一個數(shù)控的多功能直流穩(wěn)壓電源設(shè)計

（一）系統(tǒng)概述

如今已是一個數(shù)字化的時代，很多的電器都是數(shù)字化的，而且利用數(shù)字可以實現(xiàn)精確控制，我們組根據(jù)本組的特點(diǎn)，決定把原題做成一個數(shù)控的多功能直流穩(wěn)壓電源。

總體方案：

運(yùn)用大功率三極管結(jié)合單片機(jī)，利用ad/da轉(zhuǎn)換控制實現(xiàn)數(shù)字化電源。

DA轉(zhuǎn)換：采用使用最多的低價八位DA轉(zhuǎn)換芯片DAC0832實現(xiàn)，由于該芯片是8位的，做成步進(jìn)0.1V的電源的話，可以從實現(xiàn)從0－25.5V連續(xù)可調(diào)。而題目要求從1.25－20V連續(xù)可調(diào)，所以我們的設(shè)計可以超額實現(xiàn)題目要求。

恒壓控制：我們采用從輸出端采樣的電壓反饋控制形式來實現(xiàn)，主要由利用四運(yùn)方LM324來調(diào)節(jié)實現(xiàn)。

恒流控制：我們采用TLC9153（10位AD轉(zhuǎn)換芯片）將模擬信號轉(zhuǎn)換位數(shù)字信號，再由單片機(jī)分析得到的電流值后，通過DAC0832調(diào)節(jié)輸出電壓來達(dá)到恒流的目的，從而實題目要求。

功率放大：此部分我們采用大功率三極管TIP42C擴(kuò)流，來達(dá)到題目要求。事實上TIP42C的最大電流可以達(dá)到6A，采用折中的看法達(dá)到3A是沒有問題的。所以對于題目的1A要求足已。

為了實現(xiàn)以上構(gòu)想，我們采用”雙核”設(shè)計，利用兩塊單片機(jī)處理控制來實現(xiàn)，這樣提高了處理能力，使系統(tǒng)性能強(qiáng)，拓展方便。

此套多功能數(shù)控直流穩(wěn)壓電源包括四大部分：

1.供電部分

2.功率輸出部分

3.硬件控制部分 （第一核）

4.數(shù)據(jù)處理及顯示部分（第二核）

各部分又可以分為幾個小部分，在后面將會有詳細(xì)的介紹。

系統(tǒng)方框圖表示為：

（二）電路設(shè)計

1、開關(guān)穩(wěn)壓電源部分

（1）設(shè)計思路

穩(wěn)壓部分：以大功率三極管tip42c為中心，通過單片機(jī)利用da0832實現(xiàn)數(shù)模轉(zhuǎn)換，將數(shù)字信號轉(zhuǎn)變?yōu)槟M信號，在利用lm324運(yùn)放將量化的電流轉(zhuǎn)換為量化的電壓，再通過tip42c擴(kuò)流，再利用lm324反饋調(diào)節(jié)，實現(xiàn)大功率數(shù)控穩(wěn)壓電源;

恒流部分：采用tlc9153ad轉(zhuǎn)換實現(xiàn)實時電流檢測，再用單片機(jī)將讀取的電流與預(yù)設(shè)電流比較，經(jīng)單片機(jī)判斷后通過調(diào)節(jié)輸出電壓來達(dá)到恒流的目的；

（2）電路設(shè)計

1. 供電部分：

圖2.1

如圖2.1，對于系統(tǒng)的供電問題，我們采用兩個電源供電，一個主電源，一個輔助電源；

主電源全部供功率輸出，由于考慮到電流比較大對于D5－D8我們采用大功率的二極管，每個二極管電流可達(dá)6A。濾波我們采用兩個50V4700uf的大電容并聯(lián)，以加強(qiáng)輸出電壓的穩(wěn)定性。輔助電源采用±15V的設(shè)計，經(jīng)7812和7912穩(wěn)壓后得到±12V的穩(wěn)定電壓， LM324使用。而主控部分的電源又由7805將7812的12V再次穩(wěn)壓加降壓，得到5V的電壓供主控部分使用。在整個供電系統(tǒng)里我們使用了許多的電容，盡量減少各個部分之間的相互干擾。

2．功率輸出部分：

圖2.2

如圖2.2，后級功率放大采用雙tip42c并聯(lián)輸出，一個42c和一個9014搭配構(gòu)成后級擴(kuò)流電路，運(yùn)功放U4將電壓轉(zhuǎn)換為電流形式輸出通過D6控制兩個擴(kuò)流部分輸出相同的電壓，這樣可以提高最大輸出電流，理論上可以達(dá)到6A，但我們?yōu)榱朔€(wěn)定工作將最大電流設(shè)置為4A。D6的作用是防止反相電壓過大將運(yùn)放燒壞。電壓的反饋調(diào)節(jié)通過R6，R7把輸出電壓反饋到運(yùn)放反相輸入端，實現(xiàn)反饋調(diào)節(jié)。

電壓升高使調(diào)節(jié)過程：輸出電壓↑→反相輸入端電壓↑→8端↓→輸出電壓

從而達(dá)到了穩(wěn)壓的目的，反之亦然。

3．硬件控制部分：

a．a(chǎn)d轉(zhuǎn)換tlc9153的采樣部分

圖2.3

如圖2.3，為ad采樣電路，該電路實現(xiàn)的功能是對輸出電壓，電流進(jìn)行采樣，以供ad轉(zhuǎn)換芯片讀取，為單片機(jī)提供控制源。單片機(jī)根據(jù)從這里采集到的電流信號，對電流進(jìn)行自動控制，從而達(dá)到恒流輸出。圖中R15的作用是將電容C14儲存的電能釋放掉，從而使輸出電壓隨設(shè)置的改變而快速跟隨。

b．LM324轉(zhuǎn)換放大部分：

如圖2.4為lm324四個運(yùn)放的功能圖，其中前三個運(yùn)放將從0832輸出端得到的電流轉(zhuǎn)換為電壓輸出，并對其進(jìn)行放大，放大適當(dāng)倍數(shù)后輸入后級功率放大部分進(jìn)行擴(kuò)流，得到與預(yù)設(shè)相同的輸出電壓。第四個運(yùn)放的作用是將從輸出端采樣到的小電壓進(jìn)行放大，以便tlc的讀?。妷禾∽x取誤差會比較大），圖中R12是一個很重要的電阻，其作用是輸出零點(diǎn)控制，過大或者不放這個電阻，由于我們選用的運(yùn)放是普通的lm324運(yùn)放其性能不是很好， 加上0832量化誤差，會出現(xiàn)輸出調(diào)不了零，而過小則又會把輸出信號消弱，使輸出電壓達(dá)不到設(shè)定值，在經(jīng)過多次選擇后，確定為三百歐的時候最合適。

圖2.4

c，DAC0832數(shù)模轉(zhuǎn)換部分：

如圖2.5，該部分實現(xiàn)的功能就是將單片機(jī)輸出的數(shù)字信號轉(zhuǎn)換為量化的模擬信號，從而驅(qū)動后級功率放大部分輸出與數(shù)字相適應(yīng)的電壓。0832的第二腳為寫入使能端地電平有效，當(dāng)該腳為高電平使0832不接受從單片機(jī)傳過來的信號，而只是輸出與上次得到的數(shù)據(jù)相適應(yīng)的量化電流；而當(dāng)該腳為低點(diǎn)平時0832則會接受從單片機(jī)傳來的數(shù)據(jù)，刷新輸出。利用0832這種鎖定功能，可以很方便的控制0832。參考電壓我們采用MC1403專用芯片為其提供準(zhǔn)確的基準(zhǔn)電壓，從而保證了輸出的準(zhǔn)確性。在使用0832的時候我們發(fā)現(xiàn)雖然11，12腳均是電流輸出（I11+I12=常數(shù)）但是這兩個腳不能隨便調(diào)換，只能是12腳接地，而不能是11腳接地，開始我們接錯了調(diào)試了很久都沒調(diào)試出來（網(wǎng)上的參考電路也又誤）。后來還是經(jīng)過師兄的指點(diǎn)才找出這個錯誤出來。所以這兩個腳不能隨便接！

圖2.5

d．TLC1543模數(shù)轉(zhuǎn)換部分：

圖2.6

如圖2.6，tlc9153為十位的ad轉(zhuǎn)換芯片，可以將電壓量化為1024等份，有11個通道

我們的系統(tǒng)用了其中的三個通道，A0用于采集電壓，將當(dāng)前的電壓轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，A1，A2用于采集電流，A1用于采集大于一安的電流，而A2用于采集小于一安的電流，得到的數(shù)據(jù)由三位數(shù)碼管顯示。電壓電流采用同一個參考電壓，通過外部電位器校正。

e．鍵盤部分：

圖2.7

如圖2.7，整個系統(tǒng)的控制均由鍵盤實現(xiàn)，十六個按鍵分為0－9十個數(shù)字鍵，一個步進(jìn)鍵，一個步減鍵，一個確定鍵，一個取消鍵，一個功能鍵，一個鍵盤鎖定鍵。由硬件控制部分單片機(jī)負(fù)責(zé)掃描，將得到的數(shù)據(jù)發(fā)送到數(shù)據(jù)處理單片機(jī)處理。

4．?dāng)?shù)據(jù)處理及顯示部分：

a，電壓電流顯示部分：

圖3.1

如圖3.1，該部分采用兩個三位數(shù)碼管（共陽），分別顯示電壓電流。以74ls47負(fù)向輸出的數(shù)碼管驅(qū)動芯片為主，單片機(jī)發(fā)送四位BCD碼給74ls47由該芯片譯碼驅(qū)動數(shù)碼管顯示數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)的顯示以動態(tài)掃描的方式進(jìn)行，所以用很少的IO口就可以了，使單片機(jī)可以控制更多的器件。

b，操作顯示部分：

圖3.2

如圖3.2，該部分采用兩個四位數(shù)碼管（共陰）來顯示，所有數(shù)碼管的顯示狀態(tài)均由單片機(jī)來控制，這樣就可以顯示除數(shù)字之外的其他字符。每個數(shù)碼管的亮滅狀態(tài)由74LS138譯碼器來控制，每次只能控制一位亮，所以也是采用動態(tài)掃描的方式進(jìn)行顯示。

（三） 電路指標(biāo)的完成

1.穩(wěn)壓輸出的實現(xiàn)：

如圖1.1，為穩(wěn)壓部分的實現(xiàn)電路，LM324的第三個運(yùn)放從前面的運(yùn)放輸出端得到電壓信號后放大輸出，通過D6，R11，R18驅(qū)動兩個三級管Q2，和Q5，在Q2 ，Q5的集電極就產(chǎn)生了一個電流，再經(jīng)過大功率三極管tip42c擴(kuò)流，從Q1，Q4的集電極輸出。

當(dāng)外部電網(wǎng)電壓上升，影響輸出端的電壓增大，導(dǎo)致輸出電壓大于預(yù)定的值時，這種變化通過R6，R7反饋到LM324的反相輸入端（9），使LM324的輸出端（8）的輸出降低，從而驅(qū)動三極管Q2 ，Q5的電流減少，迫使tip42c的輸出降低。

其流程如下：

輸出電壓↑→LM324反相輸入端（9）電壓↑→LM324輸出斷（8）↓→輸出電壓↓

同理，當(dāng)輸出電壓值低于預(yù)定的值時，同樣通過R6，R7反饋使輸出電壓升高。通過調(diào)節(jié)精密可調(diào)電阻R4就可以調(diào)節(jié)反饋的深度，從而校準(zhǔn)輸出電壓，實現(xiàn)輸出電壓與預(yù)定的值相符。這樣就可以達(dá)到穩(wěn)壓輸出的目的

圖1.1

輸出電壓由于采樣電阻（第二部分圖2.3中的R13）的存在，會產(chǎn)生壓降，而且隨電流的增大，壓降會越來越大。所以誤差計算必須去掉這部分壓降才是真正的誤差。

誤差計算式為：

100％×【設(shè)定電壓－（實測電壓+當(dāng)前電流×0.25）】/設(shè)定電壓

2.恒流輸出的實現(xiàn)：

此部分我們采用軟件控制，其過程為：首先設(shè)定輸出電流，然后系統(tǒng)通過ad轉(zhuǎn)換檢測當(dāng)前電流，當(dāng)檢測到的電流值低于設(shè)定的值時系統(tǒng)通過da轉(zhuǎn)換控制電壓升高，使電流上升到預(yù)設(shè)值，當(dāng)電流高于設(shè)定值的時候系統(tǒng)就會適當(dāng)降低當(dāng)前電壓，使電流恒定在莫個值的范圍內(nèi)，從而實現(xiàn)了恒流輸出。

（五）實現(xiàn)功能：

1．0－25.0V穩(wěn)壓輸出。

2．恒流0－4000mA輸出（理論）。

3．過流保護(hù)。

4．電壓實時數(shù)字顯示。

5．電流實時數(shù)字顯示。

6．全部數(shù)字控制。

7．定時供電功能。

8．所有功能狀態(tài)顯示。