具有較高精度和穩(wěn)定性的D/A 轉(zhuǎn)換器程控電源設(shè)計(jì)

引 言

在各種電子電路實(shí)驗(yàn)中，電源是一種必不可少的儀器，目前實(shí)驗(yàn)所用的電源大多是只有固定電壓輸出（例如常用的有： ±5V、±12V或±15V） ，其缺點(diǎn)是輸出電壓不可人為的改變，輸出精度和穩(wěn)定性都不高：在測(cè)量上，傳統(tǒng)的電源一般采用指針式或數(shù)字式來(lái)顯示電壓或電流，搭配電位器調(diào)整所要的電壓及電流輸出值。 若要調(diào)整精確的電壓輸出，須搭配精確的顯示儀表監(jiān)測(cè)：又因電位器的阻值特性非線性，在調(diào)整時(shí)，需要花費(fèi)一定的時(shí)間，且會(huì)產(chǎn)生漂移，使得最終只好因陋就簡(jiǎn)。

隨著科學(xué)技術(shù)飛速發(fā)展，對(duì)電源可靠性、輸出精度和穩(wěn)定性要求越來(lái)越高，利用D/A 轉(zhuǎn)換器的高分辨率和單片機(jī)的自動(dòng)檢測(cè)技術(shù)設(shè)計(jì)程控電源就顯示出其優(yōu)越性。 程控電源既能方便輸入和選擇預(yù)設(shè)電壓值又具有較高精度和穩(wěn)定性，而且還可程控實(shí)現(xiàn)對(duì)電源的可編程監(jiān)控，如模擬電壓跌落、間斷或起伏等情況，即可編程電源也可以看作一種功率型的低頻信號(hào)發(fā)生器。 程控電源可以任意設(shè)定輸出電壓或電流，所有功能由面板上的鍵盤(pán)或通過(guò)RS-232C 串口連接的上位微機(jī)實(shí)現(xiàn)，給電路實(shí)驗(yàn)帶來(lái)極大的方便，提高了工作效率。

工作原理

本電源以常規(guī)穩(wěn)壓電源為基礎(chǔ)

電源，以高性能單片機(jī)和數(shù)模轉(zhuǎn)換器為控制電路，在控制和檢測(cè)軟件支持下，把預(yù)先給定值通過(guò)單片機(jī)的的輸出口送至相應(yīng)的的D/A 轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的給定模擬電壓，以替代常規(guī)穩(wěn)壓電源中的比較參考電壓，使輸出電壓或電流隨著參考電壓的變化而變化，其原理如圖1 所示。 用戶(hù)可根據(jù)需要通過(guò)鍵盤(pán)設(shè)定穩(wěn)壓電源的輸出值。

圖1 　程控電源框圖

系統(tǒng)硬件配置

程控電源整機(jī)框圖如圖2 所示，它主要由鍵盤(pán)、液晶顯示、單片微機(jī)系統(tǒng)、D/A 轉(zhuǎn)換電路、報(bào)警電路、檢測(cè)電路和直流穩(wěn)壓電路等七部分組成。 根據(jù)需要，可擴(kuò)展RS232 接口。

單片微機(jī)系統(tǒng)

單片機(jī)系統(tǒng)是程控電源的核心。 它通過(guò)軟件的運(yùn)行來(lái)控制整個(gè)儀器的工作，從而完成設(shè)定的功能。 單片機(jī)系統(tǒng)以AT89C52為CPU ，它是由美國(guó)ATMEL 公司生產(chǎn)的低電壓、高性能8 位CMOS 單片機(jī)，片內(nèi)含8K字節(jié)的FLASH或PEROM和256 字節(jié)的RAM，器件采用ATMEL 公司的高密度、非易失性存儲(chǔ)技術(shù)生產(chǎn)，與標(biāo)準(zhǔn)MCS-51 指令系統(tǒng)及8052產(chǎn)品引腳兼容。AT89C52 接收檢測(cè)電路的外部中斷信號(hào)，也接收來(lái)自鍵盤(pán)的信息，并對(duì)輸入的信息進(jìn)行處理，從而確定儀器原工作狀態(tài)及輸出電壓的大小。 此外，AT89C52 還能根據(jù)工作溫度自動(dòng)調(diào)節(jié)風(fēng)扇轉(zhuǎn)速，如果發(fā)生過(guò)熱現(xiàn)象，還能驅(qū)動(dòng)報(bào)警電路工作。

圖2 　整機(jī)系統(tǒng)框圖

D/A 轉(zhuǎn)換電路

D/A 轉(zhuǎn)換器采用12 位電壓輸出型、內(nèi)置雙緩沖輸入鎖存器和齊納基準(zhǔn)電源的MAX508，通過(guò)雙緩沖鎖存器實(shí)現(xiàn)與微處理器接口，數(shù)據(jù)輸入允許低8位和高4位分段右移輸入。 MAX508 提供的片內(nèi)量程電阻可以外接產(chǎn)生雙極性輸出電壓范圍為±5V 或單極性輸出電壓范圍為0-5V、0-10V 的幾種輸出方式。 本電源中采用0-10V 的單極性輸方式，如圖3 所示。 此時(shí)ROFS 與AGND 相連，RFB 與VOUT相連，采用直接二進(jìn)制編碼。

圖3 　D/A 連接電源原理圖

智能型風(fēng)扇

系統(tǒng)在工作過(guò)程中如果溫度過(guò)高會(huì)使芯片燒壞，因此系統(tǒng)必須有散熱裝置，本電源系統(tǒng)采用散熱片和智能型風(fēng)扇。 智能型風(fēng)扇主要由MAX6660控制，它是一款遠(yuǎn)端結(jié)溫傳感器和風(fēng)扇速度調(diào)節(jié)器，提供了完備的風(fēng)扇控制解決方案。 遠(yuǎn)端溫度傳感器通常采用一個(gè)廉價(jià)且易安裝的2N3904 NPN 或2N3906 PNP。 該器件還包括一個(gè)閉環(huán)風(fēng)扇控制器，根據(jù)轉(zhuǎn)速計(jì)反饋來(lái)調(diào)節(jié)風(fēng)扇速度。MAX6660 將溫度風(fēng)扇門(mén)限溫度和增益設(shè)定相比較，兩者均可通過(guò)SMBus 由用戶(hù)編程。 其結(jié)果是實(shí)現(xiàn)與遠(yuǎn)端結(jié)溫成正比的自動(dòng)風(fēng)扇控制。 可以在任何時(shí)候斷開(kāi)溫度反饋環(huán)，以便由系統(tǒng)控制風(fēng)扇速度。 風(fēng)扇速度是通過(guò)電壓控制的，與PWM控制相比，更加安靜和可靠。

保護(hù)電路

為了使程控電源能可靠、安全地工作，本系統(tǒng)設(shè)置多重監(jiān)測(cè)和保護(hù)系統(tǒng)，主要包括軟啟動(dòng)電路、過(guò)溫保護(hù)、過(guò)壓保護(hù)、過(guò)流保護(hù)，其中過(guò)溫保護(hù)采用中斷方式控制。 本系統(tǒng)采用MAX6660 檢測(cè)電路中晶片的工作溫度，若溫度超過(guò)給定值，溫度傳感器調(diào)理器就給單片機(jī)中斷信號(hào)，單片機(jī)啟動(dòng)聲光報(bào)警，經(jīng)過(guò)一定時(shí)間切斷電壓輸出。

鍵盤(pán)和顯示

程控電源的鍵盤(pán)和顯示部分安裝在儀器的操作面板上，由16 個(gè)鍵和液晶顯示模塊LCM組成。 其中LCM模塊選用某電子有限公司生產(chǎn)的圖形點(diǎn)陣液晶顯示模塊SMG240128A ，其內(nèi)置T6963C 及兼容控制器，它可顯示電源輸出的電壓值、顯示存儲(chǔ)數(shù)據(jù)和工作狀態(tài)，還可進(jìn)行報(bào)警顯示。

軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)應(yīng)用程序的結(jié)構(gòu)可分為主程序和若干子程序，主程序流程圖如圖4所示。

主程序

1） 初始化程序：在初始化過(guò)程中，先是將8052各個(gè)口復(fù)位，清RAM 區(qū)的各個(gè)寄存器、緩沖區(qū)。 程序正常運(yùn)行后，將不再進(jìn)入初始化程序，只有當(dāng)儀器啟動(dòng)或復(fù)位時(shí)才進(jìn)入該程序。 初始化完成后，開(kāi)外部中斷。

2） 功能處理程序：當(dāng)按下這些鍵時(shí)，經(jīng)過(guò)判斷，轉(zhuǎn)各自的處理程序。 這些程序是相似的，主要功能是顯示各自的字符，設(shè)置各自的標(biāo)志。

3） RUN 鍵處理程序：當(dāng)按下功能鍵后，再置入數(shù)字，然后按下RUN 鍵，可以得到與置入數(shù)值大小相等的電壓輸出。

4） CLR 鍵處理程序：清除鍵（CLR） 的主要功能是，根據(jù)當(dāng)前狀態(tài)的不同，清除不同的工作區(qū)。 當(dāng)程序進(jìn)入出錯(cuò)處理子程序時(shí)，只有按下CLR 后，才能使儀器恢復(fù)正常工作。

圖4 　主程序框圖

子程序

子程序包括：讀鍵盤(pán)子程序、中斷子程序、顯示子程序、出錯(cuò)處理子程序、計(jì)算子程序、存儲(chǔ)和讀取子程序等。

結(jié) 論

利用單片機(jī)和數(shù)模轉(zhuǎn)換器控制的直流穩(wěn)壓電源，完全改變了傳統(tǒng)直流穩(wěn)壓電源的設(shè)計(jì)，具有新穎性，獨(dú)創(chuàng)

性和先進(jìn)性。 它不僅能作為常規(guī)的科研實(shí)驗(yàn)電源用，而且可以通過(guò)軟件編程的方法使穩(wěn)壓電源產(chǎn)生連續(xù)變化的輸出電壓，具有很高的性?xún)r(jià)比。