多功能数控直流稳压电源实例

 

 

(一)系统概述

如今已是一个数字化的时代，很多的电器都是数字化的，而且利用数字可以实现精确控制，我们组根据本组的特点，决定把原题做成一个数控的多功能直流稳压电源。

总体方案：

运用大功率三极管结合单片机，利用ad/da转换控制实现数字化电源。

DA转换：采用使用最多的低价八位DA转换芯片DAC0832实现，由于该芯片是8位的，做成步进0.1V的电源的话，可以从实现从0－25.5V连续可调。而题目要求从1.25－20V连续可调，所以我们的设计可以超额实现题目要求。

恒压控制：我们采用从输出端采样的电压反馈控制形式来实现，主要由利用四运方LM324来调节实现。

恒流控制：我们采用TLC9153（10位AD转换芯片）将模拟信号转换位数字信号，再由单片机分析得到的电流值后，通过DAC0832调节输出电压来达到恒流的目的，从而实题目要求。

功率放大：此部分我们采用大功率三极管TIP42C扩流，来达到题目要求。事实上TIP42C的最大电流可以达到6A，采用折中的看法达到3A是没有问题的。所以对于题目的1A要求足已。

为了实现以上构想，我们采用”双核”设计，利用两块单片机处理控制来实现，这样提高了处理能力，使系统性能强，拓展方便。

此套多功能数控直流稳压电源包括四大部分：

1.供电部分

2.功率输出部分

3.硬件控制部分 （第一核）

4.数据处理及显示部分（第二核）

各部分又可以分为几个小部分，在后面将会有详细的介绍。

系统方框图表示为：

(二)电路设计

1、开关稳压电源部分

（1）设计思路

稳压部分：以大功率三极管tip42c为中心，通过单片机利用da0832实现数模转换，将数字信号转变为模拟信号，在利用lm324运放将量化的电流转换为量化的电压，再通过tip42c扩流，再利用lm324反馈调节，实现大功率数控稳压电源;

恒流部分：采用tlc9153ad转换实现实时电流检测，再用单片机将读取的电流与预设电流比较，经单片机判断后通过调节输出电压来达到恒流的目的；

（2）电路设计

1. 供电部分：

图2.1

如图2.1，对于系统的供电问题，我们采用两个电源供电，一个主电源，一个辅助电源；

主电源全部供功率输出，由于考虑到电流比较大对于D5－D8我们采用大功率的二极管，每个二极管电流可达6A。滤波我们采用两个50V4700uf的大电容并联，以加强输出电压的稳定性。辅助电源采用±15V的设计，经7812和7912稳压后得到±12V的稳定电压， LM324使用。而主控部分的电源又由7805将7812的12V再次稳压加降压，得到5V的电压供主控部分使用。在整个供电系统里我们使用了许多的电容，尽量减少各个部分之间的相互干扰。

2．功率输出部分：

图2.2

如图2.2，后级功率放大采用双tip42c并联输出，一个42c和一个9014搭配构成后级扩流电路，运功放U4将电压转换为电流形式输出通过D6控制两个扩流部分输出相同的电压，这样可以提高最大输出电流，理论上可以达到6A，但我们为了稳定工作将最大电流设置为4A。D6的作用是防止反相电压过大将运放烧坏。电压的反馈调节通过R6，R7把输出电压反馈到运放反相输入端，实现反馈调节。

电压升高使调节过程：输出电压↑→反相输入端电压↑→8端↓→输出电压

从而达到了稳压的目的，反之亦然。

3．硬件控制部分：

a．ad转换tlc9153的采样部分

图2.3

如图2.3，为ad采样电路，该电路实现的功能是对输出电压，电流进行采样，以供ad转换芯片读取，为单片机提供控制源。单片机根据从这里采集到的电流信号，对电流进行自动控制，从而达到恒流输出。图中R15的作用是将电容C14储存的电能释放掉，从而使输出电压随设置的改变而快速跟随。

b．LM324转换放大部分：

如图2.4为lm324四个运放的功能图，其中前三个运放将从0832输出端得到的电流转换为电压输出，并对其进行放大，放大适当倍数后输入后级功率放大部分进行扩流，得到与预设相同的输出电压。第四个运放的作用是将从输出端采样到的小电压进行放大，以便tlc的读取（电压太小读取误差会比较大），图中R12是一个很重要的电阻，其作用是输出零点控制，过大或者不放这个电阻，由于我们选用的运放是普通的lm324运放其性能不是很好， 加上0832量化误差，会出现输出调不了零，而过小则又会把输出信号消弱，使输出电压达不到设定值，在经过多次选择后，确定为三百欧的时候最合适。
 

图2.4

c，DAC0832数模转换部分：

如图2.5，该部分实现的功能就是将单片机输出的数字信号转换为量化的模拟信号，从而驱动后级功率放大部分输出与数字相适应的电压。0832的第二脚为写入使能端地电平有效，当该脚为高电平使0832不接受从单片机传过来的信号，而只是输出与上次得到的数据相适应的量化电流；而当该脚为低点平时0832则会接受从单片机传来的数据，刷新输出。利用0832这种锁定功能，可以很方便的控制0832。参考电压我们采用MC1403专用芯片为其提供准确的基准电压，从而保证了输出的准确性。在使用0832的时候我们发现虽然11，12脚均是电流输出（I11+I12=常数）但是这两个脚不能随便调换，只能是12脚接地，而不能是11脚接地，开始我们接错了调试了很久都没调试出来（网上的参考电路也又误）。后来还是经过师兄的指点才找出这个错误出来。所以这两个脚不能随便接！

图2.5

d．TLC1543模数转换部分：
 

 

图2.6

如图2.6，tlc9153为十位的ad转换芯片，可以将电压量化为1024等份，有11个通道

我们的系统用了其中的三个通道，A0用于采集电压，将当前的电压转换为数字量，A1，A2用于采集电流，A1用于采集大于一安的电流，而A2用于采集小于一安的电流，得到的数据由三位数码管显示。电压电流采用同一个参考电压，通过外部电位器校正。

e．键盘部分：

图2.7

如图2.7，整个系统的控制均由键盘实现，十六个按键分为0－9十个数字键，一个步进键，一个步减键，一个确定键，一个取消键，一个功能键，一个键盘锁定键。由硬件控制部分单片机负责扫描，将得到的数据发送到数据处理单片机处理。

4．数据处理及显示部分：

a，电压电流显示部分：

 

图3.1

如图3.1，该部分采用两个三位数码管（共阳），分别显示电压电流。以74ls47负向输出的数码管驱动芯片为主，单片机发送四位BCD码给74ls47由该芯片译码驱动数码管显示数据。数据的显示以动态扫描的方式进行，所以用很少的IO口就可以了，使单片机可以控制更多的器件。

b，操作显示部分：

 

图3.2

如图3.2，该部分采用两个四位数码管（共阴）来显示，所有数码管的显示状态均由单片机来控制，这样就可以显示除数字之外的其他字符。每个数码管的亮灭状态由74LS138译码器来控制，每次只能控制一位亮，所以也是采用动态扫描的方式进行显示。

(三) 电路指标的完成

1.稳压输出的实现：

如图1.1，为稳压部分的实现电路，LM324的第三个运放从前面的运放输出端得到电压信号后放大输出，通过D6，R11，R18驱动两个三级管Q2，和Q5，在Q2 ，Q5的集电极就产生了一个电流，再经过大功率三极管tip42c扩流，从Q1，Q4的集电极输出。

当外部电网电压上升，影响输出端的电压增大，导致输出电压大于预定的值时，这种变化通过R6，R7反馈到LM324的反相输入端（9），使LM324的输出端（8）的输出降低，从而驱动三极管Q2 ，Q5的电流减少，迫使tip42c的输出降低。

其流程如下：

输出电压↑→LM324反相输入端（9）电压↑→LM324输出断（8）↓→输出电压↓

同理，当输出电压值低于预定的值时，同样通过R6，R7反馈使输出电压升高。通过调节精密可调电阻R4就可以调节反馈的深度，从而校准输出电压，实现输出电压与预定的值相符。这样就可以达到稳压输出的目的
 

图1.1

输出电压由于采样电阻（第二部分图2.3中的R13）的存在，会产生压降，而且随电流的增大，压降会越来越大。所以误差计算必须去掉这部分压降才是真正的误差。

误差计算式为：

100％×【设定电压－(实测电压+当前电流×0.25)】/设定电压

2.恒流输出的实现：

此部分我们采用软件控制，其过程为：首先设定输出电流，然后系统通过ad转换检测当前电流，当检测到的电流值低于设定的值时系统通过da转换控制电压升高，使电流上升到预设值，当电流高于设定值的时候系统就会适当降低当前电压，使电流恒定在莫个值的范围内，从而实现了恒流输出。

（五）实现功能:

1．0－25.0V稳压输出。

2．恒流0－4000mA输出（理论）。

3．过流保护。

4．电压实时数字显示。

5．电流实时数字显示。

6．全部数字控制。

7．定时供电功能。

8．所有功能状态显示。

 

这个是我大二时候的一个研究性课题论文，我们当时做的就是这样一个电源。第一次做数控电源，呵呵，很多东西都不懂，问了好多师兄，多亏了他们的悉心指导。在此向帮助过我的师兄师姐们表示最真挚的谢意！谢谢你们。