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1、 基于FPGA的程控稳压电源设计 学院名称： 专 业： 班 级： 姓 名： 指导教师姓名： 指导教师职称： 2012年 6 月 江苏技术师范学院毕业设计说明书（论文）基于FPGA的程控稳压电源设计摘 要：直流稳压源是一种常见的电子仪器，其广泛应用于实验教学和科学研究等领域。本设计提出了一个基于FPGA的程控稳压电源的方案。通过按键向FPGA输入信号，FPGA得到“十位”和“各位”计数脉冲信号，通过计数器模块计数，内部计数器的信号一路送给外部显示电路来显示当前的电压值，另一路经过D/A转换器（DAC0832）输出模拟量，再经过运算放大器隔离放大，控制输出功率管的基极，随着功率管基极电压的变化而输
2、出不同的电压，同时实现双路输出。实际测试结果表明，本系统具有易调节，高可靠性，操作方便，电压稳定度高，其输出电压采用了数字显示的特点。关键词：直流稳压电源；程控电源；FPGA；VHDLIIThe program-controlled power supply design based on FPGAAbstract:DC source is a kind of common electronic instrument, it is widely applied in the experimental teaching and scientific research. This project
3、is to design a FPGA based programmable power supply. The key to the system through the FPGA input signal, FPGA is ten and you counting pulse signal, the counter module count, internal counter signal path to an external display circuit to display the current voltage value, via a D/A converter ( DAC08
4、32) output analog quantity, then pass through an operational amplifier isolation amplifier, to control the output power pipe base, with the power transistor base-emitter voltage change and different voltage output, while achieving dual output. The actual test results show that, the system has easy a
5、djustment, high reliability, convenient operation, high voltage stability, the output voltage by the digital display characteristics.Keywords: DC power supply；programmable power supply; FPGA; VHDL目 录前言1第1章 程控直流稳压电源设计原理21.1直流稳压电源基本原理21.2程控电源的基本原理41.3基于FPGA的电源的基本原理6第2章 硬件电路设计72.1按键电路72.2显示电路72.3 DAC08
6、32转换电路82.4 FPGA电路92.4.1供电电源部分92.4.2 I/O电压、内核电压供电连接部分92.4.3 时钟信号部分102.4.4 EP2C5T144芯片部分102.4.5 配置芯片部分11第3章 系统软件设计123.1系统软件整体设计123.2软件模块设计123.2.1分频器模块设计123.2.2键盘输入模块设计153.2.3 100进制计数器模块设计173.2.4 数据选择器模块设计193.3.5位码选择器模块设计203.2.6驱动共阴极数码管七段译码器模块设计213.2.6二-十进制译码器模块设计223.2.7层次化设计23第4章 系统运行与调试274.1系统运行过程274
7、.2测试结果30结束语33参考文献34致 谢36附录1 硬件实物图37附录2 硬件电路图38附录3 元器件清单40附录4 程序代码41江苏技术师范学院毕业说明书（论文）前言电源技术尤其是数控电源技术是一门实践性很强的工程技术，被广泛的应用于电子产品生产线、实验室、工业控制和信息通讯等领域。当今电源技术融合了电气、电子、系统集成、控制理论、材料等诸多学科领域。计算机和通讯技术发展而来的现代信息技术革命，给电源技术提供了广阔的发展前景，同时也给电源提出了更高的要求1。随着科学技术飞速发展,对电源可靠性、输出精度和稳定性要求越来越高, 从传统应用中小规模芯片构造电路系统到广泛地应用单片机2,到今天D
8、SP及FPGA在系统设计中的应用,电子设计技术已迈入了一个全新阶段。FPGA不仅具有容量大,逻辑功能强的特点,而且兼有高速、高可靠性。随着EDA技术的发展和VLSI工艺技术的进步,特别是软/硬件IP芯核产业的迅猛发展,可编程片上系统(SOPC)己经大量使用3。目前产生直流稳压电源的方法大致分为两种:一种是模拟方法，另一种是数字方法。前者的电路均采用模拟电路控制，而后者则是通过数字电路进行自动控制4。直流稳压电源朝着数字化方向发展。因此对于程控稳压电源的研究是必要的5。本文介绍了一种基于FPGA的程控直流稳压电源，它以直流电压源为核心，FPGA为主控制器，通过键盘来设置直流电源的输出电压，设置步
9、进等级可达0.1V，输出电压范围为09.9V，同时实现双路输出。FPGA输出信号送给D/A转换，D/A转换电路将数字量按比例，转换成模拟电压，再经过调整，从而输出稳定的直流电压6。本文共分为四章，第一章是程控直流稳压电源的原理，其中分三个小节分别对稳压电源；程控电源；基于FPGA的程控稳压电源的原理做了介绍，第二章是硬件电路的设计，介绍了四个电路模块，第三章是系统的软件设计，分六个模块进行了介绍，最后一章是调试过程和数据记录表格以及结果分析。第37页 共43页第1章 程控直流稳压电源设计原理1.1直流稳压电源基本原理直流稳压电源又称直流稳压器。它的供电电压大都是交流电压，当交流供电电压的电压或
10、输出负载电阻变化时，稳压器的直接输出电压都能保持稳定。稳压器的参数有电压稳定度、纹波系数和响应速度等。前者表示输入电压的变化对输出电压的影响。纹波系数表示在额定工作情况下，输出电压中交流分量的大小；后者表示输入电压或负载急剧变化时，电压回到正常值所需时间。直流稳压电源分连续导电式与开关式两类。前者由工频变压器把单相或三相交流电压变到适当值，然后经整流、滤波，获得不稳定的直流电源，再经稳压电路得到稳定电压(或电流)。这种电源线路简单、纹波小、相互干扰小，但体积大、耗材多，效率低(常低于40%60%)。后者以改变调整元件(或开关)的通断时间比来调节输出电压，从而达到稳压。这类电源功耗小，效率可达8
11、5%左右，但缺点是纹波大、相互干扰大。所以，80年代以来发展迅速7。直流稳压电源是先把交流电变为脉动的直流电，再通过滤波电路、稳压电路，使输出直流电压维持稳定。直流稳压电源一般包括以下几部分:(1) 电源变压器将电网供给的交流电压变换为符合整流电路需要的交流电压；(2) 整流电路将变压器次级交流电压变换为单向脉动的直流电压；(3) 滤波电路将脉动的直流电压变换为平滑的直流电压；(4) 稳压电路使直流输出电压稳定。本设计共用到电源有四种：即12V、+5V、负载电源。可选用的有开关电源和稳压电源两种，由于开关电源的纹波系数比较大。因此采用常用的稳压电源来作为整个系统的电源。稳压电源由电源变压器、整
12、流电路、滤波电路和稳压电路组成，如图1-1所示。（a）（b）图1-1 稳压电源框图及波形图整流和滤波电路：整流作用是将交流电压U2变换成脉动电压U3。滤波电路一般由电容组成，其作用是脉动电压U3中的大部分纹波加以滤除，以得到较平滑的直流电压U4。再通过稳压电路得到平直的直流电压8。直流稳压电源电路图如图1-2所示9。图1-2 直流稳压电源电路图电源变压器次级电压为 = （1-1） 定义为整流输出电压在一个周期内的平均值，即的直流分量，把输出电压用傅里叶级数分解得到的直流分量就是。所以 (1-2)调整管工作在线性放大区，当电网电压或负载电阻发生变化使输出电压发生变化时，系统的负载作用将使输出电压
13、维持稳定。例如，当电网电压（用输入直流电压表示）升高或负载电阻增加引起输出电压高于设定值时，反馈电压就会相应地增加，基准电压与反馈电压的差值就会相应的减小，经误差放大器放大后的控制电压随之而减小，由于调整管接成射极输出器形式，因此，调整管集电极与发射极之间的电压增大，是输出直流电压减小，从而维持输出电压保持不变10。1.2 程控电源的基本原理程控电源指通过外部控制来设定输出电压、输出电流的稳压、稳流或稳压稳流的电源。程控电源的控制方式一般有无源编程、有源编程、数字式三种。用外部电阻对稳压电源实施无源编程的电路如图1-3所示。图1-3 无源编程电路因为 (1-3)式中 就是电流通路中放大器的基准电压，所以，改变反馈电阻或输人电阻，或者同时改变和都可改变输出值，此即所谓的无源编程法。有源编程电路如图1-2所示。图1-3有源编程电路控制系数是程控电源的一项主要技术指标。对用制系数是产生单位电压变化所要求的电阻变化，单位为V。因此，电源的输出电压为 （1-4） 式中为编程电阻。为了获得比较高的输出电压分辨率，控制系数常选用
