一款高精度直流電源設(shè)計(jì)*

王志偉，陸錦軍，李德軍

（1.江蘇信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院，江蘇 無(wú)錫214153；2.無(wú)錫智航控制技術(shù)有限公司，江蘇無(wú)錫214028）

0 引 言

高精度傳感器、線性系統(tǒng)信號(hào)轉(zhuǎn)換模塊等是航空航天測(cè)控系統(tǒng)的重要組成部分，其測(cè)量精度要求遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)一般民用測(cè)控系統(tǒng)，要求系統(tǒng)每一個(gè)部分都不存在短板，作為航天測(cè)控系統(tǒng)重要組成部分的直流供電電源，其輸出電壓的質(zhì)量決定了信號(hào)測(cè)試和轉(zhuǎn)換的精度。該供電電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)仍以變壓、整流、濾波及穩(wěn)壓作為基本架構(gòu)，但通過(guò)優(yōu)化電路結(jié)構(gòu)，增加反饋綁定等環(huán)節(jié)搭建多路高精度直流供電電源，使電源在負(fù)載改變的情況下仍能保證高精度輸出，同時(shí)利用（C8051F005單片機(jī)+TM12864Z-1）和研華上位機(jī)通過(guò)數(shù)據(jù)采集卡實(shí)時(shí)監(jiān)控電源系統(tǒng)及測(cè)控系統(tǒng)其它模塊的輸出［1］。通過(guò)運(yùn)用高品質(zhì)元件以及對(duì)電路結(jié)構(gòu)的獨(dú)特設(shè)計(jì)，電源在交流供電電源波動(dòng)及負(fù)載變化的過(guò)程中，實(shí)現(xiàn)了電壓的穩(wěn)定輸出和高精度輸出。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

系統(tǒng)由整流、濾波、反饋綁定、穩(wěn)壓及顯示、上位機(jī)模擬量采集等組成，其輸出電壓分±15 V和5 V兩組（3路）輸出（見(jiàn)圖1）。

±15 V直流電源設(shè)計(jì)參數(shù)為：輸出精度優(yōu)于±0.15 V，不同負(fù)載下（輸出電流0～2 A）電壓穩(wěn)定度≤1%。

+5 V電源設(shè)計(jì)參數(shù)為：輸出精度優(yōu)于±0.05 V，不同負(fù)載下（輸出電流0～2 A）電壓穩(wěn)定度≤0.5%。

+5 V、±15 V電源每路最高輸出電流單路可達(dá)2 A，各路電源波紋分量應(yīng)不大于5 mV，并以輸出1 A負(fù)載電流作為該電路標(biāo)準(zhǔn)調(diào)校電流值。同時(shí)為實(shí)現(xiàn)電路電壓的超高精度，要求每一部分電路核心部件采用高性能集成電路及高精度軍品級(jí)分立元器件［2］。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖Fig.1 Block diagram of system structure

單片機(jī)監(jiān)控電路測(cè)試及面板顯示范圍分別為0～6 V及（-18～+17.3）V。上位機(jī)通過(guò)16位高分辨率凌華（PCI-6208+6216）數(shù)據(jù)采集卡采集三組模擬量電壓信號(hào)。

2 系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)

系統(tǒng)硬件電路包括±15 V、5 V電源、單片機(jī)基準(zhǔn)電源和前級(jí)信號(hào)處理電路、單片機(jī)及顯示模塊等組成。

2.1 ±15 V直流電源設(shè)計(jì)

±15V電源（見(jiàn)圖2）由變壓、整流、濾波、+15 V穩(wěn)壓電路、-15 V反饋綁定電路組成。其中C5和C9選用10 000μF／50 V大電容保證濾波，穩(wěn)壓管TVS1和TVS2（IN4750）先行穩(wěn)壓，所選三端穩(wěn)壓器LM317具有調(diào)壓范圍寬、穩(wěn)壓性能好、噪聲低、負(fù)載調(diào)整率?。蛇_(dá)0.1%）、紋波抑制比高等優(yōu)點(diǎn)，D1進(jìn)行箝位保護(hù)，利用精密方形電位器RV3將+VS調(diào)整至+15 V，R3和R7均為精密電阻，利用精密電位器RV1及高壓大電流運(yùn)放OPA551形成反饋回路，從而將負(fù)電壓與正電壓絕對(duì)值同步綁定，功率三極管TIP42提供足夠大的負(fù)載電流，后級(jí)旁路電容 C1、C2、C12、C13過(guò)濾旁路高頻干擾信號(hào)。

圖2 ±15V直流供電模塊Fig.2 ±15V DC power supplymodule

2.2 +5 V直流電源設(shè)計(jì)

同理+5 V電源采用7 V交流輸入，整流、濾波、穩(wěn)壓均采用與+15 V電源相同電路架構(gòu)（見(jiàn)圖3）。

圖3 +5 V直流供電模塊Fig.3 5 V DC power supplymodule

2.3 基準(zhǔn)電源和前級(jí)信號(hào)處理電路設(shè)計(jì)

為保證轉(zhuǎn)換精度以及單片機(jī)的工作要求，系統(tǒng)需要高精度的供電電源和超高精度基準(zhǔn)電壓源，通過(guò)高精度電源轉(zhuǎn)換芯片AMS1117-3.3給并通過(guò)5 V直流電源給單片機(jī)提供3.3 V供電電壓?；鶞?zhǔn)電壓源選用超高精度帶隙基準(zhǔn)電壓源AD780，為單片機(jī)系統(tǒng)提供2.4 V基準(zhǔn)電壓VREF，它具有低初始誤差、低溫度漂移和低輸出噪聲，精度可達(dá)±1 mV的特點(diǎn)，非常適合用于增強(qiáng)高分辨率ADC和DAC的性能，以及任何通用精密基準(zhǔn)電壓源應(yīng)用［3］（見(jiàn)圖4（a））。

圖4 單片機(jī)基準(zhǔn)電源和前級(jí)信號(hào)處理電路Fig.4 Reference power supply and front stage signal processing circuit of SCM

2.4 單片機(jī)及顯示模塊配置

系統(tǒng)選用 C8051F005作為控制核心［6-7］，其具有8個(gè)12位AD轉(zhuǎn)換接口，單片機(jī)采用內(nèi)部25MHz時(shí)鐘頻率，完全滿足系統(tǒng)電壓的轉(zhuǎn)換速度和精度需要。

系統(tǒng)顯示模塊選用TM12864Z-1，具有4位／8位并行、2線或3線串行多種接口方式，既可以顯示8×4行16×16點(diǎn)陣的漢字，也可完成圖形顯示，具有低電壓、低功耗的顯著特點(diǎn)［8］，系統(tǒng)單片機(jī)配置如圖5所示，在該系統(tǒng)中，通過(guò)程序?qū)⒔涌诜绞皆O(shè)為并行，面板實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)見(jiàn)圖6。

圖5 系統(tǒng)單片機(jī)配置Fig.5 System of SCM configuration

圖6 顯示實(shí)物Fig.6 Display physical

3 系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)

系統(tǒng)按模塊化方式編程，其主要程序塊包括初始化、AD轉(zhuǎn)換、ADC校準(zhǔn)、LCD12864顯示等程序塊，如圖7。

圖7 程序流程圖Fig.7 Program flow chart

3.1 單片機(jī)檢測(cè)程序設(shè)計(jì)

由于采用了12位AD轉(zhuǎn)換器，故±15 V理論電壓顯示分辨率可達(dá)，故完全可滿足測(cè)試板與顯示器進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)調(diào)校的精度要求［8］。

3.2 上位機(jī)程序設(shè)計(jì)

系統(tǒng)上位機(jī)通過(guò)凌華（PCI-6208+6216）數(shù)據(jù)采集卡采集+5 V、±15 V在負(fù)載情況下的實(shí)時(shí)電壓和電流參數(shù)值。

上位機(jī)程序?yàn)椋?/p>

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

產(chǎn)品測(cè)試時(shí)先進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)值校準(zhǔn)，即連接功率電阻，并使輸出電流為1 A，通過(guò)調(diào)整RV1～RV3值以及程序中設(shè)定參數(shù)值，使LCD顯示值調(diào)節(jié)到±15.00 V和+5 V左右。后通過(guò)對(duì)電路給定負(fù)載使輸出電流從0 A～2 A從變化的過(guò)程用采樣測(cè)試20點(diǎn)電壓（見(jiàn)圖8），每一個(gè)測(cè)試點(diǎn)誤差均小于1%，由測(cè)試結(jié)果可知，轉(zhuǎn)換精度、電壓穩(wěn)定度等參數(shù)均達(dá)到設(shè)計(jì)要求，證明了設(shè)計(jì)電路的正確性、合理性和實(shí)用性。

圖8 電源采樣測(cè)試曲線Fig.8 Power sampling test curve

5 結(jié)束語(yǔ)

本文利用單片機(jī)（C8051F005）及高性能信號(hào)處理電路搭建高精度多通道數(shù)據(jù)采集模塊，設(shè)計(jì)了一款高精度線性電源，經(jīng)產(chǎn)品性能測(cè)試與應(yīng)用，表明所設(shè)計(jì)的電源精度高，運(yùn)行可靠，滿足航天測(cè)控電源要求。