电子设计大赛论文数控稳压电源.docx

1、电子设计大赛论文数控稳压电源2012年安徽省大学生电子设计竞赛数控稳压电源（B题）本科组参赛队号：0011摘要本题单片机系统为核心，通过按键控制数模转换器，产生步进直流电压作为控制信号，完成要求的0.5V步进电压变化。该电路将获取的50Hz交流小信号进行第一级放大，受步进直流电压控制产生幅值步进变化的交流正弦波，其峰峰值小于5V。第二级放大电路采AMP1100器件，实现功率放大。末端输出级采用升压变压器，将功放产生的功率交流信号的电压幅值放大，实现题目要求的最大180V交流电压输出。关键字：STC单片机 D/A转换 变压器 傻瓜AMP1100压控AD603 一、引言由题目要求可知，需设计一个交

2、流输出电压范围为0180V、直流输出电压范围为0220V的电源。且该电源不仅可通过按键控制进行步进为0.5V压值的变化，还可将输出交流电压预置在0.0180.0V之间的任一值，通过液晶显示来显示其压值。所以设计该电源是需要一个交流小信号，通过MCU模块控制完成幅度步进可调后，再由变压器进行升压放大达到所要求的输出范围。由上分析可知该电源的主要模块为交流小信号的来源及MCU数字控制部分。二、方案设计（一）总体系统方案设计（1）方案一本方案以晶闸管通断控制为核心，以STC89C52单片机为主控制器和PWM信号发生器。PWM信号在交流电压过零时刻导通或关断晶闸管，使负载电路与交流电源接通几个周波，然

3、后断开几个周波，改变导通周波数与关断周波数的比值，调节交流电压有效值。接着单片机根据反馈信号对PWM信号做出调整，准确地控制输出的交流电压。原理框图如下图1所示： 输出电路图1 方案一框图（2）方案二 本方案主要由单片机控制D/A转换输出一个可调直流电压，可调的输出电压改变压控放大器对输入交流信号的放大增益，继而用功率放大器提升功率，进行变压器的升压得到输出交流电压。图2 方案二框图方案比较与选择方案一由单片机产生PWM信号，通过通断对输入波形进行斩波，这就使得输出的波形发生改变而不是标准的正弦波，在0180V调压的范围内不能很精确的控制每次按键后增加或减少0.5。方案二由一个DA转换和两个放

4、大电路构成，能满足题目要求，通过降压然后升压控制输出的电压变化，算法简单，性能好，抗干扰能力强。综上所述，本设计采用方案二。（二）各单元模块方案选择1、单片机最小系统模块设计一具有矩阵按键控制模块、液晶显示模块的单片机最小系统。电路图如附录所示。2、D/A转换模块本题输出电压范围为0180V，且步进变化为0.5V，有相应的360个数的改变，则要求D/A转换器的转换位数通常应至少为9位.。 方案一：max536它片内集成4路独立可同步控制的l2位高精度双缓冲数模转换器，具有3线和4线串行接口。方案二：采用DAC0832级联连接。 方案比较：max536作为高精度数模转换器符合题目要求，但并没有0

5、832常用。0832只有8位数模转换，必须采用两片级联的方式实现，能够达到512位数据变化，显然符合题目要求。而且该题目使0832的性能得到最大的发挥，它的使用大大的降低了模块的成本。为了减少单片机I/O口的使用，采用锁存器控制的方式共用P2接口。由于0832的输出量为模拟电流，本模块需要得到渐变的电压量，故使用集成运放输出，将电流转换为电压。其中 D为单片机I/O对应值。级联后输出总电流 因此，理论上可以按照图6所示的方式连接。前级运放为电流采样电路，将输入的电流转换为电压。后级运放为反向放大器，其放大倍数 Rx为滑动变阻器。3、正弦交流小信号产生原理模块方案一：直接从220V的交流电源通过

6、分压电路得到一个正弦交流小信号。方案二：通过单片机控制DA0832进行D/A转换生成一个正弦交流小信号。方案比较论证与选择方案一的电路虽然简单易行，但所输入的信号混有大量的杂波，信号放大后的波形会产生较大的纹波，使输出交流电不能稳定和产生误差。方案二电路虽然复杂了点，但输出稳定，纹波少，且方案二的输入可由单片机直接控制，既灵活又安全。所以选择方案二。原理附录图所示。4、压控增益放大模块方案一：采用LM101组成的压控电路，电路原理如附录示其中： Vs为压控信号，Vo为输入正弦信号，Out 为输出正弦波信号。在该方案中用到的LM101并不是完全和压控电压成线性关系，则电路中容易产生非线性失真，同

7、时电路性能也不是很稳定。方案二：选用乘法器AD835搭建压控电路，将本振信号Vg和输入信号Vin相乘得到二者频率的和差信号，达到间接的压控效果，且对噪声可形成较强的抑制能力，信噪比较高。方案三：选用AD603构成压控电路，AD603 由无源输入衰减器、增益控制界面和固定增益放大器三部分组成。从第 3 脚P in脚输入的信号经衰减后，由固定增益放大器输出，衰减量是由加在增益控制接口的电压决定。增益的调整与其自身电压值无关，而仅与其差值 Vg（1 脚和 2 脚的电压差）有关，由于控制电压 1 脚和 2 脚的输入电阻高达 50M，因而输入电流很小，致使片内控制电路对提供增益控制电压的外电路影响减小。

8、选择方案三，选用AD603有利于精度和信噪比的提高，且AD603 的输入阻抗较小4、功率放大模块功率放大是采用芯片AMP1100傻瓜运放来实现。由AMP1100构成的功率放大电路具有较宽的不失真工作电压范围，以适应以下不同工作环境，而当工作电压超出极限值时，她又会采用自身保护，自动停止输出，工作杜绝因超压而引起损坏电路。当电压正常时，能自动恢复工作。所以选用AMP1100来实现功率放大。电路图如附录示。5、稳压模块采用稳压芯片构成稳压电路，将输入较大的直流电压分别稳成5V,-5V，12V，-12V，3.3V电压。再根据所得的电压对电路、单片机进行供电。方案一：利用开关电源稳压原理可设计得到稳定

9、的5V电压 。他的原理是利用电子开关器件（如晶体管、场效应管、可控硅闸流管等），通过控制电路使电子开关器件不停地“接通”和“关断”，让电子开关器件对输入电压进行脉冲调制，从而实现DC/AC、DC/DC电压变换，以及输出电压可调和自动稳压。方案二：直接采用78系类和79系类的稳压芯片构成5V等的稳定电压源。本方案利用稳压芯片的稳压特性进而搭建稳压电路对输入电压进行稳压获得稳压源。方案比较：虽然方案一的开关电源具有功耗小，效率高且有较大的输出电流的优点，但相对于方案二来说方案一电路略显复杂，且在本题也不需要太大的输出电流，78和79系类的稳压模块就能满足供电要求且电路简单易行。另外一方面开关电源存

10、在较为严重的开关干扰。所以我们选择了第二个方案。原理图如附录示。6、软件流程图三、设计实现在本方案的实现过程中出现了诸多问题和不确定因素:1、 由于对芯片缺乏广泛的涉猎，常常不知道芯片的性能与用途， 无法熟练的使用各种芯片之间替代。所以，在比赛过程中不得不花费比较多的时间去了解和学会使用各种所需芯片。2、 实验方设计中，我们最初拟定的压控放大模块是基于LM307的压控放大电路。由于缺乏相应的芯片，时间又紧，我们不得不换一种方案。于是我们采用基于AD835的乘法电路来替代压控模块虽然两者原理有所区别，带所要达到的目的一样，都是通过一个直流电压的步进变化来使另一个交流电压也随之变化。3、 在实验过

11、程中忽视了芯片的一些极限参数，导致一些芯片烧毁和电路崩溃。在比赛的第三天，由于我们的一个疏忽，乘法器模块的芯片AD835被烧毁了。本已接近成功的我们顿时感到穷途末路，但偶然间我们发现前些日子所买的芯片AD603也是一个压控运放，于是我们把乘法器电路又换成AD603压控放大电路。确定了最终方案。 四、系统测试及分析(一)、测试方法及其所使用的仪器测试方法：通过FG2030 DDS函数信号发生器输送输入电压，用GOS-6031示波器和UT61 B万用表来分别测量输出电压的波形和电压有效值。测试仪器：TFG2030 DDS函数信号发生器（30MHZ）、GOS-6031示波器、UT61B万用表。（二）

12、、测试数据1、DAC0832模块直流输出步进电压测试数据按键按下次数04080120160200240280320360输出压值/mV0651301952613283954715205912、压控放大器受控增益测试数据输入信号：50Hz,Vp-p=110mV的正弦波。12345678910压控信号/mV065130195261328395471520591输出电压（峰峰值）/V0.120.160.210.300.380.530.700.971.181.243、 AMP1100功率放大特性测试数据123456789 输入（峰峰值/V）0.10.20.30.40.50.60.70.80.9输出（有

13、效值/V）3.0414.765.517.047.337.766.947.187.48由上数据可得功率放大器在输入为.之间的输入值与输出值大致呈线性关系，其增益大致不变。4、整体性能测试数据12345678910理论电压/V020406080100120140160180实际压值/V19263445597799116150166（三）、测试结果与分析四、结论经过紧张的四天三夜的奋力拼搏，与小组成员通力协作，团结互助，终于基本完成了实验项目。本系统由单片机控制和显示模块、D/A转化模块，压控放大电路、功率放大电路及稳压源模块组成。首先由单片机控制和D/A转换生成一个压控放大所需要的一个压控信号，再

14、由单片机与D/A构成一个正弦函数信号发生器，取其正弦信号作为压控放大的输入。再经过AMP1100功放进行功率放大，升压器升压后得到一个正弦交流电输出。再由单片机控制输出电压的步进变化。本电路结构简单，功能齐全，除个别指标外均达到题目要求，但由于时间紧张，任务繁重，本电路尚有不足之处，如：压控放大电路中压控信号与输出电压并不成真正的线性关系，所以步进控制时会产生步进误差，多次步进时的累积误差都会影响输出的测量。另外压控放大调控的输出电压的调节始终调不到0V这一压值，只能无限接近于0V，达不到精准的调压范围要求。最后，我代表我们小组成员感谢主持本次竞赛的主委会和全体评审老师以及我们的辅导老师，谢谢你们给了我们提高自己和展现自己的舞台，让我们在以后的人生中更加自信和坚定。六、附录1、原理图附录单片机最小系统电路D/A转换模块原理图 LM101压控放大电路AD835乘法器放大电路AD603压控放大电路AMP1100功率运放稳压电路模块正弦交流小信号产生电路2、程序控制代码