基于D/A轉換器的程控電源設計

　　引 言

　　在各種電子電路實(shí)驗中，電源是一種必不可少的儀器，目前實(shí)驗所用的電源大多是只有固定電壓輸出(例如常用的有： ±5V、±12V或±15V) ，其缺點(diǎn)是輸出電壓不可人為的改變，輸出精度和穩定性都不高：在測量上，傳統的電源一般采用指針式或數字式來(lái)顯示電壓或電流，搭配電位器調整所要的電壓及電流輸出值。 若要調整精確的電壓輸出，須搭配精確的顯示儀表監測：又因電位器的阻值特性非線(xiàn)性，在調整時(shí)，需要花費一定的時(shí)間，且會(huì )產(chǎn)生漂移，使得最終只好因陋就簡(jiǎn)。

　　隨著(zhù)科學(xué)技術(shù)飛速發(fā)展，對電源可靠性、輸出精度和穩定性要求越來(lái)越高，利用D/A 轉換器的高分辨率和單片機的自動(dòng)檢測技術(shù)設計程控電源就顯示出其優(yōu)越性。 程控電源既能方便輸入和選擇預設電壓值又具有較高精度和穩定性，而且還可程控實(shí)現對電源的可編程監控，如模擬電壓跌落、間斷或起伏等情況，即可編程電源也可以看作一種功率型的低頻信號發(fā)生器。 程控電源可以任意設定輸出電壓或電流，所有功能由面板上的鍵盤(pán)或通過(guò)RS-232C 串口連接的上位微機實(shí)現，給電路實(shí)驗帶來(lái)極大的方便，提高了工作效率。

　　工作原理

　　本電源以常規穩壓電源為基礎

　　電源，以高性能單片機和數模轉換器為控制電路，在控制和檢測軟件支持下，把預先給定值通過(guò)單片機的的輸出口送至相應的的D/A 轉換器轉換為相應的給定模擬電壓，以替代常規穩壓電源中的比較參考電壓，使輸出電壓或電流隨著(zhù)參考電壓的變化而變化，其原理如圖1 所示。 用戶(hù)可根據需要通過(guò)鍵盤(pán)設定穩壓電源的輸出值。

　　圖1 　程控電源框圖

　　系統硬件配置

　　程控電源整機框圖如圖2 所示，它主要由鍵盤(pán)、液晶顯示、單片微機系統、D/A 轉換電路、報警電路、檢測電路和直流穩壓電路等七部分組成。 根據需要，可擴展RS232 接口。

　　單片微機系統

　　單片機系統是程控電源的核心。 它通過(guò)軟件的運行來(lái)控制整個(gè)儀器的工作，從而完成設定的功能。 單片機系統以AT89C52為CPU ，它是由美國ATMEL 公司生產(chǎn)的低電壓、高性能8 位CMOS 單片機，片內含8K字節的FLASH或PEROM和256 字節的RAM，器件采用ATMEL 公司的高密度、非易失性存儲技術(shù)生產(chǎn)，與標準MCS-51 指令系統及8052產(chǎn)品引腳兼容。AT89C52 接收檢測電路的外部中斷信號，也接收來(lái)自鍵盤(pán)的信息，并對輸入的信息進(jìn)行處理，從而確定儀器原工作狀態(tài)及輸出電壓的大小。 此外，AT89C52 還能根據工作溫度自動(dòng)調節風(fēng)扇轉速，如果發(fā)生過(guò)熱現象，還能驅動(dòng)報警電路工作。

　　圖2 　整機系統框圖

　　D/A 轉換電路

　　D/A 轉換器采用12 位電壓輸出型、內置雙緩沖輸入鎖存器和齊納基準電源的MAX508，通過(guò)雙緩沖鎖存器實(shí)現與微處理器接口，數據輸入允許低8位和高4位分段右移輸入。 MAX508 提供的片內量程電阻可以外接產(chǎn)生雙極性輸出電壓范圍為±5V 或單極性輸出電壓范圍為0-5V、0-10V 的幾種輸出方式。 本電源中采用0-10V 的單極性輸方式，如圖3 所示。 此時(shí)ROFS 與AGND 相連，RFB 與VOUT相連，采用直接二進(jìn)制編碼。

　　圖3 　D/A 連接電源原理圖

　　智能型風(fēng)扇

　　系統在工作過(guò)程中如果溫度過(guò)高會(huì )使芯片燒壞，因此系統必須有散熱裝置，本電源系統采用散熱片和智能型風(fēng)扇。 智能型風(fēng)扇主要由MAX6660控制，它是一款遠端結溫傳感器和風(fēng)扇速度調節器，提供了完備的風(fēng)扇控制解決方案。 遠端溫度傳感器通常采用一個(gè)廉價(jià)且易安裝的2N3904 NPN 或2N3906 PNP。 該器件還包括一個(gè)閉環(huán)風(fēng)扇控制器，根據轉速計反饋來(lái)調節風(fēng)扇速度。MAX6660 將溫度風(fēng)扇門(mén)限溫度和增益設定相比較，兩者均可通過(guò)SMBus 由用戶(hù)編程。 其結果是實(shí)現與遠端結溫成正比的自動(dòng)風(fēng)扇控制。 可以在任何時(shí)候斷開(kāi)溫度反饋環(huán)，以便由系統控制風(fēng)扇速度。 風(fēng)扇速度是通過(guò)電壓控制的，與PWM控制相比，更加安靜和可靠。

　　保護電路

　　為了使程控電源能可靠、安全地工作，本系統設置多重監測和保護系統，主要包括軟啟動(dòng)電路、過(guò)溫保護、過(guò)壓保護、過(guò)流保護，其中過(guò)溫保護采用中斷方式控制。 本系統采用MAX6660 檢測電路中晶片的工作溫度，若溫度超過(guò)給定值，溫度傳感器調理器就給單片機中斷信號，單片機啟動(dòng)聲光報警，經(jīng)過(guò)一定時(shí)間切斷電壓輸出。

　　鍵盤(pán)和顯示

　　程控電源的鍵盤(pán)和顯示部分安裝在儀器的操作面板上，由16 個(gè)鍵和液晶顯示模塊LCM組成。 其中LCM模塊選用某電子有限公司生產(chǎn)的圖形點(diǎn)陣液晶顯示模塊SMG240128A ，其內置T6963C 及兼容控制器，它可顯示電源輸出的電壓值、顯示存儲數據和工作狀態(tài)，還可進(jìn)行報警顯示。

　　軟件設計

　　系統應用程序的結構可分為主程序和若干子程序，主程序流程圖如圖4所示。

　　主程序

　　1) 初始化程序：在初始化過(guò)程中，先是將8052各個(gè)口復位，清RAM 區的各個(gè)寄存器、緩沖區。 程序正常運行后，將不再進(jìn)入初始化程序，只有當儀器啟動(dòng)或復位時(shí)才進(jìn)入該程序。 初始化完成后，開(kāi)外部中斷。

　　2) 功能處理程序：當按下這些鍵時(shí)，經(jīng)過(guò)判斷，轉各自的處理程序。 這些程序是相似的，主要功能是顯示各自的字符，設置各自的標志。

　　3) RUN 鍵處理程序：當按下功能鍵后，再置入數字，然后按下RUN 鍵，可以得到與置入數值大小相等的電壓輸出。

　　4) CLR 鍵處理程序：清除鍵(CLR) 的主要功能是，根據當前狀態(tài)的不同，清除不同的工作區。 當程序進(jìn)入出錯處理子程序時(shí)，只有按下CLR 后，才能使儀器恢復正常工作。

　　圖4 　主程序框圖

　　子程序

　　子程序包括：讀鍵盤(pán)子程序、中斷子程序、顯示子程序、出錯處理子程序、計算子程序、存儲和讀取子程序等。

　　結 論

　　利用單片機和數模轉換器控制的直流穩壓電源，完全改變了傳統直流穩壓電源的設計，具有新穎性，獨創(chuàng )性和先進(jìn)性。 它不僅能作為常規的科研實(shí)驗電源用，而且可以通過(guò)軟件編程的方法使穩壓電源產(chǎn)生連續變化的輸出電壓，具有很高的性?xún)r(jià)比。