一種直流數控可調穩壓電源的設計

1 引言

　　直流穩壓電源是常用的電子設備，用以保證在電網電壓波動或負載改變時，輸出穩定的電壓。低紋波、高精度的穩壓電源在儀器儀表、工業控制及測量領域都有重要的實際應用價值。這里設計的穩壓電源輸出電壓范圍為0～18 V，額定工作電流為500 mA，并具有“+”、“－”步進電壓調節功能，最小步進電壓為0．05 V．紋波不大于10 mV，并用LCD液晶顯示器顯示其輸出電壓值。

　　2 系統設計

　　系統硬件設計主要由AT89C51、穩壓輸出模塊、按鍵處理模塊、顯示模塊和供電模塊5部分組成。如圖1所示。

　　2．1 供電模塊

　　供電部分輸入220 V、50 Hz交流電，輸出系統所需的3種電壓：+5 v，+15 V和-15 V。其中+5 V供AT89C51、D／A和A／D轉換器使用；+15 V作為運放的正電源，同時也是穩壓輸出電路的主電源，最大電流約650 mA；而-15 V作為運放的負電源，同時也為基準電壓源LM339供電，該電流較小，不超過50 mA。供電模塊的電路如圖2所示。

　　2．2 穩壓輸出模塊

　　圖3為穩壓輸出模塊原理圖，該模塊將控制部分的電壓數據轉換穩壓輸出。它由D／A轉換器(DAC0832)、集成運放OP07、LF356、晶體管VT1、VT2、VT7、VT8基準電壓源LM336-5組成。

　　由于實際用到的最大電壓控制字為200，因此D／A轉換部分最大輸出電壓為：

　　D／A轉換輸出電壓Ui作為電源功放級的輸入電壓。功放級由IC3和VT1、VT2構成閉環推挽輸出電路。該電路屬于典型的電壓串聯負反饋電路。于是輸出電壓Uo與輸入電壓Ui的關系式為：

　　將Ui代入得：

　　當Ui=3．922 V，R2=10 kΩ，R3=9．1 kΩ，Uo=18 V，由式(4)可求得Rp1=10 kΩ。實取Rp1為47 kΩ的精密多圈電位器。當CPU輸入電壓控制字(11001000)2=(200)10時，Uimax=3．922 V，調節Rp1使Uo=18 V。

2．2．2 過流保護電路

　　圖3中VT7、VT8構成過流保護電路。正常工作時，VT7截止，VT7集電極電平為 -15 V，使VT8截止，輸出高電平，不觸發中斷。當輸出電流過大時，取樣電阻R16上的壓降大于0．75 V。調節Rp3,VT7的UBE大于0．6 V時，VT7導通，VT7的集電極電平升高，VT8導通，輸出低電平，觸發AT89C51中斷，執行中斷保護程序。

　　2．3 鍵盤與顯示模塊

　　圖4為電壓顯示與鍵盤電路。圖4中，當輸出電壓經R13限流和R14取樣后送 TLC2453-1進行A／D轉換。TLC2453-1為11通道、12位串行A／D轉換器，具有12位分辨率，轉換時間為10μs，有11個模擬輸入通道，3路內置自測試方式，采樣率為66 Kb／s，最大線性誤差為±1 LSB，同時帶有轉換結果輸出EOC，可單、雙極性輸出。通過其可編程的MSB和LSB前導可編程輸出數據長度。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INO輸入，器件的I／O時鐘端、數據輸入端、轉換數據輸出端、片選端口分別與AT89C51單片機的P2．3、 P2．2 P2．1、P2．0相連。從單片機的P0端口輸出，以排阻驅動后送字符型液晶顯示屏顯示。電路設計中AT89C51單片機選12 MHz的晶振頻率，P1．0～P1.3接調壓按鈕，其中兩個粗調步進為±1 V，兩個細調步進為±0．05 V。粗調鍵按一次電壓控制字增加／減小20，細調鍵按一次電壓控制字增加／減小1。4個按鍵有機結合可將輸出電壓調節為所需電壓。

　　2．4 系統軟件設計

　　圖5、圖6分別為系統主程序流程和過流保護程序流程。

　　3 結束語

　　該系統直流數控穩壓電源采用電壓串聯負反饋進行穩壓。采用12位A／D轉換模塊測量電壓，并用LCD液晶屏顯示，測量準確顯示直觀。系統開機預置輸出電壓為5 V，并采用步進方式調節輸出電壓，最小步進為0．05 V。經測試，系統設計輸出電壓范圍為0～18 V，其額定電流可達0．5 A，可用于實驗教學與工程應用中。