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一、系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求

（一）系統(tǒng)基本功能

輸出電壓范圍為+9V～+12V；最大輸出電流1.5A；電壓調(diào)整率≤0.2%；負(fù)載調(diào)整率≤1%；紋波電壓≤50mV；具有過流及短路保護(hù)功能。

（二）總體方案

系統(tǒng)由供電電路、穩(wěn)壓電路、D/A與A/D控制電路、單片機(jī)顯示部分組成，系統(tǒng)總框圖如圖1所示。供電部分經(jīng)過220V/18V變壓，之后再整流濾波。選擇整流橋時(shí)重點(diǎn)考慮整流二極管的最大反向耐壓值和所能承受的最大電流值。從濾波角度看，大電容固然會(huì)對(duì)輸出電壓的穩(wěn)定性有很大幫助，但同時(shí)也要看電源所帶的負(fù)載的大小，負(fù)載重的就要選擇大一點(diǎn)的電容，相反，就要選小一點(diǎn)的電容，以電壓下降的程度能容忍就行；穩(wěn)壓電路中，調(diào)整管采用大功率晶體管，在實(shí)現(xiàn)穩(wěn)壓作用的同時(shí)又可以實(shí)現(xiàn)擴(kuò)流作用，以便增加電源的帶負(fù)載能力；在D/A與A/D控制電路部分，因?yàn)镈/A有電壓、電流兩路預(yù)設(shè)值控制，故而該采用具有兩路輸出以上的DAC，同理，在A/D轉(zhuǎn)換中，也具有兩路以上的模擬輸入的ADC，電路精簡明了，程序控制部分簡單，還有DAC和ADC的位數(shù)應(yīng)合適，有利于提高步進(jìn)精度值。單片機(jī)顯示部分中，單片機(jī)采用的是51系列的單片機(jī)，顯示部分可采用液晶顯示。

二、具體硬件電路介紹

（一）晶體管串聯(lián)反饋式直流穩(wěn)壓電路

圖1 系統(tǒng)總框圖

設(shè)計(jì)方案的一般結(jié)構(gòu)原理框圖如圖2所示，Vi是整流濾波電路的輸出電壓，T是調(diào)整管，A為比較放大電路，Vref是基準(zhǔn)電壓，它由穩(wěn)壓管Dz和限流電阻R構(gòu)成的簡單穩(wěn)壓電路而獲得。R1、Rp、R2組成反饋網(wǎng)絡(luò)，用作取樣環(huán)節(jié)。

圖2 晶體管串聯(lián)反饋式直流穩(wěn)壓原理圖

此方案中取樣電路將輸出電壓Vo取樣后得到取樣電壓，之后取樣電壓與基準(zhǔn)電壓進(jìn)行比較得出誤差電壓，該誤差電壓對(duì)調(diào)整管的工作狀態(tài)進(jìn)行調(diào)整，從而改變輸出電壓，而該變化與由于輸入電壓Vi變化引起的輸出電壓的變化正好相反，從而保證輸出電壓Vo的穩(wěn)定(穩(wěn)壓值)。此方案思路比較簡單明了，易于接受，靈活性高，且它是直接對(duì)調(diào)整管進(jìn)行調(diào)整，選擇的調(diào)整管合適，帶負(fù)載能力比較強(qiáng)。

圖3 基于D/A控制且經(jīng)過放大的穩(wěn)壓可調(diào)方案

圖4 供電部分電路

（二）數(shù)控可調(diào)方法的實(shí)現(xiàn)

D/A轉(zhuǎn)換芯片TLV5616是12位電壓輸出數(shù)模轉(zhuǎn)換器，它有四個(gè)控制端，1腳是串行數(shù)據(jù)輸入，2腳是串行數(shù)據(jù)時(shí)鐘輸入，3腳是芯片選擇（低電平有效），4腳是幀同步。為了滿足設(shè)計(jì)所要求的9～12V的輸出電壓，還得將D/A輸出的模擬電壓放大之后才送到LM317的反饋端，這里用的是NE5532進(jìn)行放大，NE5532是一種高性能低噪聲雙運(yùn)算放大器集成電路，它比很多準(zhǔn)運(yùn)放具有更好的噪聲性能，輸出驅(qū)動(dòng)能力優(yōu)良以及小信號(hào)帶寬相當(dāng)高，電源輸入電壓范圍相當(dāng)大，應(yīng)用起來比較方便。正因?yàn)镹E5532中有兩路放大作用，所以此處可用其中一路作為電壓跟隨作用，以便實(shí)現(xiàn)輸出電壓會(huì)更穩(wěn)定一點(diǎn)。基于D/A控制且經(jīng)過放大的穩(wěn)壓可調(diào)方案如圖3所示。

（三）供電部分電路設(shè)計(jì)

圖5 穩(wěn)壓部分電路

直流電源是能量轉(zhuǎn)換電路，將220V的交流電轉(zhuǎn)換成直流電。其一般由變壓器、整流電路、濾波電路、穩(wěn)壓電路組成，220V市電經(jīng)220V/18V變壓器變壓后得到18V交流電壓，之后經(jīng)過6A/100V的整流橋進(jìn)行全波橋式整流后得到直流電壓，再經(jīng)過濾波電容（4700uF/50V）減小電壓脈動(dòng)，此處選擇使用呈階梯狀的電容排列分布進(jìn)行濾波，這樣有助于電壓輸出的平緩，得到的電壓較穩(wěn)定。經(jīng)電容濾波輸出后的電壓（25V左右），就可做為后期電路所需要的一部分供電電壓，這時(shí)的電壓應(yīng)作為穩(wěn)壓電路中調(diào)整管的輸入電壓。此外，在此還需要進(jìn)行輔助電源的設(shè)計(jì)，用低壓差線性穩(wěn)器件將電壓降到所需要的電壓軌，本次設(shè)計(jì)中要用到的輔助電源是+18V、+5V以及-5V的，+5V電壓可由單片機(jī)部分來提供，+18V電源可由線性穩(wěn)壓器件7815來得到，-5V電源由線性穩(wěn)壓器件7905來得到。供電部分電路如圖4所示。

（四）穩(wěn)壓部分電路設(shè)計(jì)

如圖5所示，經(jīng)過變壓整流之后得到25V左右的直流脈動(dòng)電壓，再經(jīng)過電容濾波，減小電壓脈動(dòng)，此時(shí)的電壓作為調(diào)整管TIP122的輸入電壓，TIP122是一種大功率達(dá)林頓三極管，CE間承受電壓為100V，功耗為65W，它的集電極最大連續(xù)電流可達(dá)到5A，在TIP122的基極與集電極之間連接一個(gè)2.2K的電阻，以提供給TIP122一個(gè)合適的直流偏置，以便它能夠正常工作，二極管D1、D2起到電壓補(bǔ)償作用。DAV與DAI分別代表設(shè)定的DA電壓值與DA電流值，它們與采樣回來的值進(jìn)行比較，得到誤差電壓再放大去調(diào)整TIP122的C-E極間的電壓，達(dá)到一個(gè)動(dòng)態(tài)平衡，以得到穩(wěn)定的輸出電壓與輸出電流。當(dāng)DAV處的值為2V、DAI處的值為2V，輸出電壓可達(dá)10V，輸出電流可達(dá)2A。運(yùn)放芯片為ADOP07，電壓采樣是用電阻分壓（5:1）來得到，采樣回來的電壓在送到A/D轉(zhuǎn)換的同時(shí)送回D/A比較處。電流采樣用的是誤差為0.01%的0.1歐2A的軍工電阻，采樣回電壓值，經(jīng)運(yùn)放放大后送到A/D進(jìn)行轉(zhuǎn)換，同時(shí)也同樣送回D/A比較處進(jìn)行校正調(diào)整。進(jìn)行電流采樣時(shí)最好用的是儀用放大器來進(jìn)行放大，因?yàn)閮x用放大器本身帶有電壓跟隨器作用，采得的電壓會(huì)穩(wěn)定一點(diǎn)。

（五）D/A與A/D控制及按鍵部分電路設(shè)計(jì)

數(shù)模轉(zhuǎn)換采用的是雙通道的低功耗12位DAC轉(zhuǎn)換器TLV5618，以便達(dá)到所需要的精度，而且能同時(shí)給DAV與DAI設(shè)置模擬值。TLV5618有三個(gè)控制端，1腳為串行數(shù)據(jù)輸入端，2腳為數(shù)字串行時(shí)鐘輸入，3腳為片選。其輸出模擬電壓計(jì)算公式為：V=2*Vref*(dignum/0x1000) 注:dignum后四位為:0x0000-0x0fff。TLV5618的參 考電壓Vref為0-3.5V，本次設(shè)計(jì)中采用的是2.5V，故采用線性穩(wěn)壓芯片TL431來產(chǎn)生穩(wěn)定的2.5V直流電壓。在選擇DAC的時(shí)候，主要考慮D/A的每個(gè)步進(jìn)控制輸出的電壓增量，以提高精度。A/D轉(zhuǎn)換部分采用12位分辨率、雙通道A/D轉(zhuǎn)換芯片MCP3202，其具有體積小，兼容性，性價(jià)比高，且具有雙通道的特點(diǎn)。按鍵控制也放在本部分電路中一個(gè)為電壓“增+”，一個(gè)為電壓“減-”控制，直接連接到單片機(jī)。

三、系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

（一）本設(shè)計(jì)的系統(tǒng)軟件指的是單片機(jī)AT89S52上運(yùn)行的程序。系統(tǒng)軟件主要包括按鍵的掃描、D/A的預(yù)設(shè)值控制寫入、采樣時(shí)A/D的轉(zhuǎn)換以及電壓電流采樣時(shí)的處理、LCD1602的顯示控制，難點(diǎn)在于采樣值與D/A的預(yù)設(shè)值的比較，需要做到循環(huán)控制。

表1 空載條件下所測的電壓變化范圍（單位：V）

（二）系統(tǒng)軟件主流程

系統(tǒng)軟件主流程圖如圖6，軟件主流程主要包括以下工作：

1.系統(tǒng)初始化：對(duì)單片機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行配置、初始化變量和全局參數(shù)、對(duì)單片機(jī)系統(tǒng)外圍模塊進(jìn)行初始化、對(duì)LCD1602液晶屏復(fù)位并顯示初始值等；

2.按鍵掃描：當(dāng)單片機(jī)響應(yīng)按鍵后，讀取按鍵值，然后判斷并對(duì)按鍵產(chǎn)生響應(yīng)；

3.D/A值的步進(jìn)控制：根據(jù)對(duì)按鍵的掃描，單片機(jī)做出判斷并響應(yīng)，是否進(jìn)行步進(jìn)的增減；

4.LCD1602的液晶顯示：經(jīng)過采樣回來的電壓值，經(jīng)過處理顯示出當(dāng)前的輸出電壓以及輸出電流。

圖6 軟件系統(tǒng)流程圖

四、數(shù)據(jù)整理及最終分析

在輸入電壓220V、50Hz，電壓變化范圍＋15%～－20%條件下，得出數(shù)據(jù)如下：

（一）輸出電壓可調(diào)范圍為+9.03V～+12.01V（空載條件下），步進(jìn)電壓為70mV，其中所測的電壓變化如表1所示。

（二）最大輸出電流為1.5A（在輸出電壓為12.01V，負(fù)載為8歐時(shí)）。

（三）電壓調(diào)整率與負(fù)載調(diào)整率測試，當(dāng)空載時(shí)輸出電壓為12.01V，然后再帶上8歐的負(fù)載，達(dá)到最大輸出電流1.5A，此時(shí)再測輸出電壓為11.98V，當(dāng)調(diào)整負(fù)載時(shí)（增加到20歐左右），此時(shí)再測輸出電壓為11.68V。

可見，電壓調(diào)整率與負(fù)載調(diào)整率良好，加上負(fù)載后或負(fù)載變動(dòng)時(shí)，輸出電壓變化還是較小，足夠穩(wěn)定，效率達(dá)到38%左右，紋波控制在50mV以內(nèi)。

五、結(jié)論

本數(shù)控穩(wěn)壓電源的設(shè)計(jì)主要是根據(jù)晶體管串聯(lián)反饋式穩(wěn)壓電路的原理來完成的，其中，其基本原理主要包括基準(zhǔn)源、采樣、比較放大、調(diào)整管四大部分，基于DAC控制基礎(chǔ)之上來實(shí)現(xiàn)數(shù)控功能的，其間通過采樣回來的輸出值與DAC的設(shè)置值相比較來控制調(diào)整管。采樣時(shí)還使用了誤差為0.01%的0.1歐2A的軍工電阻，配合程序控制，使數(shù)控穩(wěn)壓電源的基本參數(shù)滿足了設(shè)計(jì)要求，為日后在臺(tái)站中使用提供了參考。