值(N)與目標值(G)兩者的差值(D)小于0.1 V，則轉(zhuǎn)換及顯示更新子程序執(zhí)行結(jié)束。如果電壓值(N)與目標值(G)兩者的差值(D)大于0.1 V，則需要繼續(xù)進行(N+D/2)的數(shù)學邏輯運算，并進行D/A轉(zhuǎn)換，最終進行延時，則轉(zhuǎn)換及顯示更新子程序執(zhí)行結(jié)束。

圖10所示的盤掃描和顯示更新子程序的主要功能是通過按鍵電路(也就是電壓目標值設(shè)置鍵盤)實時動態(tài)掃描，及時更新目標電壓值，并實現(xiàn)動態(tài)顯示。其主要的編制思路是通過電壓加設(shè)置按鍵(S1)和電壓減設(shè)置按鍵(S2)是否按下，來實現(xiàn)目標值(G)的加減，最終達到設(shè)置的目標值(G)。其執(zhí)行流程如下：首先執(zhí)行程序的初始化并開始，然后將電壓加設(shè)置按鍵(S1)是否按下作為程序執(zhí)行的首個判斷條件。如果電壓加設(shè)置按鍵(S1)按下，則目標值(G)增加0.1，并將增加后的目標值(G)通過顯示子程序進行動態(tài)顯示。經(jīng)過一定的延時后，再第二次判斷電壓加設(shè)置按鍵(S1)是否按下，如果電壓加設(shè)置按鍵(S1)繼續(xù)按下，則目標值(G)繼續(xù)加0.1，并將增加后的目標值(G)通過顯示子程序進行動態(tài)顯示。再第三次判斷電壓加設(shè)置按鍵(S1)是否按下，其執(zhí)行流程如同第二次判斷電壓加設(shè)置按鍵(S1)是否按下。在進行三次判斷電壓加設(shè)置按鍵(S1)是否按下的過程中，如果電壓加設(shè)置按鍵(S1)沒有按下，則開始執(zhí)行電壓減設(shè)置按鍵(S2)是否按下的判斷條件。電壓減設(shè)置按鍵(S2)是否按下的判斷的執(zhí)行也是通過3判斷，如果每次判斷過程中，電壓減設(shè)置按鍵(S2)條件成立，則執(zhí)行目標值(G)減小0.1，如果3次判斷過程中目標都不成立，則整個鍵盤掃描和顯示更新子程序執(zhí)行結(jié)束。

圖10 鍵盤掃描和顯示更新子程序流程圖

4 數(shù)字式可調(diào)穩(wěn)壓電源系統(tǒng)測試分析

為了驗證和測試數(shù)字式可調(diào)穩(wěn)壓電源系統(tǒng)的性能參數(shù)的目標達成度，進行了數(shù)字式可調(diào)穩(wěn)壓電源系統(tǒng)的軟硬件聯(lián)調(diào)測試。調(diào)試方法如下：

聯(lián)機調(diào)試：1)測試單片機小系統(tǒng)的晶振電路和復位電路，判斷AT89S51是否正常工作，可以接上電腦主機自動檢測AT89S51是否正常工作;2)測試單片機小系統(tǒng)的I/O端口是否能正常進行數(shù)字信號傳輸，編寫簡短的測試程序，如果正常的傳輸信號能控制各部分工作，則表明I/O端口能正常工作。

軟件調(diào)試：程序模塊通過C語言編寫完成后，通過keil c軟件進行模塊程序調(diào)試并將子模塊程序整合調(diào)試。首先得通過單片機開發(fā)系統(tǒng)中進行編譯，然后進行聯(lián)機調(diào)試，直到每一個模塊都能正常工作。各程序在調(diào)試時應首先進行單步運行，然后斷點運行，最后全速運行。

整機調(diào)試：當所有硬件與軟件模塊調(diào)試成功完成后，最后進行整機調(diào)試。首先將所有硬件電路連上，把個模塊組合好，通電，將程序下載到單片機中，進行整個系統(tǒng)軟、硬件調(diào)試，目的是為了測試是否成功，或是找出其中的錯誤，一邊更好的改善排除軟硬件的殘留任務(wù)，使整個系統(tǒng)完成工作要求，達到所需的技術(shù)指標。

完成數(shù)字式可調(diào)穩(wěn)壓電源系統(tǒng)的調(diào)試后，進行輸出電壓和電流的測試。通過鍵盤電路在數(shù)字式可調(diào)穩(wěn)壓電源系統(tǒng)的電壓范圍(0 V，12 V)內(nèi)設(shè)定不同的目標值，進行輸出電壓和輸出電流的測試，驗證數(shù)字式可調(diào)穩(wěn)壓電源系統(tǒng)設(shè)計的正確性與可靠性。測試結(jié)果表明，數(shù)字式可調(diào)穩(wěn)壓電源系統(tǒng)的輸出電壓可在(0 V，12 V)的范圍之內(nèi)連續(xù)可調(diào)，且誤差小于0.1 V，達到了預期的設(shè)計目標。

表1 數(shù)字式可調(diào)穩(wěn)壓電源系統(tǒng)測試數(shù)據(jù)

5 結(jié)束語

本文針對自動檢測等應用系統(tǒng)對直流穩(wěn)壓電源的需求，設(shè)計了一種數(shù)字式可調(diào)穩(wěn)壓電源系統(tǒng)，可廣泛應用與艦船工業(yè)、汽車工業(yè)、自動檢測等領(lǐng)域。該系統(tǒng)選擇單片機AT89S51作為核心控制部件，外圍模塊電路包括MCP4921構(gòu)成的AD轉(zhuǎn)換模塊、電壓與電流放大模塊、采樣電壓降壓模塊、液晶顯示模塊及電源模塊。系統(tǒng)軟件C語言設(shè)計采用模塊化結(jié)構(gòu)。輸出可調(diào)電壓范圍為0～12 V、輸出電流為500 mA、電壓誤差小于0.1 V，且可以通過鍵盤可以設(shè)置目標電壓。具有設(shè)計簡單、輸出電壓穩(wěn)定、性能可靠等特點。