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直流穩(wěn)壓電源是常用的電子設(shè)備，它能保證在電網(wǎng)電壓波動或負載發(fā)生變化時，輸出穩(wěn)定的電壓。一個低紋波、高精度的穩(wěn)壓源在儀器儀表、工業(yè)控制及測量領(lǐng)域中有著重要的實際應(yīng)用價值。本設(shè)計給出的穩(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"+"、"-"步進電壓調(diào)節(jié)功能，其最小步進為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 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)過一個全橋整流后可得到±21 V兩路電壓，其中一路+21 V電壓供給調(diào)整管，作為電源對外輸出，另一路經(jīng)三端穩(wěn)壓器7815得到+15 V，再經(jīng)過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)整管采用復合管形式(由Q1、Q3組成)，以實現(xiàn)大電流輸出，由于該設(shè)計要求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)，當然，也可以選用2N5832。 電路的比較放大采用運放NE5534來設(shè)計，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。設(shè)計時可由R10、R11A、R12組成分壓取樣電路，并要求R10／(R11A+R12)=1／4，即當輸出電壓存在△UO=0.05 V時，△Ua=0.04 V，這與DAC的輸出(10／255=0.04V=1LSB)變化一致。事實上，經(jīng)過DAC轉(zhuǎn)換以將電流轉(zhuǎn)換為電壓并進行電壓放大后，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電壓。由于DAC0832是8位的D／A轉(zhuǎn)換器，故有255步進。由此，當CPU控制DAC變化1LSB時，其對應(yīng)Va的變化為0.04 V，故Uout的可調(diào)變化量為0.05 V(步長)。NE5534和Q1、Q3及取樣電路構(gòu)成的負反饋電路可實現(xiàn)調(diào)節(jié)輸出電壓的目的(穩(wěn)壓)。 電路中的過流保護由R9與02完成。當Io＞0.7A時，VR9=R9Io≥1×0.7=0.7 V，此時Q2導通，并對調(diào)整管Q3的基極分流，使TIP41的導通電阻增大，輸出電壓降低，從而達到過流保護的目的。必要時，也可接入一紅色發(fā)光二極管作為過流指示。該系統(tǒng)的短路保護采用保險管來完成。 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、兩級低漂移的運放μA714及VREF電路組成。DAC0832和運放U3A將CPU發(fā)出的8位二進制數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成0～-5 V的電壓，然后經(jīng)運放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提供基準電壓，調(diào)節(jié)R5A，可使基準電壓保持為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。當輸出電壓經(jīng)R13限流和R14取樣后，即可送如TLC2453-1進行模數(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)換時間為10μs，有11個模擬輸入通道，3路內(nèi)置自測試方式，采樣率為66 kbps，線性誤差±1LSBmax，同時帶有轉(zhuǎn)換結(jié)果輸出EOC，并可單、雙極性輸出。通過其可編程的MSB或LSB前導可編程輸出數(shù)據(jù)長度。TLC2453-1的時鐘頻率選用4.1 MHz，電源輸出電壓Uo的取樣信號從IN0輸入，芯片的I／O時鐘端、數(shù)據(jù)輸入端、轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)輸出端、片選端分別與AT89S51單片機的P2.3、P2.2、P2.1、P2.0相連，然后經(jīng)單片機處理后從P0口輸出，在經(jīng)排阻9A472J驅(qū)動后送字符型液晶顯示屏SMC1602A顯示輸出電壓。電路中AT89S51單片機的晶振頻率選用12 MHz，P1.0～P1.3接調(diào)壓按鈕。增加電壓時，粗調(diào)用按鍵S1，步進為1 V，細調(diào)用S2，步長為0.05 V；減小電壓時，粗調(diào)用S3，步長為1 V，細調(diào)用S4，步調(diào)為0.05 V。這樣，經(jīng)過它們的有機結(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 本電路的主程序流程如圖5所示。 3 結(jié)束語 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)反饋模式來進行穩(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量，并用LCD液晶顯示，則提高了測量的準確性和直觀顯示能力。本電路的開機預置輸出電壓為5 V，并可采用步進方式調(diào)節(jié)輸出電壓，最小步進為0.05 V。經(jīng)過測試，本電路的輸出電壓范圍可達到0～18V，額定電流可達到0.5A，可應(yīng)用于實驗教學與工程實踐中。 |
