简易数控直流电压源(1)

1.题目：简易数控直流电压源
2.原理：
2.1 系统框图及说明
本系统由单片机输出经数模转换后得到错误!未找到引用源。

=0～4.095V的电压控制信号，此电压信号经LM358集成运放放大为0～10V后作为开关电源PWM电路的基准信号。

改变单片机输出信号，使错误!未找到引用源。

在0～30V之间变化（错误!未找到引用源。

）。

PWM电路是由TL494组及一些外围器件组成，它由2脚输入基准信号，其最终电压输出将随基准电压同步变化，从而达到输出电压由单片机控制的目的。

此外电路中还用采样电路将输出电压值通过模数转换返回到单片机，电压预设值和实际输出值都会通过液晶12864显示出来。

键盘采用4*4矩阵键盘，设置了0到9十个数字。

系统框图如图1所示。

图1 系统框图
2.2系统的硬件设计
2.2.1 开关稳压电源原理
电路可以直接从电网整流供电，其自身功耗小、体积小、重量轻，适用于大功率且负载固定的场合。

开关控制方式采用PWM，基准电压电路输出稳定的电压，取样电压与基准电压之差经放大器放大后，作为电压比较器的阈值电压，三角波发生电路的输出电压与之相比得到控制信号，控制开关管的工作状态。

此电路中开关管工作在非线性区，当PWM控制信号为高电平时，开关管饱和导通，续流二极管D因承受反压而截止，整流滤波后的电压直接通过蓄能电感作用在后级电路，此时电感L存储能量，电容C充电。

当开关管截止时，蓄能电感放电起续流作用，与此同时C放电，负载电流方向不变。

当电压降低到设定值时通过与基准比较后把差值放大与494内部锯齿波比较，当锯齿波幅比差值信号大时开关管开通，如此循环。

开关电源通过改变PWM占空比来使输出电压稳定。

电路原理图如图2所示。

图2 开关稳压电源原理图
2.2.2 PWM 控制电路
本电路由核心芯片TL494作控制的单端PWM 降压型开关稳压电路。

TL494内部结构如图3所示，它是一种固定频率脉宽调制电路，它包含了开关电源控制所需的全部功能。

内置了线性锯齿波振荡器，振荡频率可通过外部的一个电阻和一个电容进行调节，其振荡频率如下：
T
T C R f *1
.1
TL494输出脉冲的宽度是通过电容C T 上的正极性锯齿波电压与另外两个控制信号进行比较来实现。

功率输出管Q1 和Q2 受控于或非门。

当双稳态触发器的时钟信号为低电平时才会被选通，即只有在锯齿波电压大于控制信号期间才会被选通。

当控制信号增大，输出脉冲的宽度将减小。

控制信号由集成电路外部输入，一路送至死区时间比较器，一路送往误差放大器的输入端。

通过调整死区比较器输入端的电压（0—3.3V ）可改变脉冲的输出占空比。

图3 TL494内部结构图
脉冲宽度调制比较器为误差放大器调节输出脉宽提供了一个手段：当反馈电压从0.5V 变化到3.5 时，输出的脉冲宽度从被死区确定的最大导通百分比时间中下降到零。

两个误差放大器具有从-0.3V 到（Vcc-2.0）的共模输入范围，这可能从电源的输出电压和电流察觉得到。

误差放大器的输出端常处于高电平，它与脉冲宽度调制器的反相输入端进行“或”
运算，正是这种电路结构，放大器只需最小的输出即可支配控制回路。

将Q1 和Q2 并联使用，需将输出模式控制脚接地以关闭双稳态触发器，使输出的脉冲频率等于振荡器的频率。

2.2.3 开关电源主电路
如图4所示，U1为LM317三端可调稳压器，它的输出电压为固定值36V ，为芯片TL494提供工作电压，同时也为产生基准信号的运算放大器LM358提供工作电压30V
图4 开关可调电压源主体电路
（1）整流滤波电路
采用可承受大电流和耐高压冲击的BR104的桥堆进行桥式整流，整流后经电容滤波输出，电容采用63v/10000uF 的电解电容。

整流滤波后v =1.2×40v=48v 。

（2）调整管的选择及参数计算
11脚和8脚
图5 复合管构成开关管
如图5所示。

这里选用三极管2SC3320和场效应管IRFP9240组成复合管来做为开关管。

I 。

=3A ，则要求Ice>3A ，设推动管Q 1的 β=3，则I B =β0I ≈1.0A ，而TL494内部驱动管最
大电流为500mA （并联后），因此考虑用一个大功率高频开关场效应管与其复合。

Q 2的VGS （th ）=－10v ，IDS=－12A ，R 4为Q2的偏置电阻，R 6为限流电阻。

令R6=150Ω，则算得R4=47Ω。

所以，此时对于R4上的功率:
P1=4
2
4R U R ≈2.8w
R 6上的功率: P2≈6
26
R U R ≈10.0w
又最大占空比η为9400，所以R4采用p '1>1p η=2.5W ，R 6采用p 2'
>2p η=9.4W 的电阻。

在恒定频率的PWM 通断中，控制开关管通断状态的控制信号由TL494的11脚和8脚输出。

(3) 储能电感和回路二极管
储能电感用可承受大电流的铁氧体高频环型电感；回路二极管要用大功率硝特基高频二极管。

注意问题：Q1、Q2开关管和回路二极管都应加装散热片。

纹波抑制方面：在稳压电源输出端并上大电容（10000uF ）,经过实测，在大功率输出时纹波得到了有效的抑制。

在续流二极管两端并联一个电容C6和一个电阻R9可抑制电源关断时所产生的尖峰电压。

3.2.4 同相比例放大组成的基准电压信号电路
图6所示LM358为集成运放，由它组成同相比例运算电路，放大关系式如下：
I f U R
）（R 1U 0+
=
图中R14等于1K 欧姆，R13为电位器，在这里将其调到5.1K 欧姆。

由LTC1456数模转换输出电压为0～4.095V ，经同相比例运算电路放大2.44倍。

LM358输出信号为0～10V 可调。

把此基准信号Ui 接入TL494的2号管脚，实现对错误!未找到引用源。

的控制。

接
图6 数控0~30V 可调信号Ui 电路
2.25键盘接口电路
采用常见单路复位开关，做成4*4矩阵键盘，用动态扫描方式读取外部按键动作，这样设计可靠，配合AT89S52单片机，可以很轻松的实现按键输入 。

键盘电路图：
图7 键盘接口电路
2.2.6 D/A和A/D模块
（1）LTC1456是低功耗的12位串行口数/模转换芯片，Vcc在4.5V-~5.5V之间能正常工作。

输入的数字量为0x0000到0x0FFF；输出电压为0～4.095V，LSB=4.095V/4095=1mv，MSB=4095mv。

通过对LTC1456的控制，使模拟量的输出发生变化，经过运算放大器放大后控制最终的电源输出。

当片选信号选通时，随着时钟信号的上升沿，数据被按照从高到低的顺序送到LTC1456的Din中进行转换。

而通过Dout可以把输入到LTC1456中的数据以此显示出来。

LTC1456时序图如图8所示：
图8 LTC1456时序图
（2）ADS7816是低功耗的12位串行口模/数转换芯片，在参考电压Vref稳定时，LSB=Vref/4096，MSB=Vref，根据这个关系，可以将输出的电压转换成数据量与控制端进行相比较，从而达到实时监控的目的。

转换芯片在前2个时钟周期对反馈信号进行采样，然后随后的12个时钟周期将转换数据依次按照从高到低的顺序从Dout送到单片机对应的口里面。

ADS7816时序图如图9所示：
. 图9 ADS7816时序图
2.2.7 单片机控制数/模和模/数转换电路
如图10所示，主控制电路采用AT89S52单片机。

一方面由键盘输入预设电压值，MCU 根据程序设定输出相应的信号经数/模转换后输出一定的电压信号，再经一定的放大处理后控制开关电源PWM 电路模块的工作。

另一方面根据模/数转换芯片接收到的采样开关电源的电压值，来显示实际输出电压值。

此外由一个4*4的键盘作为人机交换通道，它设置了0～9十个数字键，可以直接输入想预设的任意电压值（每次键入三个键值，输入电压值精确到十分位）。

VCC
5V VCC 5V
U6
8052
P1B0T2
P1B1T2EX P1B2P1B3P1B4P1B5MOSI P1B6MISO P1B7SCK RST P3B0RXD P3B1TXD P3B4T0P3B5T1XTAL2XTAL1GND
P2B0A8
P2B1A9P2B2A10P2B3A11P2B4A12P2B5A13P2B6A14P2B7A15P0B7AD7P0B6AD6P0B5AD5P0B4AD4P0B3AD3P0B2AD2P0B1AD1P0B0AD0VCC P3B2INT0P3B3INT1P3B6WR P3B7RD PSEN ALEPROG EAVPP U7LTC1456
12345
678U8ADS7816
12345
678GND
C121uF
C13
22uF C14
22uF
R15
10¦¸LTC1456
转换信号
接反馈电路的反馈电压
AT89S52
液晶显示
键盘
1
图10 单片机控制数/模和模/数转换电路
2.3.系统的软件设计 2.3.1 主程序流程图
程序流程图如图11所示。

图11 程序流程图
图12 显示输入转换流程图图13 中断流程图
2.4系统功能测试及其整体指标
LM358是一个可单/双电源供电的集成运放，在使用时一定要注意集成运放输出饱和电压值约为电源电压的90%左右。

在实际制作这程中因为忽略了此问题，造成了一定的错误。

本系统中选用LM358制作放大电路，最好是采用双电源集成运放，这样可以消除偏置电流带来的误差。

电压可调范围0—30V，电流可调范围0—2.5A。

（1）电压调整率测试：将交流调压变压器输出端接稳压电源输入端，将稳压电源输出电压调至30V，调节交流调压变压器，使其输出从165V变化至265V，用数字万用表测量稳压电源输出端电压（I0=2.5A），测得最大电压变化量为0.2V，计算得电压调整率为
0.67%。

（2）负载调整率的测试：空载时将输出电压调至30V，在负载端接入300欧姆/200W的变阻器，将变阻器从12欧姆调至100欧姆，用数字万用表监视输出电压的变化，测得最大电压变化量0.4V，因此负载调整率为1.33%。

（3）纹波电压测试：将电压输出调至30V，外接12欧姆大功率变阻器，将示波器置于AC/0.1V 输入档，测得负载上纹波电压为400mV。

（4）DC\DC转换效率测试：将电压输出调至30V，外接12欧姆/200W变阻器，测得DC\DC 输入电压为41.1V，输入电流为2.25A，输出电压为29.6V输出电流是2.47A，所以DC\DC 转换效率 =（2.47x29.6）/（2.25×41.1）×100% 79.06%。

（5）过流保护功能测试（限流）：将电压调至30V，限流电位器旋到最大值（顺时针方向），再将输出端短路，测得电流3.5A，然后逆时针旋转，电流从最大变到零。

说明限流功能正常。

（6）附加说明：本作品最大输出功率75W。

此外如果想扩大输出电流，依照本作品所用的开关管，理论上可达10A.若反馈电阻还是用0.1欧姆（注意电阻的功率也要加大，电阻消耗功率= xR），此时在反馈电阻上的压降为错误!未找到引用源。

=100.1=1V。

又错误!未找到引用源。

=5.0（R8/（R7+R8）），设定R7=5K，代入可解得R8=1.25K这样就可以实现电流从0-10A可调，若最大值想改成其他的，可按照上面的方法做。

但前提是变压器的输入功率要足够大，建议变压器的最大输入功率是DC\DC最大输出功率的 1.3倍以上。

此电路的最大输出功率是75W，那么变压器的最大输入功率为75Wx1.3=97.5W。

2.5.总体方案设计与论证
方案一：用VDAC数模转换芯片，用一个稳定的参考电压源作参考，然后通过拨码开关控制VDAC芯片输出相应的模拟量，再经过放大输出。

此方案简单，但灵活性、智能性不够高。

方案二：采用AT89S52做单片机控制器，结合ADC0809、DAC0832，输出参考电压，再经过放大输出。

此方案行之有效，但精度达不到要求。

方案三：采用AT89S52做单片机控制器，时钟频率可达24MHz，外扩12位DA和AD转
换，输出参考电压信号，以达到输出电压的精度。

PWM电路由TL494组及一些外围器件组成。

由矩阵键盘输入三位键值，电压预设值和实际输出值都会通过液晶12864显示。

系统框图如图1所示。

综合比较以上三种方案，我们选用方案三。

2.6结语
由于采用了矩阵键盘，可以直接输入想要预设的电压值，它优于步进输入方式(本程序设计预设电压值精确到十分位)。

在续流二极管两端并联一个电容C6和一个电阻R9可抑制电源关断时所产生的尖峰电压,起到保护电路的作用。

电路结构简单且所采用电子元件均是常用的，使电路实现更具有可行性。

电压可调范围0—30V，最大输出功率75W。

主要适用于对输出电流和输出功率要求大，但对电压调整率和负载调整率不是很高的电子设备。

进一步改进还可以提高精度和输出功率，增加电流显示等等。

3 器材
元件名称元件名称元件名称元件名称
TL494 1mH电感OP07 精密电位器
LM317 肖特基二极管排阻12864液晶
LM7805 各种IC座12M晶振2SC3320
桥堆环形变压器按键开关IRFP9240
散热片AT89S52
导线若干
44矩阵键盘
多种电阻ADS7816 8线排线万能电路板
多种电容LTC1456 8针排座
4、高精度数控直流电压源使用说明书
电源参数：
220V AC，±20%，50-60Hz
使用之前请先插上电源
4*4键盘操作说明:
0--9：为数字键盘区，用于输入数值和选择子菜单
操作过程：
开机进入开机画面：
按设置键进入初值设置界面：如果输入的键值在0V-30V之间显示，则按照键入值输出，若超出范围，屏幕提示“OVER POWER LOW POWER”,超过30V，则按30V输出
参考文献：
[1] 童诗白、华成英.模拟电子技术基础[M].高等教育出版社,2001.01
[2] 卢超.负反馈放大电路的仿真分析[J].代电子技术.2005.
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[4] 王昊、李昕.集成运放应用电路设计360例[M].电子工业出版社.2007.07
[5] 郭天祥.51单片机C语言教程[M]. 电子工业出版社.2009.03
附录A：总电路图。