目前,國外直流穩(wěn)壓電源已朝著多功能和數(shù)字化的方向發(fā)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(shù)控電源.本文在文獻〔2〕的基礎上,以單片機為核心,構(gòu)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(shù)控直流穩(wěn)壓電源.它有效地克服了傳統(tǒng)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(tǒng)的功能和特點

系統(tǒng)有6路電壓輸出,其中3路為正,3路為負.電壓調(diào)節(jié)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(shù)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(shù)字鍵0～ 9及小數(shù)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(tài);“# ”鍵用于啟動電壓設定狀態(tài)和確認新設定;“@ ”鍵為巡回顯示和定點顯示切換鍵.

本系統(tǒng)設有巡回顯示、定點顯示和電壓設定3種工作狀態(tài).當接通電源時,自動設置為巡回顯示狀態(tài),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(shù)字鍵,則定點顯示該路數(shù)和電壓.若再按“# ”,則電壓顯示值出現(xiàn)閃爍現(xiàn)象,表示進入電壓設定狀態(tài).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(tài)下, 用“↑”鍵和“↓”鍵以0. 1 V 的增量設定電壓.系統(tǒng)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(tài),可用數(shù)字鍵、“↑”或“↓”鍵選擇監(jiān)視的電壓路號.同樣地,系統(tǒng)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(tǒng)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(tǒng)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(nèi)置4 K B 閃速存儲器,具有128 B 內(nèi)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(tǒng)要求.圖1為系統(tǒng)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(diào)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(shù)大為降低.增并調(diào)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(diào)節(jié)采用了比例積分調(diào)節(jié)器,輸出電壓在正常的工作區(qū)能完全地跟蹤控制電壓Uin .經(jīng)過推導,可得穩(wěn)態(tài)的輸出電壓值Uo = WinRw /Rr .Rb 及B G 3 等構(gòu)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(tǒng),具有絕對的穩(wěn)定性.因此,它十分適合于系統(tǒng)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(zhuǎn)換器和采樣保持器等組成.控制電壓由D /A 提供,

系統(tǒng)采用了開環(huán)控制方式.一般說來,開環(huán)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(jié)構(gòu),能實現(xiàn)無靜差調(diào)節(jié).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(jié)構(gòu).其控制算法簡單,可靠性顯著增強.D /A 輸出一般很穩(wěn)定,但分辨率有限.按本系統(tǒng)的設計要求,輸出電壓的分辨率必須大于0.1 V .已知穩(wěn)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(zhuǎn)換器.為保證一定裕量,系統(tǒng)采用D A C 1210.本系統(tǒng)具有多路正負輸出,考慮到高位D /A 轉(zhuǎn)換器價格較高.因此,采用了一塊D /A ,經(jīng)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(shù)據(jù)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(tài)的改變,使相應路的采樣/保持器L F 398由保持狀態(tài)變?yōu)椴蓸訝顟B(tài).然后,再恢復成保持狀態(tài),從而實現(xiàn)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(tǒng)監(jiān)控軟件的負擔較重,顯示采用了靜態(tài)顯示模式〔5 〕.不難發(fā)現(xiàn),電源輸出的極性決定于輸出電壓回路的電路結(jié)構(gòu),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(shù)碼管,但路號的顯示不用小數(shù)點位,而極性的顯示(負號)僅需一位數(shù)據(jù)線.故兩塊數(shù)碼管完全可以共享一組8位顯示數(shù)據(jù).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(tǒng)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(tǒng)一的狀態(tài)字,有效克服了系統(tǒng)的功能多、狀態(tài)轉(zhuǎn)換復雜給軟件設計帶來的困難.系統(tǒng)軟件流程圖,如圖3所示.

3.1 狀態(tài)字設計

狀態(tài)字(SB )占用一個字節(jié),有效位為5位.有

S B .0 = 1,表示處于巡回顯示狀態(tài), SB .0 = 0,無意義;

S B .1 = 1,表示處于定點顯示狀態(tài), SB .0 = 0,無意義;

S B .2 = 1,表示處于電壓設定狀態(tài), 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(shù)字設定,SB .4 = 0,表示電壓首次數(shù)字設定.

3.2 各功能處理模塊

(1)主程序.進行系統(tǒng)初始化設定(I/O 口、定時、中斷、狀態(tài)字、各數(shù)據(jù)緩沖區(qū)等初始化),等待中斷.(2) 定時中斷服務程序.輸出電壓的穩(wěn)定性是穩(wěn)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(shù)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(jù)鍵碼和當前狀態(tài)字,跳轉(zhuǎn)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(shù)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(qū)的內(nèi)容譯成七段碼并存入相應的顯示緩沖區(qū).(6) D /A 譯碼程序.將鍵碼緩沖區(qū)的內(nèi)容譯成對應的12位D /A 二進制數(shù)碼,并存入相應的D /A 數(shù)據(jù)緩沖區(qū)(一路輸出占2 B ).(7) 顯示子程序.根據(jù)路數(shù),將該路數(shù)據(jù)緩沖區(qū)的內(nèi)容與屏蔽字相或后,送對應數(shù)管.(8)錯程識別序1.在電壓設定狀態(tài),判定鍵入數(shù)字碼后,鍵碼緩沖區(qū)數(shù)據(jù)格式的錯誤,恢復鍵入前的狀態(tài)并給出相應標志(SB .3).(9) 錯程識別序2.在電壓設定狀態(tài),判定鍵入“↑”鍵、“↓”鍵后,鍵碼緩沖區(qū)數(shù)據(jù)格式的錯誤恢復鍵入前的狀態(tài),并給出相應標志(S B .3).

3.3 數(shù)據(jù)緩沖區(qū)設定

(1) D /A 數(shù)據(jù)緩沖區(qū).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(qū).在電壓設定狀態(tài),存儲鍵入的數(shù)值碼(包括小數(shù)點),一鍵碼用4位二進制數(shù)表示.故每路占2 B ,共12 B .(3) 顯示緩沖區(qū). 存儲各路輸出電壓顯示七段碼(含路數(shù)、輸出極性、電壓大小),每路占4 B ,共24 B .(4) 鍵碼備份緩沖區(qū).進入電壓設定狀態(tài)時,程序?qū)椭飘斍奥锋I碼緩沖區(qū)的內(nèi)容并存入此區(qū),共2 B .(5) 顯示備份緩沖區(qū).進入電壓設定狀態(tài)時,程序?qū)椭飘斍奥凤@示緩沖區(qū)的內(nèi)容并存入此區(qū),共4 B .

4 結(jié)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(jié)合,構(gòu)成一款新式多路數(shù)字可調(diào)功率直流穩(wěn)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(wěn)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?shù)木w管,加裝大小適當?shù)纳崞?span lang="EN-US">.這樣,一般不需太多調(diào)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.