基于D/A转换器的程控电源设计

1万 · 2014-6-7 23:26

　引言

　　在各种电子电路实验中，电源是一种必不可少的仪器，目前实验所用的电源大多是只有固定电压输出(例如常用的有： ±5V、±12V或±15V) ，其缺点是输出电压不可人为的改变，输出精度和稳定性都不高：在测量上，传统的电源一般采用指针式或数字式来显示电压或电流，搭配电位器调整所要的电压及电流输出值。若要调整精确的电压输出，须搭配精确的显示仪表监测：又因电位器的阻值特性非线性，在调整时，需要花费一定的时间，且会产生漂移，使得最终只好因陋就简。

　　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，利用D/A 转换器的高分辨率和单片机的自动检测技术设计程控电源就显示出其优越性。程控电源既能方便输入和选择预设电压值又具有较高精度和稳定性，而且还可程控实现对电源的可编程监控，如模拟电压跌落、间断或起伏等情况，即可编程电源也可以看作一种功率型的低频信号发生器。程控电源可以任意设定输出电压或电流，所有功能由面板上的键盘或通过RS-232C 串口连接的上位微机实现，给电路实验带来极大的方便，提高了工作效率。

　　工作原理

　　本电源以常规稳压电源为基础

电源，以高性能单片机和数模转换器为控制电路，在控制和检测软件支持下，把预先给定值通过单片机的的输出口送至相应的的D/A 转换器转换为相应的给定模拟电压，以替代常规稳压电源中的比较参考电压，使输出电压或电流随着参考电压的变化而变化，其原理如图1 所示。用户可根据需要通过键盘设定稳压电源的输出值。

图1 　程控电源框图

1万 · 2014-6-7 23:26

　系统硬件配置

　　程控电源整机框图如图2 所示，它主要由键盘、液晶显示、单片微机系统、D/A 转换电路、报警电路、检测电路和直流稳压电路等七部分组成。根据需要，可扩展RS232 接口。

　　单片微机系统

　　单片机系统是程控电源的核心。它通过软件的运行来控制整个仪器的工作，从而完成设定的功能。单片机系统以AT89C52为CPU ，它是由美国ATMEL 公司生产的低电压、高性能8 位CMOS 单片机，片内含8K字节的FLASH或PEROM和256 字节的RAM，器件采用ATMEL 公司的高密度、非易失性存储技术生产，与标准MCS-51 指令系统及8052产品引脚兼容。AT89C52 接收检测电路的外部中断信号，也接收来自键盘的信息，并对输入的信息进行处理，从而确定仪器原工作状态及输出电压的大小。此外，AT89C52 还能根据工作温度自动调节风扇转速，如果发生过热现象，还能驱动报警电路工作。

图2 　整机系统框图

1万 · 2014-6-7 23:26

　D/A 转换电路

　　D/A 转换器采用12 位电压输出型、内置双缓冲输入锁存器和齐纳基准电源的MAX508，通过双缓冲锁存器实现与微处理器接口，数据输入允许低8位和高4位分段右移输入。 MAX508 提供的片内量程电阻可以外接产生双极性输出电压范围为±5V 或单极性输出电压范围为0-5V、0-10V 的几种输出方式。本电源中采用0-10V 的单极性输方式，如图3 所示。此时ROFS 与AGND 相连，RFB 与VOUT相连，采用直接二进制编码。

图3 　D/A 连接电源原理图

1万 · 2014-6-7 23:26

　智能型风扇

　　系统在工作过程中如果温度过高会使芯片烧坏，因此系统必须有散热装置，本电源系统采用散热片和智能型风扇。智能型风扇主要由MAX6660控制，它是一款远端结温传感器和风扇速度调节器，提供了完备的风扇控制解决方案。远端温度传感器通常采用一个廉价且易安装的2N3904 NPN 或2N3906 PNP。该器件还包括一个闭环风扇控制器，根据转速计反馈来调节风扇速度。MAX6660 将温度风扇门限温度和增益设定相比较，两者均可通过SMBus 由用户编程。其结果是实现与远端结温成正比的自动风扇控制。可以在任何时候断开温度反馈环，以便由系统控制风扇速度。风扇速度是通过电压控制的，与PWM控制相比，更加安静和可靠。

　　保护电路

　　为了使程控电源能可靠、安全地工作，本系统设置多重监测和保护系统，主要包括软启动电路、过温保护、过压保护、过流保护，其中过温保护采用中断方式控制。本系统采用MAX6660 检测电路中晶片的工作温度，若温度超过给定值，温度传感器调理器就给单片机中断信号，单片机启动声光报警，经过一定时间切断电压输出。

1万 · 2014-6-7 23:26

　　键盘和显示

　　程控电源的键盘和显示部分安装在仪器的操作面板上，由16 个键和液晶显示模块LCM组成。其中LCM模块选用某电子有限公司生产的图形点阵液晶显示模块SMG240128A ，其内置T6963C 及兼容控制器，它可显示电源输出的电压值、显示存储数据和工作状态，还可进行报警显示。

1万 · 2014-6-7 23:27

　软件设计

　　系统应用程序的结构可分为主程序和若干子程序，主程序流程图如图4所示。

　　主程序

　　1) 初始化程序：在初始化过程中，先是将8052各个口复位，清RAM 区的各个寄存器、缓冲区。程序正常运行后，将不再进入初始化程序，只有当仪器启动或复位时才进入该程序。初始化完成后，开外部中断。

　　2) 功能处理程序：当按下这些键时，经过判断，转各自的处理程序。这些程序是相似的，主要功能是显示各自的字符，设置各自的标志。

　　3) RUN 键处理程序：当按下功能键后，再置入数字，然后按下RUN 键，可以得到与置入数值大小相等的电压输出。

　　4) CLR 键处理程序：清除键(CLR) 的主要功能是，根据当前状态的不同，清除不同的工作区。当程序进入出错处理子程序时，只有按下CLR 后，才能使仪器恢复正常工作。

图4 　主程序框图

1万 · 2014-6-7 23:27

　子程序

　　子程序包括：读键盘子程序、中断子程序、显示子程序、出错处理子程序、计算子程序、存储和读取子程序等。

　　结论

　　利用单片机和数模转换器控制的直流稳压电源，完全改变了传统直流稳压电源的设计，具有新颖性，独创

性和先进性。它不仅能作为常规的科研实验电源用，而且可以通过软件编程的方法使稳压电源产生连续变化的输出电压，具有很高的性价比。

基于D/A转换器的程控电源设计

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