高精度數(shù)控穩(wěn)壓電源設(shè)計報告

1、數(shù)控穩(wěn)壓電源設(shè)計報告專業(yè)班級：電子1101班姓 名：肖瀟學(xué) 號：1130010201232014年5月12日摘要 直流穩(wěn)壓電源是電子技術(shù)領(lǐng)域的常用儀器設(shè)備之一，能在電網(wǎng)電壓產(chǎn)生波動或發(fā)生負(fù)載發(fā)生變化時提供穩(wěn)定的直流輸出電壓。常規(guī)的直流穩(wěn)壓電源由電源變壓器、整流、濾波和穩(wěn)壓電路等部分組成，大多采用串聯(lián)反饋式穩(wěn)壓原理，通過調(diào)節(jié)輸出取樣支路中的電位器來改變輸出電壓值。由于電位器阻值變化的非線性和調(diào)節(jié)范圍限制，普通直流穩(wěn)壓電源的輸出電壓精度不高。隨著使用時間的增加，由于粗調(diào)的波段開關(guān)和用于細(xì)調(diào)的電位器的接觸不良也會對輸出電壓產(chǎn)生較大影響，且調(diào)節(jié)較為繁瑣。針對常規(guī)直流穩(wěn)壓電源的上述缺點，設(shè)計了一款數(shù)控可

2、調(diào)直流穩(wěn)壓電源，其額定輸出電壓0-30V可調(diào)，額定輸出電流0-4A可調(diào),其輸出電壓精度高且穩(wěn)定性強(qiáng)，參數(shù)設(shè)置操作簡單，帶有掉電數(shù)據(jù)保護(hù)、過熱保護(hù)、過流保護(hù)、過壓保護(hù)功能，還可以實時檢測并顯示實際的電壓/電流輸出值。關(guān)鍵詞：數(shù)控；穩(wěn)壓電源；A/D轉(zhuǎn)換；D/A轉(zhuǎn)換；過流保護(hù)1、 設(shè)計任務(wù)設(shè)計制作具有一定電壓范圍和功能的數(shù)控電源。2、 設(shè)計要求基本要求：a 輸出電壓:范圍 015V ，步進(jìn) 0.1V，紋波不大于10mv      b輸出電流: 500mA      c 輸出電壓由數(shù)

3、碼顯示      d 用”+”.”-”鍵控制輸出電壓進(jìn)行增/減調(diào)整發(fā)揮部分：a 自動掃描輸出電壓b 擴(kuò)展輸出三角波等電壓種類c  輸出電壓可預(yù)置在015V之間的任意值3、 系統(tǒng)方案論證與選擇根據(jù)題目要求，本設(shè)計的系統(tǒng)可以劃分為如下十個部分：輔助電源部分、單片機(jī)控制部分、D/A轉(zhuǎn)換部分、A/D轉(zhuǎn)換部分、電壓基準(zhǔn)部分、電壓電流反饋調(diào)節(jié)部分、輸出顯示部分、輸入調(diào)節(jié)設(shè)定部分、過熱保護(hù)部分、過流保護(hù)部分。系統(tǒng)方框圖如下：3.1 系統(tǒng)的基本方案在本設(shè)計中，為了盡可能提高實驗成品各方面的性能指標(biāo)，對幾個比較重要的模塊分別進(jìn)行了幾

4、種不同的設(shè)計方案論證，并選取最優(yōu)方案。3.1.1 單片機(jī)的選取方案一：選用PIC、或AVR等作為控制核心；這些單片機(jī)資源比較豐富，可以實現(xiàn)復(fù)雜的邏輯功能，功能強(qiáng)大，完全可以實現(xiàn)對本系統(tǒng)的控制。但對于本題目而言，其優(yōu)勢資源無法得以體現(xiàn)，且成本稍高。方案二：采用片STC公司的STC12C5A系列單片機(jī)，該系列單片機(jī)外設(shè)資源豐富，IO口比傳統(tǒng)單片機(jī)多，并且由于其功耗低、體積小、技術(shù)成熟和成本低等優(yōu)點，比較適用于本系統(tǒng)。本設(shè)計中，最終選擇方案二，采用STC12C5A60S2單片機(jī)。3.1.2 變壓器的選擇系統(tǒng)需要多路輔助電源，單片機(jī)STC12C5A60S2、數(shù)模轉(zhuǎn)換器TLV5618、電壓基準(zhǔn)源REF5

5、020等均需要5V的電壓為之供電；散熱器、繼電器等均需要12V的電壓為之供電；運(yùn)放還需要雙電源±12V供電。方案一：采用普通變壓器來給電路供電，變壓器輸出直接整流濾波然后分別穩(wěn)壓到所需電壓給系統(tǒng)各個模塊供電，但是這樣會導(dǎo)致低壓穩(wěn)壓芯片壓差較大，效率非常低，容易燒毀穩(wěn)壓片。主電源輸出時，如果要輸出較低的電壓也會導(dǎo)致電路效率極低，發(fā)熱嚴(yán)重，對散熱器有較高要求。此方案優(yōu)點是普通變壓器價格便宜易于購買。方案二：采用多抽頭變壓器，對于各路輔助電源采用對應(yīng)電壓的抽頭輸出進(jìn)行整流濾波穩(wěn)壓，這樣提高了輔助電源模塊的工作效率，降低了發(fā)熱量。主電源輸出也采用多抽頭，根據(jù)設(shè)定輸出電壓控制繼電器切換到不同抽

6、頭來將穩(wěn)壓電路的輸入輸出壓差降到比較小，這樣提高了電源的效率，降低了發(fā)熱量，增加了電路可靠性。但是此方案需要訂做專用變壓器，且成本較高。本設(shè)計中，最終選擇方案二，采用多抽頭變壓器。3.1.3 D/A轉(zhuǎn)換器的選取方案一：采用DAC0832作為D/A轉(zhuǎn)換器。它是采用CMOS工藝制成的單片直流輸出型8位數(shù)模轉(zhuǎn)換器，有兩路輸出，它價格低廉，接口簡單，但是它需要占用單片機(jī)較多的IO口，并且對于本系統(tǒng)其位數(shù)也顯得不夠。方案二：采用TLC5618芯片作為D/A轉(zhuǎn)換器。它是具有串行接口的12位數(shù)模轉(zhuǎn)換器，其輸出為電壓型，有兩路輸出。只需要通過3根串行總線就可以完成對它的控制，但是其控制程序稍微復(fù)雜一些，價格也

7、較高。本設(shè)計中，最終選擇方案二，采用TLV5618芯片作為D/A轉(zhuǎn)換器。3.1.4A/D轉(zhuǎn)換器的選取方案一：采用單片機(jī)自帶A/D轉(zhuǎn)換器。單片機(jī)自帶的是10位A/D轉(zhuǎn)換器，有8個輸入通道，其A/D轉(zhuǎn)換速度可以達(dá)到幾十千赫茲。此方案優(yōu)點是不增加額外成本，控制也更簡單，但是由于其不能外接基準(zhǔn)電壓，其精度相對較差。方案二：采用AD7705作為A/D轉(zhuǎn)換器。AD7705是16位雙通道差分輸入A/D，在輸入范圍內(nèi)它可以檢測電路任意兩點間的電壓，不需要復(fù)雜的采樣電路，其缺點是A/D轉(zhuǎn)換速度較慢，僅幾十赫茲。本設(shè)計中，最終選擇方案二，采用AD7705芯片作為A/D轉(zhuǎn)換器。3.1.5電壓基準(zhǔn)芯片的選取方案一：采

8、用TL431作為電壓基準(zhǔn)芯片。TL431最小可以輸出2.5V電壓，精度有8位，但是其溫飄較大，容易受溫度影響。其價格比較便宜。方案二：采用REF5020作為電壓基準(zhǔn)芯片。REF5020是TI公司生產(chǎn)的12位的電壓基準(zhǔn)芯片，輸出2.048V，溫飄很小，在本設(shè)計中它很適合作為A/D、D/A芯片的電壓基準(zhǔn)。本設(shè)計中，最終選擇方案二，采用REF5020芯片作為電壓基準(zhǔn)。3.1.6 顯示器件的選取方案一：采用LED數(shù)碼管顯示。使用多個數(shù)碼管動態(tài)顯示，由于顯示的內(nèi)容較多，過多的增加數(shù)碼管的個數(shù)顯然不可行，并且比較占用單片機(jī)資源。方案二: 采用LCD12864液晶顯示?？梢燥@示英文及數(shù)字，利用單片機(jī)來驅(qū)動液

9、晶顯示模塊，設(shè)計簡單，顯示信息量較多,且容易控制。但是其成本較高。方案三：采用2.4英寸TFT彩色液晶屏顯示。該屏幕分辨率320*240，可以顯示圖片、動畫等，它對單片機(jī)速度要求比較高，占用IO口較多，控制程序相對復(fù)雜，用STC12C5A60S2只能顯示一些文字自字符等靜態(tài)畫面，但是其價格較低，顯示效果很好。本設(shè)計中，最終選擇方案三，采用2.4英寸TFT彩色液晶屏作為顯示器件。3.1.7 功率控制方案的選取方案一：選用三極管來實現(xiàn)功率控制,它是電流控制型器件。在該設(shè)計中，由于驅(qū)動電路工作頻率較高，若采用三極管實現(xiàn)功率控制，會需要較大的驅(qū)動電流。方案二：選用場效應(yīng)管來實現(xiàn)功率控制，它是電壓控制型

10、器件。其功率比三極管更大，驅(qū)動電路也比較簡單，響應(yīng)速度快，比較適合用于大功率的場合。本設(shè)計中，最終選擇方案二，采用IRFP450場效應(yīng)管來實現(xiàn)功率控制。3.2 系統(tǒng)的最終方案經(jīng)過仔細(xì)分析和論證，決定了系統(tǒng)各模塊的最終方案如下：主要器件：（1） 單片機(jī)：STC12C5A60S2（2） 變壓器：多抽頭變壓器（3） D/A轉(zhuǎn)換器：TLV5618（4） A/D轉(zhuǎn)換器：AD7705（5） 電壓基準(zhǔn)芯片：REF5020（6） 顯示器件：2.4英寸TFT彩色液晶（7） 功率管：IRFP450其它主要器件：OPA2227運(yùn)放，OPA2228運(yùn)放，EC11編碼器，五腳繼電器，LM35溫度傳感器，CPU散熱器，7

11、8/79系列穩(wěn)壓芯片4、 系統(tǒng)硬件設(shè)計與實現(xiàn)4.1.1系統(tǒng)硬件的基本組成基于單片機(jī)STC12C5A60S2設(shè)計的高精度數(shù)控直流穩(wěn)壓電源，數(shù)控部分采用雙路12位高精度D/A轉(zhuǎn)換器 TLV5618控制穩(wěn)壓電路的輸出電壓和輸出電流; 采用16位高精度 A / D 轉(zhuǎn)換器AD7705測量輸出電壓和輸出電流; 采用EC11帶按鍵編碼器作為電壓電流的設(shè)定裝置;采用2.4英寸TFT彩色液晶屏顯示設(shè)定的電壓電流和實際輸出電壓電流;電源以電壓串聯(lián)負(fù)反饋穩(wěn)壓電路為基礎(chǔ)來進(jìn)行穩(wěn)壓和恒流輸出。4.2.1電壓串聯(lián)負(fù)反饋穩(wěn)壓電路（穩(wěn)壓、恒流/過流保護(hù)）4.2.2電壓取樣及放大電路電流取樣及放大電路原理與該電路一樣。4.2

12、.3變壓器繞組切換電路4.2.4輔助電源電路4.2.5電源整流濾波電路4.2.6編碼器驅(qū)動電路4.2.7電壓基準(zhǔn)源電路4.2.8A/D轉(zhuǎn)換及D/A轉(zhuǎn)換電路4.2.9單片機(jī)最小系統(tǒng)4.2.10溫度采集電路5、 系統(tǒng)軟件設(shè)計5.1程序流程圖6、 系統(tǒng)性能測試6.1電壓設(shè)定精度以及檢測精度設(shè)置電壓(V)檢測電壓(V)實測電壓(V)設(shè)置相對誤差檢測相對誤差0.092 0.099 0.092 0.00%7.61%0.192 0.196 0.193 0.52%1.55%0.292 0.302 0.293 0.34%3.07%0.392 0.408 0.394 0.51%3.55%0.492 0.494 0

13、.494 0.41%0.00%0.592 0.595 0.593 0.17%0.34%0.692 0.704 0.692 0.00%1.73%0.792 0.804 0.793 0.13%1.39%0.792 0.801 0.793 0.13%1.01%0.892 0.893 0.892 0.00%0.11%0.992 0.996 0.993 0.10%0.30%1.092 1.097 1.091 -0.09%0.55%2.012 2.016 2.007 -0.25%0.45%3.012 3.013 3.010 -0.07%0.10%4.012 4.013 4.009 -0.07%0.10%5

14、.012 5.009 5.010 -0.04%-0.02%6.012 6.016 6.013 0.02%0.05%7.012 7.017 7.015 0.04%0.03%8.012 8.022 8.024 0.15%-0.02%9.000 8.999 8.998 -0.02%0.01%10.00 9.992 9.999 -0.01%-0.07%12.00 12.010 12.060 0.50%-0.41%14.00 14.000 14.009 0.06%-0.06%16.01 16.000 16.010 0.00%-0.06%18.01 18.010 18.017 0.04%-0.04%20.

15、01 20.000 20.009 0.00%-0.04%25.00 25.000 25.005 0.02%-0.02%30.00 30.000 30.015 0.05%-0.05%35.01 34.990 35.011 0.00%-0.06%40.01 40.010 40.020 0.02%-0.02%6.2電流設(shè)定精度以及檢測精度設(shè)置電流(A)檢測電流(A)實測電流(A)設(shè)置相對誤差檢測相對誤差0.0210.0260.0239.52%13.04%0.0510.0570.0533.92%7.55%0.1010.1040.1020.99%1.96%0.2020.2060.2030.50%1.48

16、%0.3020.3060.3020.00%1.32%0.4030.4050.4030.00%0.50%0.5030.5050.502-0.20%0.60%0.6030.6040.602-0.17%0.33%0.7040.7060.7040.00%0.28%0.8040.8050.803-0.12%0.25%0.90.9020.899-0.11%0.33%11.00210.00%0.20%1.11.1041.1010.09%0.27%1.2011.2031.2010.00%0.17%1.3011.3041.3020.08%0.15%1.4021.4041.4020.00%0.14%1.5021.

17、5041.5030.07%0.07%1.6021.6041.6040.12%0.00%1.7031.7051.7040.06%0.06%1.8031.8041.8050.11%-0.06%1.9041.9061.9050.05%0.05%2.0042.0072.0070.15%0.00%2.22.2012.2020.09%-0.05%2.4012.4012.4020.04%-0.04%2.6022.6052.6060.15%-0.04%2.8022.8022.8060.14%-0.14%3.0033.0053.0070.13%-0.07%3.2043.2063.2080.12%-0.06%3.

18、43.4033.4070.21%-0.12%3.6013.6043.6060.14%-0.06%3.8013.8053.8060.13%-0.03%4.0024.0054.0060.10%-0.02%4.2034.2034.2050.05%-0.05%4.4044.4024.4060.05%-0.09% 6.3穩(wěn)壓系數(shù)設(shè)置電壓(V)負(fù)載電流（A）負(fù)載電壓(V)穩(wěn)壓系數(shù)5.012 0.00 5.011 0.48%1.00 5.005 4.23 4.987 10.000 0.00 10.000 0.24%1.60 9.991 4.00 9.976 20.010 0.00 20.009 0.09%1

19、.90 19.996 4.23 19.983 30.000 0.00 30.015 0.04%2.10 29.994 4.23 29.989 6.4紋波輸出穩(wěn)壓模式恒流模式空載紋波<1mV紋波<1mV30V/4A紋波<8mV紋波<3mV七、參考文獻(xiàn)1 邱關(guān)源，羅先覺，電路（第五版），高等教育出版社，2006.52 鈴木雅臣（日），晶體管電路設(shè)計（下），科學(xué)出版社，20043 陶桓奇，張小華，彭其圣，模擬電子技術(shù)，華中科技大學(xué)出版社，2007.34 佘新平，數(shù)字電子技術(shù)（第二版），華中科技大學(xué)出版社，2009.85 郭天祥，51單片機(jī)C語言教程，電子工業(yè)出版社，2009.

20、16 高吉祥，唐朝京，全國大學(xué)生電子設(shè)計競賽電子儀器儀表設(shè)計，電子工業(yè)出版社，2007.87 黃智偉，全國大學(xué)生電子設(shè)計競賽系統(tǒng)設(shè)計（第2版），北京航空航天大學(xué)出版社，2011.28 黃智偉，全國大學(xué)生電子設(shè)計競賽常用電路模塊制作，北京航空航天大學(xué)出版社，2011.19 Stephen prata(美)，C primer plus（第五版）中文版，人民郵電出版社，2005.210 高飛飛，高文才，C語言程序開發(fā)范例寶典（第2版），人民郵電出版社，2012.611 IC資料網(wǎng) 12 21IC中國電子網(wǎng)八、附錄8.1調(diào)整輸出板原理圖8.2控制板原理圖8.3部分程序代碼#include<stc

21、12c5a.h>#include<stdio.h>#include<intrins.h>#include"AD7705.H"#include"TLV5618.H"#include"STCAD.H"#include"LCD_driver.h"#include"EEPROM.H"#include"delay.h"int I=196,U=2;float ADI,ADV,ADV1,ADV2,ADV3,ADI1,ADI2,ADI3,Temp,U_U;uch

22、ar buffer14=0,nU,nI;uchar Step=1,Step_flag=0,U_RL=14;uchar IU_Step2=1,1;uint time=0,time_key=0,Ref=0,time_AD=0,time0=0,time1=0,time2=0,time3=0;uint i1=0,i2=0,i3=0,U_buffer15=0,I_buffer15=0;bit t_flag=0,IU_flag=0,AD_delay=0,AD_flag=0;void Timer0Init(void)/ AUXR &= 0x7F;/ TMOD &= 0xF0;/ TMOD |

23、= 0x01;/ TL0 = 0x5D;/ TH0 = 0xFD;/ TF0 = 0;/ TR0 = 1;/ ET0=1;EA=1;void Timer0() interrupt 1TL0 = 0x5D;/ TH0 = 0xFD;/ time+; if(OK=0)t_flag=1;else if(OK=1) t_flag=0;if(time_key<=20)_nop_();else if(time_key<=400)Step_flag+;else if(time_key>400)IU_StepIU_flag=Step_flag;IU_flag=IU_flag;Step_fla

24、g=IU_StepIU_flag;time_key=0; if(Step_flag>=3)Step_flag=0;void Timer1() interrupt 3TL1 = 0x36;TH1 = 0xF7;time_AD+;time0+;time1+;time2+;time3+;if(time_AD>=100)AD_delay=1,time_AD=0;if(t_flag)time_key+;if(IU_flag=0)if(Step_flag=0)Step=1;else if(Step_flag=1)Step=5;else if(Step_flag=2)Step=50;if(IU_

25、flag)if(Step_flag=0)Step=1;else if(Step_flag=1)Step=2;else if(Step_flag=2)Step=20;void Timer1Init(void)/1ms27.000MHzAUXR &= 0xBF;TMOD &= 0x0F;TMOD |= 0x10;TL1 = 0x36;TH1 = 0xF7;TF1 = 0;TR1 = 1;ET1=1; void INT00() interrupt 0if(P37=0)if(IU_flag=0)U+=Step;else if(IU_flag)I+=Step;if(P37=1)if(IU

26、_flag=0)U-=Step;else if(IU_flag)I-=Step;if(I>=880)I=880;if(I<=0)I=0;if(U>=2000)U=2000;if(U<=0)U=0;void main() P4SW |= 0x70; LCD_Init();Timer0Init();Timer1Init();DA_Init();rset_ad();AD_Init();EX0=1;IT0=1;EA=1;P3M1=0x00;P3M0=0x21;FS = 0;RL1 = 0;RL2 = 0;RL3 = 0;RL4 = 0; ON = 0;Step_flag = I

27、U_StepIU_flag;/ Pant(0xff,0xff);/ Pant(0xf8,0x00); / / Pant(0X07,0xE0); / / Pant(0x00,0x1f); / Pant(0x00,0x00);/ LCD_CS =0; / ChineseChar(20,10,2,colors2,colors4,1);/ ChineseChar(38+14,10,2,colors2,colors4,2);/ ChineseChar(38+46,10,2,colors2,colors4,3);/ ChineseChar(70+46,10,2,colors2,colors4,4);/ C

28、hineseChar(102+46,10,2,colors2,colors4,5);/ ChineseChar(134+46,10,2,colors2,colors4,6);/ U = Read_EEPROM(0x00);I = Read_EEPROM(0x02);Temp = result(3);sprintf(buffer,"Temp:%.1f'C ",Temp);LCD_ShowString(0,50,M,colors7,colors4,buffer); U_RL = (U<<1)/100+2)>>1;if(U=0)U_RL=0;if(

29、U_RL>=0x0f)U_RL=0x0f;P1 = (P1&0x0F)|(U_RL<<4);write_da_U(U);write_da_I(I);sprintf(buffer,"SetI:%.3fA",(float)I*0.005+0.0210+0.018*(float)I/880);LCD_ShowString(0,150,M,colors5,colors4,buffer);nI=sprintf(buffer," %.3fA",Step*0.005);LCD_ShowString(240-nI*M,296,M,colors5

30、,colors4,buffer); while(1) if(IU_flag=0)U_RL = (U<<1)/100+2)>>1;if(U=0)U_RL=0;if(U_RL>=0x0f)U_RL=0x0f;P1 = (P1&0x0F)|(U_RL<<4);write_da_I(I);write_da_U(U);if(U<400)U_U = (float)U*0.02+0.052;else if(U<550)U_U = (float)U*0.02+0.06;else if(U<719)U_U = (float)U*0.02+0.0

31、65;else if(U<1200)U_U = (float)U*0.02+0.071;else if(U<1500)U_U = (float)U*0.02+0.083;else if(U<1585)U_U = (float)U*0.02+0.10;else U_U = (float)U*0.02+0.11;if(U_U<10.000)sprintf(buffer,"SetU:%.3fV ",U_U);else sprintf(buffer,"SetU:%.2fV ",U_U);LCD_ShowString(0,100,M,col

32、ors1,colors4,buffer);nU=sprintf(buffer," %.2fV",Step*0.02);LCD_ShowString(240-nU*M,296,M,colors1,colors4,buffer);if(IU_flag)write_da_U(U);write_da_I(I);sprintf(buffer,"SetI:%.3fA",(float)I*0.005+0.0210+0.018*(float)I/880);LCD_ShowString(0,150,M,colors5,colors4,buffer);nI=sprintf(buffer," %.3fA",Step*0.005);LCD_ShowString(240-nI*