简易数控直流电源设计

简易数控直流电源设计

摘要：本系统以串联负反馈稳压电路为核心，MSP430F1611单片机为主控制器，通过键盘向单片机输入不同指令，运用其片内的D/A转换芯片，设置步进0.1V，整个系统的供电部分由三端稳压器7815和7915实现，通过电压放大、功率放大和滤波电路，实现输出电压0~9.9V，并通过单片机的A/D采样模块，由LCD1602显示输出电压的预置值和测量值，并对比误差，电压值经12位D/A转换输出模拟量，在输出电压端采样并通过比较器判断高低电平，经单片机分析处理，实时动态控制其输出电压，形成一个闭环形式的控制系统，使输出电压更加稳定。

关键字：直流电源串联负反馈 D/A转换步进单片机

1系统方案选择和论证

1.1 数控部分方案

方案一：主要由数字电路构成，要完成键盘控制，电压控制字输出、液晶显示、电流过流时的软件保护及报警功能。要实现输出电压0~9.9V，步进0.1V，需要99个控制字，TI公司的MSP430F1611型单片机即包含12位D/A转换芯片，故能满足设计要求，同时能极大简化外围电路，增强数控电源的稳定性并且减小系统误差，且MSP430单片机具备超低功耗的优点，输出电压显示部分则采用LCD1602。

方案二：由8051单片机做主控制芯片，由于其内部没有集成D/A转换模块，需外加D/A转换电路，使用DAC0832这款芯片。DAC0832是8位D/A转换集成芯片。与微处理器完全兼容。且具备价格低廉、接口简单、转换控制容易等优点。

二者相比，方案一成本更低，精度更高，外围电路简单，故本系统采用方案一。

1.2稳压输出部分方案

方案一：采用典型的串联直流稳压电源。电路由调整环节、基准电压、反馈网络、比较放大等部分构成。其工作原理是由反馈网络取出输出电压的一部分送至比较放大器与基准电压进行比较，比较的差值经比较放大器放大后送到调整环节，使调整环节产生相反的变化来抵消输出电压的改变，从而维持输出电压的稳定。

方案二：采用三端集成稳压器的应用电路。将稳压器与电压跟随器相接，与取样电阻隔离，通过调节采样电阻中的滑动变阻器来调节输出电压范围。

方案选择：方案一的优点为稳定性高，纹波小，可靠性高，具有多路输出、连续可调的特点；方案二结构简单，且具有良好的负载特性，但要扩展电压种类会带来不便，一般情况下，输出矩形波中含有直流分量，如输出加耦合电容又会影响波形参数，故选择方案一。

1.3供电部分方案

供电部分由220V、50Hz交流电经过降压、整流、滤波、稳压，输出整个系统所需的+15V、-15V和+5V。+5V主要供数控部分使用。

1.4系统总体框图

系统总体结构框图如图1所示，整个系统硬件主要分为供电部分、数控部分、稳压输出部分。供电部分包括220V市电降压、整流、滤波、稳压输出；数控部分由单片机组成，实现数模转换、稳压控制、参数测量和显示、过流报警功能。稳压部分由稳压输出电路、电压采样负反馈回路、过流保护电路组成。

+15V -15V +5V 图1 系统总体框图

2 理论分析和计算

2.1 数控部分

数控部分用MSP430单片机作为主控制体，包括键盘控制输入电压、液晶显示和报警信号的触发，通过中断方式查询各个口线是否有键按下，使用软件延时去抖，电压输出值则由液晶显示。MSP430单片机内部包含12位DAC 模块，可以将数字量转化为模拟量输出，选择内部 2.5V 基准电压，电压输出范围为0~9.9V ，步进为0.1V ，共有100种状态。当步进0.1V 时，单片机DAC 输出的电压变化量为 0.1/4.260.0235U V V ∆== (4.26为电压放大倍数)

则电压控制字变化量为 0.023540964096382.5 2.5U V

N V V ∆∆=⨯=⨯=

最大电压控制字为 max 9.9=409638084.26 2.5V

N V

⨯=⨯

2.2 稳压输出部分

D/A 转换部分输出的电压作为稳压部分的参考电压，稳压输出电路的电压与参考电压成正比，范围是0~9.9V ,负载能力大于500mA ，纹波小于10mV 。稳压输出电路采用串联反馈稳压电路，如图2。电路主要由运放U1A 和三极管Q1、Q2构成。考虑到MSP430F1611单片机内部D/A 模块输出电压较低，最高只有2.5V ,故将D/A 转换部分的输出电压经过运放OP07CP 的放大后送入运放U1A 的同相端。稳压电源的输出经R15、R14、R2和R3组成的取样电路经分压后送到运放U1B 的反向端，经运放比较放大后，驱动由Q1和Q2组成的复合调整管，达到稳定电压的作用。电路平衡时。U2输出的电压V1与取样电压V2相等，R15用20kΩ的滑动变组器，R14=180Ω，R2=180Ω，R3=430Ω,取R15=510Ω，R5=2kΩ，则

5

1(1)VIN 27

IN R V V R =+=

215142323

OUT R R R R V V R R +++=+

12V V =

151423510180180430

11 2.131=4.2623180430

OUT IN R R R R V V V V V R R ++++++=

==++

适当调节滑动变阻器的阻值，使输出电压达到10V 以上，之后可以通过电压控制字来调节输出电压值，以实现步进的功能。

图2 稳压输出部分电路图

电源输出为500mA ，电源调整管基极电流较大，故将调整管接成复合管。保护电路由U1B 和R10组成，当电源输出电流I 增加到最大值M I 时，R8上的压降增大使Q3管导通，分掉了复合管的基极电流，是输出I 不再增加。电路中M I 定为600mA ，Q3的导通压降约为0.6V ,则R10=0.6 V/600mA=1.0A 。过流时的中断申请由运放U1B 产生。过流发生时，稳压源输出经取样后得到的电压V2低于输入电压V1，U1A 输出正向饱和，使U3B 反相电位升高，U3B 输出低电平，产生中断申请信号。 2.3 供电部分

+15V 作为运放的正电源，同时也是稳压输出的主电源，-15V 作为运放的负电源同时也给基准电压源供电。这部分电路如图3。