课程双路输出直流稳压电源.docx
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课程双路输出直流稳压电源
双路输出直流稳压电源
钟官军金海军张娅琳
指导老师：
王淑娟
1．摘要
1.1功能说明：
通过四个控制按钮实现两路输出电压，可以对输出电压进行设定，显示值与输出电压值的误差不超过10mv。
并可通过按键实现最高电流设定，进行过流保护。
具体描述如下：
按键：
按键1：
左右设定时切换。
按键2：
电压电流设定时切换。
按键3：
设定值增加按键。
按键4：
设定值减小按键。
显示（三位半LED）：
LED1：
第一路的显示，电压设定时显示电压，电流设定时显示电流，正常工作时显示电压。
LED2：
第二路的显示，电压设定时显示电压，电流设定时显示电流，正常工作时显示电压。
参数：
电压设定步进：
显示误差：
mv
工作区：
输出1：
，
输出2：
，
软件设定保护电流范围：
硬件短路保护电流：
a）基本组成
本直流电源由四个基本模块组成：
电源部分，控制部分，功率放大部分，数字显示输出电流电压电路。
采用硬件电路和单片机的编程控制，实现了在传设计一个电压在-18-+18V，电流0-2A可调的双路直流稳压电源。
实现传统基本直流稳压电源的突破和创新-电压电流的连续可调的和过压过流流保护。
电源变压器：
采用降压变压器将电网交流电压220V变换成复合需要的交流电源。
此交流电压经过整流后可获得电子设备所需要的直流电压。
整流电路：
利用单相桥式整流电路把方向和大小都大小都变化的50Hz的交流电变换为方向不变但大小仍有脉动的直流电。
其优点是电压较高，纹波电压较小，整流二极管所承受的最大反向交流电流流过，变压器的利用率高。
滤波电路：
利用储能元件-电容C两端的电压不能突变的性质，采用RC滤波电路将整流电路输出的脉动成分大部分滤除，得到比较平滑的直流电。
稳压电路：
使整流滤波后的直流电压不随交流电网和负载的变化扰动而变化
控制电路：
为适应不同场合的需要而将电压电流置为可调。
保护电路：
当电压电流过大超过量程利用单片机控制清零来实现电路保护。
数字显示部分：
采用三位半的LED数字显示，挺高了精度和准确性，从而克服了模拟表头的造成的读数误差。
利用8032单片机控制，可以实现精度。
由于采用大量高性能的集成模块，从而简化了电路的结构，突出了电源变换问题中的关键部分。
通过努力的调试与检测，电路整体性能良好，可以较好的实现设计目的。
本电源不仅可以单独使用，还可以置于其它电子设备中作为变压稳压或稳流源使用。
2．电源概述
2.1电源简介
电源是电子设备的心脏部分，其质量的好坏直接影响着电子设备的可靠性，而且电子设备的故障60%来自电源，因此作为电子设备的基础元件，电源受到越来越多的重视。
现代电子设备使用的电源大致有线性稳压电源和开关稳压电源两大类。
所谓线性稳压电源，是指在稳压电源电路中的调整管是工作在线性放大区。
将220V、50Hz的工频电压经过线性变压器降压以后，经过整流、滤波和稳压，输出一个直流电压。
2.2两类电源比较
线性稳压源的优点是：
电源稳定度及负载稳定度较高；输出纹波电压小；瞬态响应速度快；线路结构简单，便于维修；没有开关干扰。
缺点是：
功耗大、效率低，其效率一般只有35~60%；体积大、质量重、不能微小型化；必须有较大容量的滤波电容。
其中，交换效率低下是线性稳压电源的重要缺点，造成了资源的严重浪费。
在这种背景下，开关稳压电源应运而生。
任何电子设备均需直流电源来供给电路工作。
特别是采用电网供电的电子产品。
为了适应电网电压波动和电路的工作状态变化，更需要具备适应这种变化的直流稳压电源。
随着电子技术的发展，人们对如何提高电源的转换效率，增强对电网的适应性，缩小体积，减轻重量进入了深入的研究。
开关电源应运而生。
七十年代，便应用于电视机的接收，现在已经广泛用于彩电，录像机，计算机，通讯设备，医疗器械，气象等行业。
开关稳压电源的调整管工作在开关状态，主要优越性是交换效率可高达70~95%。
开关稳压电源的优越性还体现在：
功耗小、效率高。
晶体管在激励信号的激励下，交替的工作在导通-截止的开关状态，转换速度很快，频率一般为50kHz左右。
开关晶体管的功耗很小，电源的效率可以大幅度的提高，达到80%以上。
体积小、重量轻。
开关稳压电源里没有采用笨重的工频变压器。
调整管上的耗散功率大幅度降低以后，省去了较大的散热片。
稳压范围宽。
开关电源的输出电压是由激励信号的占空比来调节的，输入信号电压的变化可以通过调频或调宽来控制，在工频电网电压变化较大时，它仍能保证有效的稳定输出电压。
开关稳压电源实现稳压的方法也较多，可以根据实际应用的要求，灵活的选用各种类型的开关稳压电源。
电路形式灵活多样。
开关稳压电源的主要问题是电路比较复杂。
输出纹波电压较高，瞬态响应差，并且存在较为严重的开关干扰。
当今，开关稳压电源的进一步推广应用的困难是它的制作技术难度大，维修麻烦和成本较高。
开关稳压电源的效率是与开关管的变换速度成正比的。
开关稳压电源中采用了开关变压器，使之由一组输入，得到极性，大小各不相同的多组输出。
要进一步提高效率，必须提高电源的工作频率。
但是，当频率提高以后，对整个电路元器件的要求，有了进一步的提高。
这是需要解决的第二个问题。
工作在线性状态的稳压电源，具有稳压和滤波的双重作用，因而串联线性稳压电源不产生开关干扰，且纹波电压输出较小。
但是，在开关稳压电源中的开关管工作在开关状态，其交变电压和输出电流会通过电路中的元器件产生较强的尖峰干扰和谐振干扰。
这些干扰会进入市电电网，影响邻近的电子设备的正常工作。
克服这一缺点，进一步提高它的使用范围，是要解决的第三个问题。
2.3本电源选择
根据比较，我们选择线性电源。
绝大多数电子电路工作时都需要直流电源，直流电源是电子电路工作状态的保证和能源的提供者。
但大多数固定电源允许输出电压±10％的范围内变化，这还不能满足有些电路要求，于是我们设计了输出可调的或允许更大变化范围的电源。
本电源的性能：
采用全集成电路设计制成，具有短路过载自动保护功能，
、
两路，由四个LED分别显示两路输出。
精度高，电流性能稳定，连续可调。
可用于多路实验用电。
2.4其性能指标：
1．工作模式
几乎所有的直流电源都工作在恒压源模式，也就是说在整个电流变化范围内输出电压可保持不变。
本电源还可以在一定范围内工作在直流源模式。
2．分辨率
技术参数限定的输出电压或电流的最小可调增量=1/256
3．可程控性
通过改变直流电压或电阻值使电源输出具有可程控性。
4．过载保护
因为一个电源要供给不同的电路使用，这些电路的电流的流量可能是未知的，为了避免对电源的损坏，需设置保护电路的范围。
电源还具有以下特点：
本程控电源可用程序设定输出范围外，在超出输出范围时，就自行清零保护。
也就是说，当外电路需要的电压或电流超过设置极限时，数码管可自动地显示零输出。
散热片可用于防止由于电源持续工作在过载状态或冷却无效而烧坏电源。
3．整体方案
3．1经典稳压电源
经典稳压电源的方框图如下所示。
其中主回路是将电能传递给负载的回路。
又分为由开关管和高频变压器组成的功率转换电路，以及由整流滤波网络组成的输出滤波电路。
控制回路按输入输出条件控制主回路的工作状态。
它跨接在输出电压端和开关调整管上，形成反馈回路，控制调整管的通断，达到稳压的目。
3．2本电源各部分设计
（1）电源部分
该部分是电源的基础，也是输出电压能否达到高精度和良好的稳定性的保障。
4．理论计算
4．1电源部分：
考虑到平时使用的电源大多在
之间，而且LM741的极限电压
，所以选用电源电压为
，扣除达林顿管
的压降，则每一路输出为
。
按照输出电流
，则单路最大输出功率：
单路消耗的总功率为：
（
）
两路共消耗的功率为
考虑其效率，设为
则电源消耗的功率为
选用
的变压器。
，
选用
满足要求。
电源部分的电路图如下：
4．2电源各部分的分析：
电源变压器：
采用150W双18V单9V，26V环形变压器降压变压器将电网交流电压220V变换成25V左右的交流电源，主副线圈匝数比约9：
1。
此交流电压经过整流后可获得电子设备所需要的直流电压。
整流电路：
利用单相桥式整流电路把方向和大小都变化的50Hz的交流电变换为方向不变但大小仍有脉动的直流电。
其优点是电压较高，纹波电压较小，整流二极管所承受的最大反向交流电流流过，变压器的利用率高。
滤波电路：
利用储能元件-电容C两端的电压不能突变的性质，采用RC滤波电路将整流电路输出的脉动成分大部分滤除，得到比较平滑的直流电。
采用4700uF,50V滤波电容达到较好的滤波效果。
稳压电路：
采用7815791578057905稳压集成电路使整流滤波后的直流电压不随交流电网和负载的变化扰动而变化。
4．3率放大部分
从控制板发出的信号，为0~5V,5mA左右的中小信号，要使之适应不同的应用需要，必须使之具有一定的功率。
1．功率部分的计算
即要求进行功率放大，使之达到
V,2A左右的输出量。
则有
通过运算放大器和大功率达林顿管可实现3.6倍的放大倍数。
而
V,要求输出为2A。
则
取达林顿管的功率大于46W即可。
查手册可以知道，选用BD64C/65C系列。
功放电路图如下所示：
4．4路功放的保护：
当电流过大，采用三个串连的二极管与三级管并联，三级管达到饱和防止两端电压过高而烧坏。
从而达到保护电路的目的。
电路图如下：
4．5单片机控制部分
控制电路是本电源的重要组成部分。
由单片机作控制中心，在时序上协调外界输入控制和DA0809反馈控制。
控制结构图如下：
1.单片机的工作原理：
（1）输出：
单片机的输出是用分时操作的，分时输出两个数字量（程控）给两个DA0832，得到的模拟信号给两个外路运放提供信号，达到输出两路电压的目的。
（2）按键控制：
共设置四个按钮，以中断形式接入单片机，由中断服务程序对其响应，修改单片机中的电压电流设定值。
（3）反馈：
由AD0809的转换结束信号EOC接入单片机的另一个中断，在中断服务程序中，取走负载上取得的反馈值，并与相应的值比较，调节输出数字量，从而使负载电压稳定。
2.控制部分计算：
由于设定输出电压为
V,设定电压值以0.1V为步进，则有：
则由：
选用8位D/A满足要求。
又考虑到双路输出，则选用具有双缓冲结构的DAC0832,而在对输出电压、电流的反馈上，具有4个反馈信号。
而且其值变化不大，故选用8通道的8位A/D。
即选用逐次逼近型AD.由于ADC0809具有转换速度快（可达到1us），稳定性好，性价比高的特点，故选用之。
而控制芯片选用89C52.
电路图：
4．6显示部分
采用三位半双积分ICL7107，可将模拟电压直接转化成BCD码，驱动LED显示，其显示范围
，最小分辨率为10mv，满足本电路设计要求。
5．调试部分
调试是一项很复杂而庞大的工程。
它占了整个设计的大部分时间。
调试的整体过程是：
分别对设计的各功能模块进行调试，然后再进行组装后的整体调试。
调试过程包括：
5．1电源部分的调试
初期，由于LM7815前端滤波电容未加，导致输出纹波过大，补上100微法，50V的滤波电容，纹波在允许范围内。
总结：
试验过程中一定得认真仔细。
电路图连接完后，需要检查再通电调试
5．2功率放大部分的调试
问题：
1.输出纹波过大；
2.当负载变化比较大时，输出电压变化变化很快;
3.实现硬件电路的过流保护出现问题。
分析与对策：
输出纹波比较大，主要是因为来自DAC的电压纹波较大，需要在功放电路与控制电路之间加一个电容
型滤波器，解决问题1。
负载变化大的输出电压快，需要增大开环负反馈增益，调节反馈电路的各阻值，换一个放大倍数更大的运算放大器—LM741.同时在达林顿管BD65C，BD64C上增放散热片以避免过热而导致电路被烧毁，解决问题2。
查找出问题的原因是PROTEL制图的小错误。
即使修改后达到了理想的效果：
当电流过大时，与三级管并联的二极管饱和导通。
避免大电流流过三级管而被烧坏，解决问题3。
总结：
PROTEL设计中要细心，而且实际设计时要考虑外界环境影响，同时外界环境的不同电路设计也不同，需要调试发现问题和解决问题。
VII．显示部分的调试
问题：
数码管的显示不稳定，不停的闪烁。
分析：
没有考虑到干扰及环境的制约。
于是我们把在面包板上连好的电路焊接在印刷板上，并采用电容滤波尽可能去除纹波和干扰。
实验结果：
显示稳定，能实现
V范围内的连续显示。
5．3单片机控制部分的调试
单片机在整个系统中负责响应外部输入和实现反馈自我控制。
由于存在两路输出和四路反馈，在时序上就比较复杂，调试起来也是很复杂的。
程序的编写修改完成后，用仿真器仿真时，几个控制按钮不好使，经检验，是软件中等待时间太短，由于按键抖动，响应中断次数过多造成控制不稳定。
增加等待时间消除抖动后，控制部分达到理想效果。
显示部分调试成功后，将仿真器接到电路中，显示却闪烁，这应该是由于反馈的信号在自我控制中出现了问题，可能是软件设计中有什么没有考虑到，时序上存在问题，经修改通过！
当然整个调试过程是相当复杂的，也是让人非常疲劳的工作，调试时间不比编写时间短，以上只是说了很少的几个问题而已。
6．测试数据及分析
6．1工作测试（
）
测量次数
通道选择
空载示值（V）（程控）
负载示值（V）
实测值（V）
1
左
2．0
2．02
2．01
右
2．5
2．49
2．49
2
左
5．0
5．00
5．02
右
5．0
4．99
4．98
3
左
10．0
10．02
9．99
右
15．0
14．97
14．98
4
左
18．0
18．07
17．94
右
19．0
19．52
18．41
分析：
当程控值增大时，误差增大，
；
当设定值超出18V（最高工作电压），输出线性差。
结论：
本电源正常工作电压范围：
，误差不超过60mv,满足设计要求。
若想再增大工作电压范围，则只需改用高压运放。
6．2短路保护测试
将万用表（10A档位）直接串入输出端短接输出，电压表头输出为0，万用表电流值为2.2A，保护功能实现。
7．器件列表
W双18V单9V，26V环形变压器。
10A,100V全桥
4700uF,50V滤波电容6支
104瓷片电容若干
7815791578057905稳压集成电路
89C52
ADC0809
DAC0832
LM741若干
TL431精密基准源若干
74LS155双2/4译码器
74LS08与门集成块
74LS04非门集成块
LED4支
达林顿管BD65CBD64C
8．总结
所学模拟电子技术和数字电子技术和单片机等基础课程的知识，我们成功的在电子制作中得到了验证。
深刻的体会到理论联系实践，指导实践和服务于实践的内涵。
只有灵活的掌握知识，才能真正的应用于实践。
同时理论知识与实践还是有差距，理论设计能实现的电路原理，实际调试运行时不一定行得通——需要考虑各种扰动噪声等无法达到的工艺水平限制精度的提高的因素。
动手能力得到了锻炼和提高。
每一个出现的问题都需要认真分析找出原因。
这次电子制作，各位同学充分发挥各自的优势和特长，协力合作终于得到比较理想的结果。
钟官军同学在硬件电路方面的熟悉和金海军同学对控制部分的单片机编程是本次电子制作取得成功的重要保证。
我们进一步体会到团队精神的重要。
这次电子制作中，我们查阅了大量的资料，了解到当前最新的电源技术和发展方向，激发我们进一步深入学习和研究。
制作过程中，王淑娟在技术上给予极大的帮助和支持。
在此，感谢王淑娟老师对我们电子制作的指导！
9．附录（程序）
///////////////////////////////////////////////
//////////双输出数字电源源代码/////////////////
//////////////////////////////////////////////
ORG00H
JMPMAIN
ORG0003H
JMPINTX0
ORG0013H
JMPINTX1
ORG0100H
/////////////MAIN函数//////////////////
MAIN:
MOVIE,#10000101B
LCALLCHUSHIHUA
MOVC,09H
MOVP3.4,C
MOVP3.5,C
CPLP3.5
MOVP0,@R0
CLRP3.6
CLRP3.7
SETBP3.7
SETBP3.6
HERE:
MOVC,01H
MOVP1.5,C
MOVC,00H
MOVP1.4,C
AJMPHERE
//////////ENDOFMAIN////////////////
//////////INTX0按键中断/////////////
/////////实现电压电流设定/////////////
INTX0:
CALLDELAY
JNBP1.0,LR
JNBP1.1,VA
JNBP1.2,UP
JNBP1.3,DOWN
AJMPEND_INTX0
LR:
CPL01H;左右切换
AJMPEND_INTX0
VA:
CPL00H;电压电流切换
WAITHERE:
JB00H,PASS
JMPWAITHERE
PASS:
AJMPEND_INTX0
UP:
MOVA,#30H;设定值加1
ADDA,20H
MOVR0,A
INC@R0
AJMPEND_INTX0
DOWN:
MOVA,#30H;设定值减1
ADDA,20H
MOVR0,A
DEC@R0
END_INTX0:
RETI
////////////END按键中断//////////////
////////////INTX1DA反馈中断////////////////
////////////实现自我控制调节///////////
INTX1:
MOVR2,P2
JB00H,SET_A
JNB00H,TEST
AJMPEND_INTX1
/////电流设定////
SET_A:
CLRP1.6
MOVA,#50H;反馈接受
ADDA,20H
MOVR1,A
MOVA,R2
MOV@R1,A
MOVC,09H
MOVP3.4,C
MOVP3.5,C
CPLP3.5
MOVA,#30H;输出
ADDA,20H
MOVR0,A
MOVP0,@R0
AJMPEND_INTX1
/////反馈调节控制/////
TEST:
SETBP1.6
MOV21H,P3
ANL21H,#03H
MOV22H,21H
INC21H
MOVC,08H
MOVP3.0,C
MOVC,09H
MOVP3.1,C
JNB10H,TEST_V;
JB10H,TEST_A;
AJMPCONTINUE;
///测试电压///
TEST_V:
MOVA,#50H
ADDA,22H
MOVR0,A
MOVA,#30H
ADDA,22H
MOVR1,A
MOVA,@R1
SUBBA,R2
JCDOWN_OUT
JNCUP_OUT
DOWN_OUT:
DEC@R0
AJMPCONTINUE
UP_OUT:
INC@R0
AJMPCONTINUE
///测试电流///
TEST_A:
MOVA,22H
ADDA,#30H
MOVR1,A
MOVA,@R1
SUBBA,R2
JCERROR
JMPCONTINUE
//过流保护//
ERROR:
CLR30H
CLR32H
CLR50H
CLR52H
CONTINUE:
MOVC,09H
MOVP3.4,C
MOVP3.5,C
CPLP3.5
JB09H,OUT_2
MOVP0,50H
AJMPEND_INTX1
OUT_2:
MOVP0,52H
END_INTX1:
CLRP3.6
CLRP3.7
NOP
NOP
SETBP3.7
SETBP3.6
RETI
////////////ENDINTX1/////////////
////////////自编函数///////////////
////CHUSHIHUA函数////
CHUSHIHUA:
MOV50H,#00H
MOV51H,#00H
MOV52H,#00H
MOV53H,#00H
MOVSP,#60H
MOV21H,#00H;DACHANG
MOV20H,#00H;CHANGONTHEBASEFORTHELED
MOVR0,#30H
MOV30H,#05H
MOV32H,#05H
MOV31H,#10H
MOV33H,#10H
CLRIT0
SETBIT1
CLRPX1
CLRPX0
RET
/////////delay函数///////
/////////延迟200ms//////////
DELAY:
MOVA,#55
WAIT:
DECA
MOVR7,#20
WAIT1:
DECR7
DJNZR7,WAIT1
JNZWAIT
RET
END
参考文献
[1]《集成电子技术》蔡惟铮主编
[2]《基础电子技术》蔡惟铮主编
[3]《单片机应用设计》张毅刚彭喜元等主编
[4]《电子学报》
[5]《电子报》
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