数控直流稳压电源设计方案-论文

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1、数控直流稳压电源设计方案-论文 数控直流稳压电源设计方案 目 录 简易数控直流电源设计(摘要) 3 1系统方案选择和论证 4 2主要单元电路设计概述 8 3系统的软件设述 12 4系统测试及数据 13 5结论 16 附录1 6 结 束 语 34 参考文献 35 简易数控直流电源设计 【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

2、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。【关键字】管理数控直流稳压源 DAC0832 运算放大器CA3140 精密基准源LM336-5.0 诺基亚3310手机液晶 AVR 单片机Atmega81 系统方案选择和论证 11 题目要求 111 基本要求 1) 输出电压：范围5V5V，步进0.1V， 纹波10mV。 2) 输出电压可预置在5V5V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 。 112

3、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10mA100mA 可调。 5） 其他 113 说明项 目 满分 基本要求 设计与总结报告：方案比较、 设计与论证，理论分析与计算， 电路图及 有关设计文件，测试方法与仪器， 测试数据及测试结果分析。 50实际制作完成情况。 50 发挥部分 完成第（1）项 10完成第（2）项 10完成第（3）项 10完成第（4）项 10完成第（5）项 10 12 系统基本方案 根据题目要求，系统可

4、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。 121 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，如图1.2所示。图11图1.2 优点：该方案结构简单

5、，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02.5V 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

6、，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。774 数控直流稳压电源设计方案图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/

7、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 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- 10

8、V0V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。 2. 主要单元电路设计电源电路单元 该电路用了7805、7815和7905、7915制成了两组稳压直流电源电路分别得到15V 和5V的电源。 为了防止恒流源 电路中的较大电流对控制部分产生干扰，将控制 部分的电源和恒流源电路电源分成独立的两部分，分别由两组变压器供电，并且 ，在电源的输出极加上LC 滤波电路。通 过实际测量发现加LC 滤波器之前的纹波 高达5060mV ，但是通

9、过滤波之后，电压输出，有了明显的改善， 纹波只有10mV 左右了。人机接口部分的单元电路设计 按键键盘： LCD显示界面： 数模转换电路： DAC0832接口电路： 用单片机的P3 口来控制DAC0832 输出电压。 0832输出电路： DAC0832输出的电压通过两个CA3140的两级放大，从Vout1 和Vout2两路输出实现输出正负5V的电源。精密基准源： 用LM334和一个10K的可调变阻构成了一个精密5V基准电压，提高系统的精密 度。 纹波、尖峰干扰处理： 未加电源滤波器之前，从电源电路输出端测得的纹波有5060mV，当加了电源滤 波器之后，电源电路输出端的纹波只有68mV 了。在主

10、控板的电源输入端分别再 对15V 、5V加一级LC滤波，最后把纹波控制在6mV以下了。 主控电路保护二极管：二极管用以防止电流倒灌，防止烧坏电源。 数控直流稳压电源设计方案 功率放大驱动电路 上图是由OP放大器与推挽射极跟随器相组合的电路。因为使用将NPN与PNP晶 体管的共同连接的推挽射极跟随器，该电路在输出端不取电流时，发射极无电流 流动，所以电路的效率非常高。这是该电路的一大特点。没有反馈回路时，推挽 射极跟随器的开关失真很大，假如反馈后，开关失真 变小，但仍然存在。 为了解 决这个问题我们加入了偏置电路，由于在各自的晶体管上加两个二级管的VF 电压（1.2V ），所以在发射极 电阻上分

11、别加一个PN节的电压（0.6V ）。 该电压用 发射极设定电流（零点几至数毫安）来除就求出发射极电阻。 在偏置电路里流动的电流，是由比晶体管基极电流大得多的值来决定的，但若太 大，则OP放大器就不能驱动 偏置电路，所以 设定该电流在1mA以下是比较妥善的 。 3系统的软件设计 31 程序流程图 4系统测试及数据分析 41 测试仪器与设备 测试使用的仪器如表4.1.1所示。 表4.1.1测试所使用的仪器设备 序号 名称、型号、规格 数量 备注 1 稳压电源 1台 提供正负15V的直流输入 2 PC 机 1台 软件调试、仿真 3 烙铁等焊接工具 1套 硬件的焊接与调试 4 示波器 1台 观察纹波

12、5 数码相机 1台 记录图形数据 42 指标测试 1、 输出电压：范围5V5V，步 进0.1V，纹波6mV。初始状态时，可以通过4 个按键输入5.0V5.0V之间的任意电压值，并实时显示。显示值与实际测量 值同步，且在5.0V5.0V之间的调节过程中最大误差为0.03V ； 2、 输出电压可预置在5V 5V 之间的任意一个值，并且设有电压步进0.1V 的 增减键，实时可调，有自动扫描代替人工按键功能，步进0.1V ； 3、 输出电流500mA ；4、 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）; 输出电压/ 输出电流特性： 分析：上图表示的是输出电压与输

13、出电流的曲线图（输出电压在无负载时，已调 整到5.00V）。 在500mA输出电流流动时，输出电压为4.94，要比此 时无负载电压5.00V低0.06V （ 1.2%）。因此 对电源的等效输出电阻进行计算为0.12（0.06V/500mA）由于射极跟随器的输出阻抗为数欧，可以知道，加上负反馈之后大大减小了电源 的输出阻抗。 5、 线性度：（数据分析） 给定电压 5.0 4.9 4.8 4.7 4.6 4.5 4.4 4.3 4.2 4.1 4.0 3.9 3.8 实测电压 5.00 4.91 4.8 4.69 4.60 4.51 4.40 4.29 4.20 4.11 4.02 3.93 3.

14、82 给定电压 3.7 3.6 3.5 3.4 3.3 3.2 3.1 3.0 2.9 2.8 2.7 2.6 2.5 实测电压 3.70 3.59 3.48 3.37 3.29 3.20 3.10 3.00 2.89 2.78 2.68 2.59 2.50 给定电压 2.4 2.3 2.2 2.1 2.0 1.9 1.8 1.7 1.6 1.5 1.4 1.3 1.2 实测电压 2.40 2.31 2.22 2.09 2.01 1.91 1.82 1.73 1.62 1.51 1.40 1.31 1.22 给定电压 1.1 1.0 0.9 0.8 0.7 0.6 0.5 0.4 0.3 0.

15、2 0.1 0.0 -0.1 实测电压 1.09 0.99 0.91 0.80 0.71 0.61 0.50 0.39 0.30 0.22 0.10 0.01 -0.11 给定电压 -0.2 -0.3 -0.4 -0.5 -0.6 -0.7 -0.8 -0.9 -1.0 -1.1 -1.2 -1.3 -1.4 实测电压 -0.21 -0.32 -0.41 -0.50 -0.59 -0.70 -0.79 -0.87 -0.99 -1.10 -1.19 -1.30 -1.41 给定电压 -1.5 -1.6 -1.7 -1.8 -1.9 -2.0 -2.1 -2.2 -2.3 -2.4 -2.5 -2.6 -2.7 -实测电压 -1.52 -1.63 -1.72 -1.81 -1.90 -2.01 -2.11 -2.20 -2.31 -2.39 -2.50 -2.59 - 2.71 给定电压 -2.8 -