简易数控直流稳压电源设计.doc-资料库

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摘要数控直流稳压电源是电子技术常用的设备之一，广泛的应用于教学、科研等领域。本课题以单片机为控制核心，进行算法控制和集成运放线性负反馈，并通过 7219 驱动四位显示器进行精确显示，设计并实现了一台高精度、低噪声的数控直流电流源。该稳压电源由供电电源、数控系统、模拟输出三个部分组成。供电电源采用 MC7815 和 MC7915 稳压器，通过桥式整流电路，为整机提供了稳定的直流供电；控制系统以单片机 C8051F020 为核心，其内部的 12 位 DAC 转换器产生控制输出，实现了输出电流的实时数控和精确检测。模拟部分利用集成运放继电器等模块实现不同波形的输出；系统还设置了串口通讯、遥控功能。经测试，输出电压范围达 0—9.9V，输出纹波及噪声小于 10mV，均优于题目指标。论文阐明了软硬件设计依据，给出了系统功能和性能测试结果，并附录了详细的设计资料。关键词: 恒压源集成运放 7219 驱动器单片机实时数控 i

目录 1.1 1.2 1.3 1.4 2.1 2.2 2.3 2.4 2.5 第 1 章方案论证与原理设计..................................................................... 1 模拟输出方案.................................................................................................. 1 供电电源方案.................................................................................................. 1 控制系统方案.................................................................................................. 2 整机方案框图.................................................................................................. 2 第 2 章电路设计与参数论证..................................................................... 3 供电电源(15V).................................................................................................3 5V 供电电源.................................................................................................... 5 数控电路.......................................................................................................... 6 模拟输出电路及 A/D 校准............................................................................. 7 驱动数码管显示电路.................................................................................... 10 第 3 章系统功能与软件设计....................................................................11 系统功能分析................................................................................................ 11 软件设计结构................................................................................................ 12 第 4 章功能及性能测试........................................................................... 16 测试条件........................................................................................................ 16 整机调试........................................................................................................ 16 系统性能测试................................................................................................ 16 性能参数测试................................................................................................ 17 第 5 章设计总结及技术展望................................................................... 18 3.1 3.2 4.1 4.2 4.3 4.4 参考资料..........................................................................................................20 附录..................................................................................................................20 附录一测试仪器清单................................................................................................20 附录二原理电路图....................................................................................................20 附录三元器件清单....................................................................................................21 附录四单片机程序....................................................................................................22 ii

数控直流稳压电源是输出为稳定直流电压、并可用数控方式调节和稳定输出电压的电源设备，在对工作电压稳定度、纹波电压大小等有较高要求的领域具有广泛的应用，如：电镀、精密加工、激光器等。为此我们选择了简易数控直流稳压电源设计作为此次竞赛的课题。第 1 章方案论证与原理设计 1.1 模拟输出方案模拟输出部分是数控直流稳压电源的重要组成部分，是决定各项设计指标的关键性因素。 1.1.1 方案选择模拟部分，通过给功放供电，功放构成反相器、反相相加器、反相发大器，积分器分别实现反相、反相相加、放大、积分等功能，结合继电器的控制，分别输出方波、三角波和直流，并反馈给单片机，用 A/D 采样并校准。同时，利用 OP547 输出稳定的 500mA 直流电流。 1.1.2 参数优化设计由于本题要求的输出电压精度高，纹波小。因此我们必须考虑保证这些质量参数的优化方案。纹波与噪声控制最大纹波电压是在设定的直流电压的情况下，使电压的纹波(包过噪声)的绝对值大小，通常以峰－峰值或有效值表示。所以在设计时充分考虑这些因素，在电路中必要部分加入多种降噪滤波措施。安全保护功能安全保护主要用于输出电流较大而负载阻值较小时。因此在设计电路时考虑了系统的过热、过流、过压和反压保护。 1.2 供电电源方案供电电源一般有开关电源、线性电源两种方案。开关电源这种电源主要提供可靠稳定的电压类似开关式恒流源，功率损耗小，效率高，比较经济，但电压波纹大，难以滤除，会对后续电路造成影响。 1

线性电源这种电源也提供可靠稳定的电压，结构简单，纹波电压小（10mV 以下），易滤除，抗电磁干扰性能和电源纯净性好。 1.3 控制系统方案控制系统功能接收取样信号，进行运算处理，并发出控制信号控制负载电流，而且有相应显示和写入控制字等功能。常用的实现方案有硬件逻辑电路、单片机软件编程和 CPLD 硬件逻辑编程。硬件逻辑电路结构简单，实现方便，但功能扩展性不强；单片机系统通过自身时钟编程产生逻辑信号序列，可键盘预置信号序列状态及数码显示，使用灵活方便，可通过软件升级达到系统升级，开发容易，性价比高；CPLD 电路也可实现以上功能，且处理速度更快，但价格偏贵，开发难度大，多用于高速实时系统。所以选用单片机作为控制系统的的核心接收取样信号对其处理并发出控制信号控制负载电流。其他外围电路还有 LED 显示、输入键盘、时钟信号。 1.4 整机方案框图由以上分析可得出整机电路的基本结构方案框图如图 1－1 所示。图 1- 1 数控直流稳压电源框图 2

第 2 章电路设计与参数论证通过前一章的分析，欲获得一个高性能的数控直流电流源，主要是设计好调整器电路，放大电路，反馈控制电路，电源电路。本章详细的介绍了各部分功能电路的设计思想和原理。 2.1 供电电源(15V) 整机供电电源原理电路如图 2－2 所示。线性稳压电源电路主要由桥式整流电路、滤波电路、线性稳压器、保护电路和工作指示电路（LED 灯）组成。经降压变压器变换后的±15V 交流电压由 P2 端口输入，经过整流、滤波和稳压后，由 P1 端口出端±15V 直流电压，为信号处理电路供电。图 2-1 线性±15V 稳压电源电路原理图稳压器选择根据所选运算放大器 OP07 的特性（运算放大器的选择依据将在信号处理电路元件选直流电电压。根据信号处理电路原理图和系统方案框图，计算择中给出），需要提供得信号处理电路所需的电流约为 1A（后面将给出详细计算过程）。所以稳压器选择 MC7815 和 MC7915。表 2-1 列出了 MC7815 和 MC7915 的部分参数。表 2-1 稳压器部分参数输出电流输入范围最小压差 /A /V 测试条件 Ui(v) Io （mA） 23 1000 /V 2 输出/V (典型值) 型号 MC7815A C 15 1.0~1.2 17.9~30 3

-15 1.0~1.2 -17.9~-30 2 -23 500 MC7915A C 变压器选择因为运放供电需±15V 电压，而稳压器输入输出电压差要求不小于 3V，所以此处整流电路电压输入处取 18V。若设桥式整流电路输入电压为 U1，输出电压为 U2，则在一般情况下（负载，滤波电容）， U2 估算值为：故当 U1=15V 时，整流电路输入为。所以选取 220V 输入±15V 电压输出的（2-1）变压器。整流二极管选择桥式整流电路输入 ± 15 电压，即输入电压 U=30V 。二极管击穿电压。对于桥式整流电路，流过每个二极管的平均电流是负载电流的一半，即（2-2）式中（±18V）为整流电路输入电压，为其负载。线性稳压电源的负载主要由信号处理系统中的运放构成，运放 OP07 工作电流小于 10mA，系统中共 5 个运放，故整流电路输出电流 I0=26mA（考虑其他负载估算输出最大电流）。稳压电路输出电压 U0=30V（±15V），故负载估算值为 RL= =1.2kΩ。故流过二极管电流为 18mA。所以选择 1N4001 二极管，其反相击穿电压为 50V，额定工作电流为 1A。保护二极管的选择（D1、D9）当输入端意外短路时，保护二极管能给输出电容、提供一个放电通路，防止稳压器调节管击穿。此处选取 1N4001 型二极管,其最高反相电压 Urm=50V，远大于稳压器输入、输出端电压差 3V；且其额定电流 I=1A，满足放电要求。 4

滤波电容选择（C1、C2）选择滤波电容的选取应满足 Td=RLC1>=(3~5)T/2 Td 为放电时常数,T 为交流电周期。由前面计算得 RL= （2-3） =1.2kΩ。故 C1=C2>1.67nF，此处取 C1=C2=330uF。性能改善电容选择 C3,C4 用于改善高频波纹，当稳压器距离 C1,C2 越远时，C3,C4 越大。一般取 0.1~1uF，此处选取 C3=C4=0.1uF。 C5，C6 用于减小由负载电流瞬时变化引起的高频干扰，一般取 C5=C6=0.1uF。当稳压器输出离负载较远时，器输出端接电容用以改善输出波纹特性并减小低频干扰。一般取 C7=C8=100uF。发光二极管（D2、D8）及限流电阻（R1、R2）选择电路中发光二极管 D2、D8 用来显示电源是否正常工作，其工作电流小于 10mA。故此处选取限流电阻 R1=R2=5.1KΩ。 2.2 5V 供电电源供电电源原理电路如图 2－2 所示。提供+5V 直流电电压，供给单片机及键盘、显示器等其它器件正常工作。其器件参数等同于 15V 供电电源，在此不加累述。图 2-2 线性 5V 稳压电源电路原理图 5

2.3 数控电路数控直流电流源的控制电路采用单片机最小系统对电路各部分进行控制。最小系统由 MCU、采样输入、控制输出、键盘、显示电路组成。 2.3.1 单片机最小系统单片机最小系统电路如图 2-3 所示。图 2- 3 单片机最小系统电路 MCU 选型 MCU 选用 Silicon Laboratories 公司的 C8051F020 单片机，该系列单片机片内含 CIP-51 的 CPU 内核,它的指令系统与 MCS-51 完全兼容。其中 C80511020 单片机具有控制系统所需的模拟和数字外设，包括看门狗、ADC、DAC、电压比较器，VDD 监视器和温度传感器等，并具有多种总线接口。与以前的 5l 系列单片机相比，C8051F020 增添了许多功能，其可靠性和速度也有了很大提高。 6

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