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C题：简易数控直流电源

一、任务

设计并制作具有一定输出电压范围和功能的数控直流电源。

二、要求

1.基本要求

1)输出电压：范围－5V～＋5V，步进0.1V，纹波≤10mV。

2)输出电压可预置在－5V～＋5V之间的任意一个值。

3)输出电流≥500mA。

4)数字显示输出电压值和电流值。

5)为实现上述几部件工作，自制稳压直流电源，输出±15V，＋5V。

2.发挥部分

1)用自动扫描代替人工按键，实现输出电压变化（步进0.1V不变）。

2)增加输出电流至1.5A。

3)输出电压调整率≤0.5%（输入电压220V变化范围＋15%～－20%下，空载到

满载）。

4)输出电流10mA～100mA可调。

5)其他

三、评分意见

数据分析

单位：V 负载电阻：50Ω/2W

简易数控直流电源（C题）

作者：胡泽志、黄晓岚、严军摘要：

该电源系统以ATMEGA8单片机为核心控制芯片，实现数控直流稳压电源功能的方案。设计采用8位精度的DA转换器DAC0832、精密基准源LM336-5.0、7805和两个CA3140运算放大器构成稳压源，实现了输出电压范围为－5V～+5V，电压步进0.1V的数控稳压电源，最大纹波只有6mV，具有较高的精度与稳定性。另外该方案只采用了3按键实现输出电压的方便设定，显示部分我们采用了诺基亚3310手机夜晶显示器来显示输出电压值和电流值。

关键词：数控直流稳压源 DAC0832 运算放大器CA3140 精密基准源LM336-5.0 诺基亚3310手机液晶A VR单片机Atmega8

1．系统方案选择和论证

1．1 题目要求

1．1．1 基本要求

6)输出电压：范围－5V～＋5V，步进0.1V，纹波≤10mV。

7)输出电压可预置在－5V～＋5V之间的任意一个值。

8)输出电流≤500mA。

9)数字显示输出电压值和电流值。

10)为实现上述几部件工作，自制稳压直流电源，输出±15V，＋5V。

1．1．2 发挥部分

1）用自动扫描代替人工按键，实现输出电压变化（步进0.1V不变）。

2）增加输出电流至1.5A。

3）输出电压调整率≤0.5%（输入电压220V变化范围＋15%～－20%下，空载到满载）。

4）输出电流10mA～100mA可调。

5）其他

1．1．3 说明

1．2 系统基本方案

根据题目要求，系统可以划分为输出部分，人机接口部分和直流稳压电源。其中输出部分是由D/A转换后再放大得到的，人机接口包括4个按键和液晶显示部分，直流稳压电源包括两组电源。

1．2．1 方案选择和论证

方案一: 三端稳压电源

采用可调三端稳压电源构成直流可调电源的电路如图1.1所示。怎样实现数控呢？我们把图 1.1中的可变电阻RP用数字电位器来代替，就能实现数控了。但由于三端稳压芯片LM317和LM337的输出电压不能从0V起调，输出公式：Vout=1.25×(1+R2/R1)。所以，可以采用在输出的地方加两个二级管，利用PN节的固有电压来实现从0V起调，如图1.2所示。

图1－1

图1.2

优点：该方案结构简单，使用方便，干扰和噪音小

缺点：数字电位器误差较大，控制精度不够高，误差电压较大。同时更重要的是几乎所有的数字电位器能够容忍的电流都在20mA以下。所以，这种方案就被否决了。

方案二：采用A/D和D/A

采用A/D和D/A构成直流电源的电路如图1.3和图1.4所示。采用单片机构成直流电源的电路如图1.3所示，利用AVR单片机自带的D/A口DAC0输出0－2.5V的电压，然后经一级反相放大器和跟随器，此时可以输出0到－5V电压。但是因为A/D变换器只能采集0到+2.56V的电压，所以再在跟随器后面加一级反相放大器器然后送回到A/D采样，MCU比较发现DAC0输出为正确电压时，则从跟随器后直接输出电压，这样就可以输出0到-5V的电压了。当需要正相电压时从DAC1口输出电压，这时就不需要反相，其它原理与DAC0相似。

图1.3

优点：精确度高，纹波小，效率和密度比较高，可靠性也不错。

缺点：电路相对复杂，AVR单片机的IO口不能容忍负电压，否则会被损坏。所以，这种方案也行不通。

方案三：采用数字电位器与运放到组合

如图1.4所示，在该方案中我们用两个数字电位器代替了MCU中的D/A，这样可以降低成本，同时简化电路，从两个串连的数字电位器可以直接输出-5V到+5V的电压同上面方案一样，当输出反相电压时在送电压回A/D采样时要先经过一次反相。但同样存在上面的问题。

图1.4

优点：电路结构更简单，降低了成本

缺点：因为数字电位器电阻误差大，且单片机的A/D口容易损坏。

方案三：采用7805构成直流电源

采用7805构成直流电源的电路如图1.5所示，改变RP阻值使7805的公共端的电压在0到－10V之间可调，则7805的输出端电压就可实现-5V－+5V之间可调了。这种方案是利用了7805的输出端与公共端的电压固定为+5的特性来设计的。但同样存在不好数控的问题。

图1.5

方案四方案三与方案四结合，然后再以+5V为参考输出

D/A转换器

8

Atmega8

电流-电

压转换

及放大

功率放大

7805

输出

+15V

+5V

放大

ADC0

键盘

显示

-10V~0V

如上图所示，采用数模转换器输出电流，经电压转换和反向放大之后得到-10V~0V的电压，把这个电压送到三端稳压器件7805的公共端，然后，再以+5V作为参考则输出的电压就能实现在-5V~+5V任意可调。采样时，是对地采样的，就省去了负电压不好采样的麻烦，这也是我们的创新之处。

1. 主要单元电路设计

电源电路单元