目前,國外直流穩壓電源已朝著多功能和數字化的方向發展.M atthew 等〔1 〕提出了采用多路D /A 分別設定多路輸出電壓,以及以多路A /D 進行輸出檢測的微機數控電源.本文在文獻〔2〕的基礎上,以單片機為核心,構成可同時控制6路正負輸出,具有定點顯示和巡回顯示等功能的數控直流穩壓電源.它有效地克服了傳統電源的不足,與國外同類電源相比,具有更高的性價比.

1 系統的功能和特點

系統有6路電壓輸出,其中3路為正,3路為負.電壓調節范圍為0～35 V ,最大輸出電流(A )分別為5,2和1,具有過流保護功能.數字顯示有5位,其中1位顯示路號,1位顯示電壓極性,另3位顯示輸出電壓.鍵盤設有16個鍵,數字鍵0～ 9及小數點鍵用于設定電壓輸出路號及幅值;“↑”鍵為逐步增加輸出電壓或路號;“↓”鍵為逐步減少輸出電壓或路號;“C L R ”鍵用于清除錯誤輸入,恢復原先狀態;“# ”鍵用于啟動電壓設定狀態和確認新設定;“@ ”鍵為巡回顯示和定點顯示切換鍵.

本系統設有巡回顯示、定點顯示和電壓設定3種工作狀態.當接通電源時,自動設置為巡回顯示狀態,它將每隔4 s 在顯示器上巡回顯示不同路號和相應電壓.電壓開機設定值為0.此時,若按數字鍵,則定點顯示該路數和電壓.若再按“# ”,則電壓顯示值出現閃爍現象,表示進入電壓設定狀態.如果依次按下“2”,“6”,“·”,“3”,再按“# ”鍵確認,新的電壓26.3 V 為實際輸出,設定完畢.也可以在電壓設定狀態下, 用“↑”鍵和“↓”鍵以0. 1 V 的增量設定電壓.系統設有自動識別功能,將不接受超出使用范圍的電壓設定值.在未按“# ”鍵之前,對誤輸入的電壓可以用“C L R ”鍵清除后重新設定.在定點顯示態,可用數字鍵、“↑”或“↓”鍵選擇監視的電壓路號.同樣地,系統將不接受超出實際范圍的路號設定值.輸出電壓的正負值由系統自動給出,無需用戶輸入.巡回顯示和定點顯示的切換按“@”鍵即可.

2 硬件電路分析

   系統選用A T 89C 51單片機為控制核心,完全兼容了8031單片機的指令和功能.同時,它還增加了內置4 K B 閃速存儲器,具有128 B 內部R A M ,3個I/O 口,功耗低,體積小巧,不需擴展存儲器就能滿足系統要求.圖1為系統硬件原理圖.

2.1 電壓輸出回路

電壓輸出回路原理,如圖2所示.其調整管采用共射極連接方式,與常見的共集極連接方式相比,功耗和紋波系數大為降低.增并調整管,適當增加B G 2 的容量即可擴展功率輸出容量.由于電壓反饋調節采用了比例積分調節器,輸出電壓在正常的工作區能完全地跟蹤控制電壓Uin .經過推導,可得穩態的輸出電壓值Uo = WinRw /Rr .Rb 及B G 3 等構成過流保護電路.理論可以證明,該回路近似為一階控制系統,具有絕對的穩定性.因此,它十分適合于系統的設計要求,詳細的分析說明可參見文獻〔2〕.

2.2 控制電壓給定回路

控制電壓給定回路由單片機、D /A 轉換器和采樣保持器等組成.控制電壓由D /A 提供,

系統采用了開環控制方式.一般說來,開環控制的抗干擾能力和精度差〔3 〕.但由于本電壓輸出電路采用了特有的結構,能實現無靜差調節.這樣,可以省去類似文獻〔2〕電路中的A /D 采樣和比較電路,既降低了成本,又簡化了結構.其控制算法簡單,可靠性顯著增強.D /A 輸出一般很穩定,但分辨率有限.按本系統的設計要求,輸出電壓的分辨率必須大于0.1 V .已知穩壓輸出量程為0～3 5V , 若D /A 的量程和參考電壓以5V 計,則D / A 的分辨率B應滿足2B> 35/0.1,B> 8.4.故可采用10或12位的D /A 轉換器.為保證一定裕量,系統采用D A C 1210.本系統具有多路正負輸出,考慮到高位D /A 轉換器價格較高.因此,采用了一塊D /A ,經不同采樣保持器,提供不同控制電壓.D A C 1210 的接口原理詳見文獻〔4〕. 采樣-保持電路由數據鎖存器74L S 273,以及6塊采樣-保持器L F 398組成.當D A C 1210輸出第N 路(1≤N≤6)控制電壓時,通過74L S 273的第N 位輸出狀態的改變,使相應路的采樣/保持器L F 398由保持狀態變為采樣狀態.然后,再恢復成保持狀態,從而實現對控制電壓的采樣和保持.

2.3 顯示和鍵盤接口電路

考慮到本系統監控軟件的負擔較重,顯示采用了靜態顯示模式〔5 〕.不難發現,電源輸出的極性決定于輸出電壓回路的電路結構,與路號有一一對應的關系.因而,可由軟件自動設置.路號及輸出電壓極性顯示需兩位數碼管,但路號的顯示不用小數點位,而極性的顯示(負號)僅需一位數據線.故兩塊數碼管完全可以共享一組8位顯示數據.這樣5位L E D 只需設4個鎖存器(74L S273).鍵盤電路設置于P 1 口,為典型的4×4中斷掃描鍵盤.

3 系統軟件設計

本軟件設計通過合理安排中斷和劃分各功能模塊,設置統一的狀態字,有效克服了系統的功能多、狀態轉換復雜給軟件設計帶來的困難.系統軟件流程圖,如圖3所示.

3.1 狀態字設計

狀態字(SB )占用一個字節,有效位為5位.有

S B .0 = 1,表示處于巡回顯示狀態, SB .0 = 0,無意義;

S B .1 = 1,表示處于定點顯示狀態, SB .0 = 0,無意義;

S B .2 = 1,表示處于電壓設定狀態, SB .0 = 0,無意義;

S B .3 = 1,表示電壓設定值有誤, SB .3 = 0,表示電壓設定值正確;

S B .4 = 1,表示電壓非首次數字設定,SB .4 = 0,表示電壓首次數字設定.

3.2 各功能處理模塊

(1)主程序.進行系統初始化設定(I/O 口、定時、中斷、狀態字、各數據緩沖區等初始化),等待中斷.(2) 定時中斷服務程序.輸出電壓的穩定性是穩壓器最重要的指標.考慮到采樣-保持器輸出有一緩慢的下降速率(當L F 398保持電容為0.1 μF 時,下降速率約200 V ·m in- 1 ),故需定時對其進行保持和電壓刷新.本服務程序完成各路電壓值刷新和顯示.中斷申請由定時/計數器T 0 提出,每隔130 m s 中斷一次,中斷服務級為最高級.(3) 鍵盤中斷服務程序.根據鍵碼和當前狀態字,跳轉相應的功能處理程序,中斷由IN T 0 引入.(4) 鍵掃描譯碼程序.將0～9、小數點,以及其它按鍵譯成對應00H ～0F H 的十六進制碼.(5) 顯示譯碼程序.將鍵碼緩沖區的內容譯成七段碼并存入相應的顯示緩沖區.(6) D /A 譯碼程序.將鍵碼緩沖區的內容譯成對應的12位D /A 二進制數碼,并存入相應的D /A 數據緩沖區(一路輸出占2 B ).(7) 顯示子程序.根據路數,將該路數據緩沖區的內容與屏蔽字相或后,送對應數管.(8)錯程識別序1.在電壓設定狀態,判定鍵入數字碼后,鍵碼緩沖區數據格式的錯誤,恢復鍵入前的狀態并給出相應標志(SB .3).(9) 錯程識別序2.在電壓設定狀態,判定鍵入“↑”鍵、“↓”鍵后,鍵碼緩沖區數據格式的錯誤恢復鍵入前的狀態,并給出相應標志(S B .3).

3.3 數據緩沖區設定

(1) D /A 數據緩沖區.存放各路輸出的D /A 值二進制碼,每路占2 B ,共12 B .(2) 鍵碼緩沖區.在電壓設定狀態,存儲鍵入的數值碼(包括小數點),一鍵碼用4位二進制數表示.故每路占2 B ,共12 B .(3) 顯示緩沖區. 存儲各路輸出電壓顯示七段碼(含路數、輸出極性、電壓大小),每路占4 B ,共24 B .(4) 鍵碼備份緩沖區.進入電壓設定狀態時,程序將復制當前路鍵碼緩沖區的內容并存入此區,共2 B .(5) 顯示備份緩沖區.進入電壓設定狀態時,程序將復制當前路顯示緩沖區的內容并存入此區,共4 B .

4 結束語

本文將單片機控制回路與無靜差的電壓輸出回路有機結合,構成一款新式多路數字可調功率直流穩壓電源,非常適合一般教學和科研使用.在制作時,電壓輸出回路,單片機、D A C 、采樣保持電路,顯示鍵盤面板宜分開設計.單片機、D A C 與其它外圍電路獨立供電.D A C 采用高穩定性的基準電源為參考電壓,面板電源開關可設計成僅切斷輸出回路的供電電源.還要注意選擇特性較理想的、功率適當的晶體管,加裝大小適當的散熱片.這樣,一般不需太多調試就能獲得成功.因此,本電源推廣容易,可望獲得廣泛的應用.