线性可调稳压电源的设计详解

稳压电源通常分为线性稳压电源和开关稳压电源。线性稳压电源是比较早使用的一类直流稳压电源。线性稳压直流电源的特点是：输出电压比输入电压低;反应速度快，输出纹波较小;工作产生的噪声低：效率较低，产生的热量大。本文将对现有线性稳压电路设计方法进行总体的综述，具体的跟随小编一起来了解一下。

一、系统设计方案

采用51系列单片机作为整机的控制单元，通过改变输入数字量来改变输出电压值，从而使输出功率管的基极电压发生变化，间接地改变输出电压的大小。采用软件方法来解决数据的预置以及电流的控制，使系统硬件更加简洁，各类功能易于实现本系统以直流电源为核心，利用51系列单片机为主控制器，通过键盘来设置直流电源的输出电流，并可由数码管显示实际输出电压值和电压设定值。

利用单片机程控输出数字信号，经过D/A转换器(DA0832)输出模拟量，再经过运算放大器放大，控制输出功率管的基极，随着功率管基极电电流的变化而输出不同的电压。单片机系统还兼顾对恒压源进行实时监控，输出电压经过电流/电压转变后，通过A/D转换芯片，实时把模拟量转化为数据量，经单片机分析处理， 通过数据形式的反馈环节，使电压更加稳定，构成稳定的压控电压源。

1、 数字控制部分

正负可调双路直流稳压电源的数控部分采用51单片机为主控制器，通过键盘来设置直流电源的输出电压值，并由数码管进行显示实际输出的电压值和电压设定值。

2、 显示及输出部分

该数控电压源的显示部分采用六位数码管显示。通过键盘电路给定所要输出的电压值，在使用键盘完成输出电压调整后，输出电压对应的数据被送入单片机，电压值被经过处理后送入数码管显示。该显示电路既可以用来显示所要输出的电压值，也可以用来显示键盘电路的调整过程，使输出的电压值可以被直观的观察到。该双路直流稳压电源的输出部分由数字/模拟转换电路，放大电路，稳压电路组成。由单片机控制输入电源信号的产生，然后将输出的数字电压信号经数字/模拟转换器产生相应的模拟电压信号，再经放大电路及相应的稳压调整电路，最后输出所需电压值。

3、系统框图

该稳压电源的整体系统电路由键盘电路，单片机电路，显示电路，信号处理电路组成。其中信号处理电路包括数字/模拟转换电路，模拟信号放大电路，输出信号调整电路，最后经过稳压的电压值经负载输出。系统框图如下：

 

 

二、统硬件电路设计

1、主控制部分

1) AT89S52简述

AT89S52是一种带8K字节闪烁可编程可擦除只读存储器的低电压，高性能CMOS8位微处理器。具有8K字节可编程闪烁存储器，可擦除的的只读存储器(PEROM)， ATMEL的AT89S52是一种高效微控制器。 AT89S52单片机为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案三级程序存储器锁定、32可编程I/O线、两个16位定时器/计数器、5个中断源、可编程串行通道、低功耗的闲置和掉电模式、片内振荡器和时钟电路。AT89S51引脚图如图下图所示：

 

 

电源引脚：电源引脚接入单片机的工作电源。 VCC(40脚)：接+5V电源; VSS(20脚)：接地。

RST：复位输入。当振荡器复位器件时，要保持RST脚两个机器周期的高电平时间。

ALE/PROG：当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于 锁存地址的地位字节。在FLASH编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。在平时，ALE端以不变的频率周期输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率的1/6。因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。然而要注意的是：每当用作外部数据存储器时，将跳过一个ALE脉冲。如想禁止ALE的输出可在SFR8EH地址上置0。此时，ALE只有在执行MOVX，MOVC指令是ALE才起作用。另外，该引脚被略微拉高。如果微处理器在外部执行状态ALE禁止，置位无效。

时钟引脚：两个时钟引脚XTAL1和XTAL2外接晶体与片内的反相放大器构成了一个振荡器，它为单片机提供了时钟控制信号。

XTAL1(19脚)：反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输 XTAL2(18脚)：来自反向振荡器的输出。

P0，P1，P2口：P0口为一个8位漏级开路双向I/O口，每脚可吸收8个LS型TTL负载。当I/O口的管脚第一次写1时，被定义为高阻输入。P0能够用于外部程序数据存储器，它可以被定义为数据/地址的第八位。在FIASH编程时，P0 口作为原码输入口，当FIASH进行校验时，P0输出原码，此时P0外部必须被拉高。P1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O口，P1口缓冲器能接收输出4个LS型TTL负载。P1口管脚写入1后，被内部上拉为高，可用作输入，P1口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。P2口为一个内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2口缓冲器可接收，输出4个TTL负载，当P2口被写“1”时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入。P2口当用于外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进行存取时，P2口输出地址的高八位。在给出地址“1”时，它利用内部上拉优势，当对外部八位地址数据存储器进行读写时，P2口输出其特殊功能寄存器的内容。

P3口：P3口管脚是8个带内部上拉电阻的双向I/O口，可接收输出4个TTL负载。当P3口写入“1”后，它们被内部上拉为高电平，并用作输入。作为输入，由于外部下拉为低电平，P3口将输出电流(ILL)这是由于上拉的缘故。P3口也可作为AT89C51的一些特殊功能口。P3.0 RXD(串行输入口)P3.1 TXD(串行输出口)P3.2 /INT0(外部中断0)P3.3 /INT1(外部中断1)P3.4 T0(记时器0外部输入).5 T1(记时器1外部输入)P3.6 /WR(外部数据存储器写选通)P3.7 /RD(外部数据存储器读选通)P3口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号。 2.2 信号控制部分

信号处理部分是该系统电路的重要组成部分，其主要作用是处理由单片机送来的数字信号，将其以模拟稳压的形式输出。电路的组成主要包括D/A转换电路，放大电路。

2)A/D转换电路

DAC0832芯片介绍，DAC0832引脚图如图3-2所示：DAC0832是一种典型的8位转换器，它能直接与MCS-51单片机相连接，其主要特性如下：

(1)电流输出，稳定时间为1us;

(2)可双缓冲输入，单缓冲输入或直接数字输入;

(3)单一电源供电(+5-+15V);

 

 

DAC0832的各引脚及功能如下：

DI0-DI7：8位数字信号输入端，与单片机的数据总线相连，用于接受单片机送来的待转换的数字量，DI7为最高位。

 

 

Iout1:D/A转换器电流输出1端，输入数字量全“1”时，Iout最大，输入数字量全“0”时，Iout最小。

Iout2：D/A转换器电流输出2端，Iout1+Iout2=常数。 VCC： 电源输入端，可在+5V-+15V范围内。 DGND：数字信号地。

AGND：模拟信号地，最好与基准电压共地。一般情况下，这两个地端均并联接地。

2)信号放大电路

该电压放大电路主要由放大器构成，由电路图可知运算放大器的反馈来自数控电源的输出端，下面是有关运算放大器LM393的介绍：

1、单电源供电在0—30V;

2、双电源供电;+15V—-15V。

3、所有运算放大器都没有“地”引脚，所有正负电源对运放来说都是相对于脚VCC的单电源供电。

3) LED数码管显示电路

本双路直流稳压电源的数据显示采用数码管电路来实现。单片机应用系统中常使用LED作为显示器，在需多位LED显示时，为了简化电路，降低成本，常将所有门的选线并联在一起，由一个8位I/O口控制，而共阳I/O线受控制，实现各部分时选通。如图3-3所示为6位LED动态显示接口电路。显示部分电路图如下图所示：

 

 

由键盘电路将所要输出电压的数值送给单片机，经单片机处理后将该数值一方面送给信号处理电路，同时该数据被送给显示电路去显示。该显示电路由数码管和锁存器组成。

数码管的外型结构如图3-4a)所示。数码管又分为共阴极和共阳极两种类型，其结构分别如图3-4 b)和图3-4 c)所示。

 

 

本系统电路采用动态显示，其亮度不如静态显示方式，而且在显示位数较多时，CPU要依次扫描，占用CPU较多时间，但采用动态显示方式比较节省I/O口，而且硬件电路也较静态显示简单。

4)显示驱动电路

MCS—51单片机受引脚数的控制，P0口兼用数据线和低8位地址线，为了将它们分离出来，需要在单片机外部增加显示驱动电路。本设计选用驱动芯片74HC573。

74HC573是一种带有三态门的8D锁 存器，其引脚图如图3-5所示。 对其引脚说明如下：

D7—D0：8位数据输入线。 Q0—Q7：8位数据输出线。

G：数据输入锁存选通信号，高电平有效。当该信号为高电平时外部数据选通到内部锁存器，跳变时，数据锁存到锁存器中。

 

 

OE：数据输出允许信号，低电平有效。当该信号为低电平时，三态门打开，锁

存器中数据输出到数据输出线。74HC573功能表如表3-6所示：

 

 

5)按键部分

按键接口具有的功能：

1、键扫描功能，即检测是否有键按下;

2、键识别功能，确定被按下的键所在的行列的位置; 3.产生相应的键的代码;

按键采用中断方式与单片机相连，其中行和列占用了51单片机的P1口，四列除了分别使用5.1K的电阻上拉至VCC外，还和74HC573的输入相连接，与门对应输出接单片机的外部中断输入引脚，用于在有键按下时申请中断。

6)输出部分

输出电路主要由三端稳压器7815和7915构成。这里介绍用一块7815和一块7915三端稳压器对称连接，即可获得一组正负对称的稳压电源，经过稳压处理的电压值最后经负载输出

7) 三端稳压芯片7815概述

如图3-7所示，引脚号标注方法是按照引脚电位从高到底的顺序标注的。引脚①为最高电位，③脚为最低电位，②脚居中。从图中可以看出，不论正压还是负压，②脚均为输出端。对于7815正压系列，输入是最高电位，自然是①脚，地端为最低电位，即③脚。在7815系列中，散热片和地相连接。

 

 

8)三端稳压芯片7915概述

对于7915负压系列，输入为最低电位，自然是③脚，而地端为最高电位，即①脚，如图3-8所示。

此外，还应注意，散热片总是和最低电位的第③脚相连。在7915系列中，散热片和输入端相连接。

 

 

9)整机原理图

 

 

三、系统软件设计

1、软件程序框图

正负可调双路直流稳压电源的软件程序框图如图4-1所示：

 

 

 

 

数码管显示电路设计

该数控电压源的数据显示采用数码管来实现。在该部分电路设计中，单片机与显示电路之间的数据传输采用串行通信方式，单片机工作在串行口工作方式0，即同步移位寄存器方式。相关的显示子程序如下：

 

 

四、系统安装及指标测试

系统指标测试

在设计完成以后，要对单元电路进行联合测试，检验他们是否达到设计要求。检查的项目包括输出电压范围，在整个输出电压范围内的步进调整值，输出的最大电流和电路的工作情况。数控电源系统的供电由直流稳压电源提供，需要提供3种电压的电源：+5V，+12V电源和-12V电。输出电压范围和步进调整值由三用表测量。

当数控电源的输出端连接在不同负载电阻时，由于输出电流不同，输出电压也不同。这里分别列出当负载电阻RL为10 K?，500?和100?时数控电源的要求输出电压值。实测电压值，绝对误差和相对误差。

当负载电阻RL为10 K?时，：要求输出电压1.0v时，绝对误差为0.02，相对误差为2.1实测输出电压为0.98v。

当负载电阻RL为500?时， 要求输出电压1.0v时，绝对误差为-0.02，相对误差为2.1，实测输出电压为0.99v。

当负载电阻RL为100?时， 要求输出电压1.0v时，绝对误差为-0.02，相对误差为1.0，实测输出电压为1.01v。 4.2 系统调试误差分析

1、电路调试过程中错误分析

电路线路比较多，容易出现短路现象，数码显示由于短路出现显示不正常显示，整理线路后能够正常显示。制作和测试-12V电源时，由于没有认真参考整流管的接法和7915的芯片资料，出现两次电容爆裂。

数码管显示出现问题，检查电路发现有一位数码管是共阴极，不符合电路要求，换为共阳极数码管后问题得到解决。稳压管7815的输出端输出电压，检查电路，发现输出端需要增加一个电容，增加后问题得到解决。综合分析可以知道在测试电路的过程中可能带来的误差因素有：

1)测得输出电流时接触点之间的微小电阻造成的误差;

2)电流表内阻串入回路造成的误差;

3)测得纹波电压时示波器造成的误差;

4)示波器， 万用表本身的准确度而造成的系统误差;

2、可以通过以下的方法去改进此电路：

1)减小接触点的微小电阻;

2)根据电流表的内阻对测量结果可以进行修正; 3. 测得纹波时示波器采用手动同步;

4)采用更高精确度的仪器去检测;

这次设计的这个直流稳压电源电路;采用了电压调整管DAC0832来实现电压的调整部分;还通过单片机(AT89C52)来实现电路的控制，也实现了扩充多功能;通过LM7815和LM7915来实现了电路中的稳流部分，至于电路的最后一部分(DC-DC变换部分)我们是采用两片升压开关调节器(MAX770)来实现了电路中的DC-DC变换部分。本次设计在电压调整器的电路中，采用了适当的联接方法，可以实现电压”零”伏起调;测试方法与过程也比较充分，同时也实现了电压的可调.