简易数控直流电源.doc

简易数控直流电源

简易数控直流电源

指导老师：
胡均万博士

小组成员：
刘道柳
高浩达
刘定国

一、 设计要求
（一）基本要求：
1、 输出电压范围0~+9.9V，步进0.1V，纹波不大于10mV；
2、 输出电流500mA；
3、 输出电压值由数码管显示；
4、 由“+”、“-”两键分别控制输出电压步进增减；
5、 为实现上述几部件工作，自制一稳压直流电源，输出士15V、+5V。
（二）发挥部分：
1、输出电压可预置在0~9.9V之间的任意一个值；
2、用自动扫描代替人工按键，实现输出电压变化（步进0.1V不变）；
3、扩展输出电压种类（比如三角波等）。
二、 方案设计与分析
方案一：
运用所学的数电和模电知识，进行电路设计。采用数字技术中的可逆计数器，D/A转换器，译码驱动显示电路等，此电路制作比较简单，分为六部分，步进电压精确到0.1V控制可逆计数器分别作加、减计数，可逆计数器采用两片四位十进制74LS192级联而成，可逆计数器的二进制数字输出分两路运行：一路用于驱动数字显示电路，精确显示当前输出电压值；另一路进入数模转换电路（即D/A转换电路），数模转换电路将数字量按比例，转换成模拟电压，然后经过射极跟随器控制，调整输出级，输出稳定直流电压。为了实现上述几部分，需要另外制作士15V和士5V的直流稳压电源，及一组未经稳压的12V~17V的直流电压。电路原理图如下：
显示电路

调整输出
D/A转换
可逆计数器
按键控
制部分

+15V
-15V

稳压电路

方案二：
此方案采用STC单片机作为数据处理和控制核心，可分为三个模块：系统数字信号处理模块、键盘模块和显示模块。控制部分采用STC12C5A60S2系列单片机，它内部含有A/D转换功能并且功能比其他系列单片机强大；按键部分采用人性化的步进置数，无需其他芯片搭载外围电路，利用单片机内部端口，简化电路结构。显示部分采用STC单片机自带的A/D转换之后由单片机输出经译码器译码后，再送给LED数码管显示，输出部分是在D/A转换之后经电压和电流放大（即稳定的功率放大）后得到。输出部分使用软件和硬件结合的方式提供过流保护。因为使用单片机技术，使整个系统可编程化增强，大大提高了系统的灵活性，同时系统制作成本低廉。原理图如下：（如图1-1所示）

STC
单片机

D/A转换
显示
键盘
电压放大
电流放大
负载
A/D转换
过流保护
电压采样
软件保护
4511译码
自制稳压电源
+15v
5v
-15v
过流
保护
报警

图1-1
数控部分：
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
*
输入
+
—
单步
连续

方案三：
此方案针对电子设备对电源性能要求高，运行时输出电压值可控，而在模电数电中难以实现，采用可编程逻辑器件：以32位嵌入式Nios II软核为处理器，将其嵌入FPGA中运行相应的控制程序，从而实现基于Nios II的高精度数控直流稳压电源。该系统采用Avalon数据总线、 EPCS控制器、键盘接口、Nios II软核CPU、SDRAM控制器、LCD控制器、I／O输出模块和相应的外围器件组成，Nios II软核CPU是32位嵌入式处理器，承担运算、控制和信息处理等多项任务；EPCS控制器及其外围的存储器，构成串行电可擦除Flash存储系统。主要用于存储FP-GA配制文件及Nios II软核CPU执行程序代码；SDRAM控制器用来控制SDRAM，保证Nios II处理器能顺利地对SDRAM进行读写操作；SDRAM用于存储用户程序代码和Nios II软核CPU运行时的重要数据；键盘和键盘接口构成本系统的输入设备，输入的信息通过Avalon数据总线被送至Nios II软核CPU；LCD控制器是用户自定组件，它与外围240x128液晶显示器构成字符显示设备，用于显示人机界面和输出电压值。电路原理图如图所示：
存储器

SDRAM
控制器
Avalon数据总线
EPCS
控制器

SDRAM

键盘
240X128
LCD
LCD
控制器
键盘
接口

D/A
转换器
I/O输
出端口
Nios II
CPU

输出
功率
放大器

三、 方案比较与论证
方案一采用计数器小规模电路实现系统，电路结构简单，制作容易，但是使用的芯片较多，可控程度较低，人性化较差，抗干扰性不好，电路难以实现高精度和高标准的要求。74LS192是双时钟，可预置数，异步复位的十进制（BCD码）可逆计数器，输入部分和显示部分是由同一时钟信号源提供输入，但74LS192级联后对于纹波的影响是比较明显的，且为了抑制纹波而在调压电源输出端并联的大电容也降低了系统的响应速度；显示部分直接使用D/A转换输出显示，显示电压和实际输出电压存在一定的误差，实现同步输出难度较大。
方案三采用可编程逻辑器件FPGA，与传统的数控直流电压源相比，设计的结构紧凑、精度高、响应速度快，而且硬件升级容易，且采用低功耗的EP1C6Q240C8可编程逻辑器件，该器件采用逻辑阵列模块(LAB)和查找表(LUT)结构，内核采用 1．5 V电压供电，其内部资源丰富，内嵌5 980个逻辑单元(LE)、20个4 K字节双口存储单元(M4K RAM block)和92 160 bit的高速RAM等，串行电可擦除Flash存储器采用Altera公司的EPCS16ST16N集成电路；SDRAM存储器采用三星公司的 K4S641632H；D／A转换器采用National Semiconductor公司的DAC0832等；此系统可以实现高精度的输出要求和高标准的人性化控制，抗干扰能力强，电压误差小，能够实现步进0.01V的输出，且能够在非常恶劣的环境下使用。但是该系统的成本比较昂贵，电路比较复杂，操作难度大，难以实现难度高。
方案二是介于方案一和方案三之间，融合二者的优点，并舍弃了二者大部分缺点，实用性非常高；采用STC系列单片机，该系列单片机功能强大，价格低廉，性价比非常高。以单片机为核心控制模块，电路可编程性好，系统灵活性高，既提高了数控稳压电源的稳定性，又保证了调节电流的精度，电源还可以设置RS232接口，可实现与计算机连接构成智能程控电源。该电源结构简单元器件价格低廉，易于扩展，实用性强。
小结：经过上诉分析和比较，采用实用性和性价比高的方案二，该方案除了能实现高精度的数控外，还具有较高的人性智能化，但其他两个方案也是具有自身的优点，在某些方面具有各自的优势和特点，能够满足不同的需求；采用方案二，重要的因素是该系统使用了单片机，使该系统操作简单，能实现多功能的要求，具有很好的扩展性和市场前景。
四、 方案的实现：
1、 系统方框图：
以STC12C5A60S2单片机最小系统为核心，包括四个功能模块：处理键盘数据，控制D/A、A/D输入输出，LED显示，系统的总体框图如下：

STC单
片机基
本系统

DAC0832转换
数码
显示
键盘
LM358电
压放大
电流放大
负载
A/D转换
过流保护
电压采样
软件保护
4511译码
自制稳压电源
+15v
5v
-15v
过流
保护
报警
硬件检测

2、数控系统模块：
数控部分采用STC12C5A60S2单片机最小系统为核心构建控制器，D/A转换电路和A/D转换电路组成。单片机最小系统，负责对D/A、A/D模块的控制，4位LED的显示，按键响应的工作。单片机与DAC0832相连，实现将CPU运算预置数字大小转换成相对应的控制电压；控制电压输出到稳压电路，使基准电压发生变化，经过稳压管调整后输出；ADC0809采样电阻信号，将模拟信号转换为数字信号，经单片机处理后，输出到LED，显示当前电压并与键盘输入的控制数据进行比较，做出相应的反应。
3、 电源部分：
采用通常的桥式全波整流、单电容滤波、三端固定输出的集成稳压器件。输出电路由+15V稳压供给，从而大大提高了电压调整率和负载调整率等指标。所有集成器根据功耗选择安装散热片，保证电路正常运行。电路原理图如下：

4、 数/模转换部分：
采用价廉的8位DAC0832转换芯片。DAC0832是电流输出型8位数模转换器，采用倒T型电阻网络，

5、 模/数转换部分：

6、 键盘与显示部分：

7、 稳压输出与过流保护部分：

五、 软件主程序流程图：
1、 主程序流程图：

2、 显示模块流程图：

3、 过流保护流程图：

六、 系统测试及整机指标：
1、 系统功能测试

2、 系统指标测试

3、 系统误差分析