基于單片機的高精度數(shù)控直流電壓源的設(shè)計

李霏　武毅博

摘 要：為了能夠?qū)崿F(xiàn)電壓源的穩(wěn)定和精密輸出并進行人工智能控制，該文提出了一種基于AT89C51單片機作為控制核心的數(shù)控直流電壓源的設(shè)計方案，并完成系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計。系統(tǒng)采用閉環(huán)控制系統(tǒng)，輸出電壓通過精密電阻采樣反饋輸出，輸出電壓范圍為010V，能夠?qū)崿F(xiàn)電壓值預(yù)置、步進調(diào)整和數(shù)碼管顯示，并加入了保護電路具有報警功能。實際測試表面，電壓源輸出精度高，正常工作時誤差在1%左右，穩(wěn)定性好，抗干擾能力強，并具有一定的智能性，達到了設(shè)計要求。

關(guān)鍵詞：數(shù)控電源 保護電路 閉環(huán)系統(tǒng) 高精度 智能性

中圖分類號：TP273 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1674-098X（2015）11（a）-0119-02

目前，在市面上，數(shù)控直流穩(wěn)壓電源的設(shè)計和成品數(shù)不勝多，大多數(shù)設(shè)計都很單一類似，很多設(shè)計都有一個共同的毛病就是轉(zhuǎn)換效率低、功耗大、輸出精度不高，且?guī)ж?fù)載能力不強，沒有加入必要的保護和反饋校驗系統(tǒng)，紋波電流大、干擾嚴(yán)重。針對以上問題，筆者參考了一些書籍和文獻，設(shè)計了一款高精密的數(shù)控直流電壓源，克服了上述的問題，使功耗降低，轉(zhuǎn)換效率提高，輸出更穩(wěn)定精度更高，同時操作更簡單方便。筆者比較詳細(xì)地給出了硬件各模塊的設(shè)計電路，如果有什么不完善的，請各位諒解和提出意見。

1 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計

該系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)由主電路、控制電路、顯示設(shè)置電路、輔助電源電路以及保護電路組成。輸出電壓范圍為010 V，通過鍵盤鍵入電壓值，由數(shù)碼管顯示，步進調(diào)整為±0.1 V；并通過單片機經(jīng)數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片AD7538轉(zhuǎn)換，在經(jīng)過放大電路放大，通過主電路輸出所需電壓，經(jīng)由保護電路保護監(jiān)測最后再到負(fù)載。反饋系統(tǒng)的采樣端在負(fù)載處采樣，經(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片AD7705轉(zhuǎn)換后送入單片機與預(yù)置值進行比較，調(diào)整負(fù)載電壓變化，實現(xiàn)穩(wěn)定輸出。

1.1 控制電路設(shè)計

A/D模塊：為了實現(xiàn)輸出電壓的實時測量，使用16位的AD7705對輸出電壓進行采樣測量，其帶有增益可編程放大器，可通過軟件編程來直接測量輸出的各種微小信號；并且16位的A/D轉(zhuǎn)換可以很精確的測量輸出電壓[1]。

AD7705具有分辨率高、動態(tài)范圍廣、自校準(zhǔn)、功耗低等特點，工作輸入電壓為3 V或5 V，非常實用于低頻模擬信號的測量。

MC1403用于電壓基準(zhǔn)電路，輸入電壓一般為4.0～4.5 V，輸出電壓為2.5 V±1%，用于為AD7705提供精密的參考電壓2.5 V，保證A/D轉(zhuǎn)換的精度性和準(zhǔn)確性。

D/A模塊：AD7538是一款14位單芯片CMOS數(shù)字—模擬轉(zhuǎn)換器（DAC），該DAC是通過標(biāo)準(zhǔn)的芯片選擇和存儲器寫入邏輯單一的14位字寬的加載、雙緩沖，利用LDAC這是可選的。允許在包含多個AD7538S系統(tǒng)同步更新。單片機和AD7538的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換之間接了兩片74HC573，原因是因為數(shù)模轉(zhuǎn)換的分辨率是14位（符合精度要求），單片機的8位數(shù)據(jù)I/O分兩次對一組數(shù)據(jù)進行傳輸，74HC573先對數(shù)據(jù)進行鎖存再同步傳送給AD7538。

另外74HC573的特點為：三態(tài)總線驅(qū)動輸出；置數(shù)全并行存取；緩沖控制輸入；使能輸入有改善抗擾度的滯后作用。

AD7538引腳IOUT輸出端所接的放大器外圍電路為芯片自帶的電路，單級二元運算；保證運放輸出端得到規(guī)定所需電壓。后續(xù)借一個1K電阻R29和一個放大器是用來放大輸出電壓，滿足系統(tǒng)D/A轉(zhuǎn)換所需的電壓要求。電位器R27用來適當(dāng)調(diào)節(jié)放大系數(shù)，滿足轉(zhuǎn)換要求和規(guī)定的精度。

1.2 輔助電源電路設(shè)計

輔助電源電路采用了兩組電源供電方案，分別設(shè)計了+5 V、±15 V電源電路。電網(wǎng)交流電壓經(jīng)低通濾波輸入回路（EMI濾波器）濾波除去噪聲干擾后，經(jīng)變壓器降壓到20V，再由整流電路整流，經(jīng)過電容濾波后，通過集成穩(wěn)壓塊7805/7815降壓最終輸出+5 V、±15 V電壓，作為單片機控制系統(tǒng)和模擬供電電源。這種電源設(shè)計不但能滿足各電路的供電要求，保證系統(tǒng)的穩(wěn)定工作，而且輸出電流紋波比較小，可靠性高。

1.3 主電路設(shè)計

系統(tǒng)主電路采用精密運算放大器OP07，運算放大器決定著系統(tǒng)輸出電壓的精密度，同時運算放大器的穩(wěn)定性也直接決定著系統(tǒng)輸出的穩(wěn)定性。RP1是10K的精密可調(diào)電位器取樣反饋到OP07的第二腳構(gòu)成了晶體管串聯(lián)型穩(wěn)壓電路，C7是輸出電壓濾波保證電源穩(wěn)定。

1.4 顯示和設(shè)置電路

顯示器采用4位的七段數(shù)碼管，數(shù)碼管要求亮度高，字跡清晰，方便讀數(shù)。

鍵盤電路采用4×4的矩陣鍵盤電路，主要是預(yù)置要求的電壓值，實現(xiàn)輸出電壓值的正負(fù)0.1 V的單步增減步進。在設(shè)計時，使用8279鍵盤顯示控制器，它能夠?qū)崿F(xiàn)對鍵盤的自動掃描、防抖。鍵盤電路要求的功能如下：

（1）通過按鍵“+”“—”，實現(xiàn)對D/A轉(zhuǎn)換的輸出量按步進量0.1 V增加或減少。

（2）鍵盤輸入要求值（給定范圍內(nèi)），再按“確定”，輸出電壓立即（少許延遲）跳至輸入要求值。

（3）鍵盤輸入“清除”，輸出電壓立即（少許延遲）降壓到零，等待下一次的輸入指令，實現(xiàn)不同功能之間的切換。

1.5 保護電路

保護電路采用過流檢測保護電路，采用美信公司的芯片MAX4374。MAX4374是一種微功耗電流檢測集成電路，芯片內(nèi)部除了自帶電流檢測放大器外，還有電壓比較器和基準(zhǔn)電源，工作電流典型值為50 μA，常用于精密電源設(shè)備。

2 軟件設(shè)計

系統(tǒng)編程語言采用C語言，模塊化編程結(jié)構(gòu)實現(xiàn)了系統(tǒng)的各個功能。模塊結(jié)構(gòu)包括負(fù)載端模擬數(shù)據(jù)的采樣A/D轉(zhuǎn)換，D/A輸出，鍵盤各功能鍵值的輸入確定，數(shù)碼管的顯示，過流保護子程序等。首先對系統(tǒng)進行初始化處理，然后等待鍵盤輸入（鍵盤掃描），判斷有無鍵按下，是什么功能鍵，鍵值確認(rèn)后進行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、保護系統(tǒng)檢測看是否達到極限值。最后如果一切正常則數(shù)碼管顯示，輸出端輸出；否則，系統(tǒng)報警，蜂鳴器響起，系統(tǒng)自動斷開停止。

3 測試

系統(tǒng)測試分空載和不同負(fù)載（阻值不同）下電壓值的測量，把測試值與預(yù)置值比較，計算出系統(tǒng)的精度，驗證是否符合預(yù)期要求。測試結(jié)果如表1所示：

=max[|U1-U0|，|U3-U2|]；=/U0）×100%

從表1中可以看出，系統(tǒng)的精度基本符合要求，電源的線性調(diào)整率比較平穩(wěn)，在空載和不同負(fù)載條件下電源都保持著較好的帶負(fù)載能力，低壓輸出時系統(tǒng)的精度略微有些下降，但總體上保持良好。

4 結(jié)語

文章主要對系統(tǒng)的控制電路部分和保護電路部分進行了深入的研究和設(shè)計，經(jīng)過對各個模塊電路的硬件設(shè)計與軟件編寫，到后期的組裝與調(diào)試，完成了數(shù)字控制在精密電源中的應(yīng)用，成功實現(xiàn)了電源的過流保護功能和高精度要求，精度不高過1%，在不同負(fù)載下具有一定的抗干擾措施。整個流程下來，軟硬件設(shè)計思路清晰，具有良好的可操作性和解釋性，達到了預(yù)期的要求。

數(shù)控電源是今后電源領(lǐng)域重點發(fā)展的方向之一，未來很有可能是以微處理器為核心的數(shù)字電源系統(tǒng)，并高度集成模塊化電路，與互聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域緊密聯(lián)系，利用最新的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，實現(xiàn)遠程可視的自動化人工智能控制，充分發(fā)揮微處理器的強大信息處理能力和智能性，有效地實現(xiàn)電源領(lǐng)域里的遠程操控和檢測，甚至無人化職守和機器自動化控制。

文章設(shè)計還有待改進，主要的發(fā)展方向有以下幾4個方面：

（1）控制芯片可以選取更高智能，處理能力更強的芯片作為控制芯片。

（2）主電路可以設(shè)計得更穩(wěn)定，功耗更小，提高輸出功率。

（3）可以在系統(tǒng)中加入遠程通信功能，實現(xiàn)系統(tǒng)的遠程監(jiān)控和控制。

（4）可以設(shè)置一個更好的人機交互界面，更方便操作和監(jiān)控。

參考文獻

[1] 敖振浪，李源鴻，譚鑒容.十六位模數(shù)轉(zhuǎn)換器AD7705及應(yīng)用[J].成都信息工程學(xué)院校報，2003，18（3）：281-286.

[2] 黃兆林，吳文彤，景曉軍，等.精密數(shù)控直流電源設(shè)計[J].工礦自動化，2011，8（8）：134-137.

[3] 王小明，盧志強.基于STC89C52數(shù)控直流電源設(shè)計[J].微計算機信息，2009，12（1）：176-178.