1、.基于 MCU 的數控直流穩壓電源設計摘要： 本項目設計制作一個輸出電壓范圍（612V）可調節和輸出電流范圍（ 0500mA）可調節的數控直流穩壓電源。 直流穩壓電源通常是由四部分組成：電源變壓器、整流電路、濾波電路和穩壓電路。其中難點在第四部分，本項目設計制作的是一個串聯型線性穩壓電路，主要包括基準電壓電路，調整管，比較放大，取樣電路四個單元模塊。 本項目將基準電壓設計成一個數控基準電壓，則穩壓電路就可以構成一個數控的穩壓電源。此基準電壓通過單片機的 A/D 轉換實現，通過差動放大電路與取樣電壓進行比較放大，輸出電壓通過調整管得到穩定，并通過單片機的 D/A 轉換將采樣電壓，采樣電流轉換成輸

2、出電壓電流并用數碼管顯示出來。本項目制作的數控直流穩壓電源具有結構簡單、調節方便、輸出電壓穩定性強、紋波電壓小等優點。關鍵字： 數控直流穩壓電源；基準電壓；取樣電路；單片機一、設計任務與要求1、設計任務設計并制作有一定輸出電壓調節范圍和功能的數控直流穩壓電源，其原理框圖如圖1所示。電源穩壓電路負載輸出電壓顯示控制器電流采樣鍵盤圖 1 數控電源原理框圖2、 基本要求（1）輸出直流電壓調節范圍 +6V +12V。（2）最大輸出電流為500mA。（3）按鍵設定輸出電壓值，分辨率為0.1V。（4）顯示穩壓電源實際輸出電壓值， 要求精度為 （ 0.5讀數 2 個字）。（5）實時采樣并顯示輸出電流，顯示分

3、辨率為1mA ，要求精度為 （2%讀數 +2 個字）。（6）電壓調整率 0.2%（輸入電壓變化范圍 10% 10%下，空載到滿載）。（7）電流調整率 1%（最低輸入電壓下，滿載） 。（8）紋波電壓（峰 -峰值） 10mV（最低輸入電壓下，滿載） 。（9） 具有過流保護功能；動作電流不大于 600 mA 。（動作電流為輸出電壓下降 5%時，對應的輸出電流值）.（10）要求一路單電源供電。二、基本工作原理一個直流穩壓電源通常是由電源變壓器、整流電路、濾波電路和穩壓電路四個部分構成，前三部分電路的作用及工作原理較為簡單。穩壓電路較常用的串聯型線性穩壓電路具有結構簡單、調節方便、輸出電壓穩定性強、紋波

4、電壓小等優點，其原理圖如圖 2 所示。輸入電壓為整流濾波電路的輸出電壓。調整管取樣電路+比較放大+R1UORARLUIR2基準電壓電路DZ-圖 2串聯型穩壓電路原理圖穩壓電路的輸出電壓為：R1U ZU O1R2Uz圖 3 采用差動放大電路的穩壓電路由上式可知輸出電壓與基準電壓為線性關系，當改變Uz 的大小，則輸出電壓也將發生變化。如果此基準電壓是一個數控基準電壓，則此穩壓電路就可以構成一個數控的穩壓電源。數控基準電壓源的原理框圖如圖3 所示。輸輸輸輸輸輸輸輸輸輸輸輸D/A輸輸輸輸輸輸輸輸.圖 4 數控基準電壓源原三、 單元電路設計參考（ 1）穩壓電路串聯型穩壓電路參見圖 2，其中調整管是核心元

5、件， 它的安全工作是電路正常工作的保證， 它的選用主要考慮其極限參數 ICM ，U（ BR ）CEO 和 PCM 。調整管極限參數的確定，必須考慮到輸入電壓 UI 由于電網電壓波動而產生的變化，以及輸出電壓的調節和負載電流的變化所產生的影響。由圖可知，調整管的發射極電流IE 等于采樣電阻 R1 中電流和負載電流 I L 之和，即 IE=I R1+IL ，調整管的管壓降 UCE 等于輸入電壓 UI 與輸出電壓 UO 之差，即 UCE=UI-UO 。顯然，當負載電流最大時，流過調整管發射極的電流最大，即IEmax=I R1+I lmax。通常， R1 電阻上電流可以忽略，且 I EmaxI Cma

6、x，所以調整管集電極最大電流為： I CmaxIEmax（ 2）當電網電壓最高，即輸入電壓最高同時輸出電壓最低時，調整管承受的管壓降最大，即UCEmax=UImax-UOmin（ 3）當晶體管的集電極電流最大，且調整管承受的管壓降最大時，調整管的功率最大，即Pcmax= I Cmax UCEmax（ 4）由以上幾式即可確定調整管的極限參數。實際選用時，還要考慮留一定的余量。（ 5）電路設計的參數計算：圖中輸出電壓關系為： UR4R5UoZR5? = 12?= 6? = 0.7 + 0.5 600?= 1?= ?+ ?+? =12+1.5+1=14.5V取? = 17?= 17 ( 1 - 10

7、% ) = 15.3?= 17 (1 + 10%) = 18.7?0.7(?)?2 = 600(?) = 1.167 取 1.2?=?-? 取43? ?= 44311.3(?)?-?-? ?-? ?15.3-12-1.4-1?=?=5001(750 +1)?1.67= 539 取 560放大倍數為 6 倍，取 ?4 = 1.8?5 =?430 采樣電阻取值： 要滿足最大采樣電壓不超過 2.4V 避免燒壞單片機 ADC0 口所以取值： ?7=1?6 = 5.6?1額定電流下（ 500mA ）負載是 R=12（ V)= 24f = 50?500( mA )2?C=133F 取 100F具體電阻視實

8、驗室提供的大小進行調整！.四、穩壓電源主要性能指標直流電源的技術指標分為兩種：一種是特性指標，包括允許輸入電壓、輸出電壓、輸出電流及輸出電壓調節范圍等；另一種是質量指標，用來衡量輸出直流電壓的穩定程度，包括穩壓系數（或電壓調整率） 、輸出電阻（或電流調整率）、紋波電壓及溫度系數等。穩壓電源主要性能指標測試。1、輸出電壓范圍在額定負載情況下，穩壓電源輸出電壓可調范圍。2、輸出最大電流最大輸出電流是指穩壓電源正常工作的情況下能輸出的最大電流， 用 I omax 表示。一般情況下的工作電流 Io Iomax，穩壓電路內部應有保護電路，以防止 I oI omax 或者輸出端與地短路時損壞穩壓器。Io+

9、輸輸+IUiUo VRL輸輸-輸輸-輸輸輸輸輸圖 5 穩壓電源性能指標測試電路3、紋波電壓疊加在輸出電壓上的交流電壓分量。 用示波器觀測其峰峰值一般為毫伏量級。也可用交流毫伏表測量其有效值， 但因紋波不是正弦波， 所以有一定的誤差，一般直流電源的紋波電壓 V P-P 10mV。4、電壓調整率當輸出電流和環境溫度保持不變時，只考慮由于輸入電壓改變 Ui 所引起輸出電壓的變化量 Uo 與輸出電壓 Uo 的百分比，即SvU o100%U oU i10%（5）5、電流調整率當輸入電壓和環境溫度保持不變時， 改變輸出電流所引起輸出電壓的變化量 Uo 與輸出電壓 Uo 的百分比，即SiU o100%（6）

10、U oIo Io max該參數用于考核器件對應于負載變化而維持輸出電壓不變的能力。6、輸出最大電流最大輸出電流是指穩壓電源正常工作的情況下能輸出的最大電流，用 I omax 表示。一般情況下的工作電流 I o Iomax，穩壓電路內部應有保護電路，以.防止 IoIomax 或者輸出端與地短路時損壞穩壓器。Io+被測+IU i穩壓U o VRL-電源-滑線變阻器圖 15穩壓電源性能指標測試電路測試數據：輸入 9V 下降 5%，即 8.55V 時，最大輸出電流為 594mA；輸入 12V 下降 5%，即 11.4V 時，最大輸出電流為 598mA；所以有上述數據得到：最大輸出電流小于 600mA。

11、7、紋波電壓疊加在輸出電壓上的交流電壓分量。 用示波器觀測其峰峰值一般為毫伏量級。也可用交流毫伏表測量其有效值， 但因紋波不是正弦波， 所以有一定的誤差，一般直流電源的紋波電壓。測試數據：輸入 6.0V，輸出電流 501mA 時，示波器的波動電壓為V p-p=8mV小于實驗要求（ 10mV），所以達到實驗要求。五 過流保護電路 (硬件保護）為了使電路安全工作，一般需要加入過流保護電路。當調整管輸出電壓不變時，負載電阻 RL 變小輸出電流就變大，極限情形負載電阻短路。輸出電流變大，圖 6 中的電阻 R 上壓降增大，使得 Q2 的 ICE 電流增大，從而流向調整管基極電流變少，從而限制了輸出電流的

12、增大。極限情形當UR 超過 VBE時，三極管 Q2 飽和導通，調整管無電流輸出。圖 6過流保護電路圖.相關計算如下：R0.7VU1. 1677RI C max600mA根據實驗室已有電阻，取R=1.2六、實驗數據測量與記錄相對誤差 =|設定電壓 -實測電壓 |/實測電壓當輸入電壓為 17V 時的測量數據：最大輸出電流設定電壓（ V ） 數碼管顯示電（ mA ）壓（ V ）（14）高精度萬用表 相對誤差（設測量電壓（ V ） 定電壓與實測電壓的誤差）5046.006.075.911.52%5026.106.156.060.66%5076.206.226.150.81%4976.306.286.2

13、60.64%5036.406.456.410.16%5066.506.536.490.15%5027.006.976.980.28%4998.508.448.591.05%5019.008.989.090.99%50410.5010.5610.681.69%50311.0011.0511.080.72%50112.0012.0211.881.01%小結：由表中數據可知在誤差允許范圍內系統基本達到設計要求。 而且單片機測量值與使用高精度電壓表的實測值很逼近。系統設計達標。當輸入電壓為 15.3V時的測量數據最大輸出電設定電壓數碼管顯示高精度萬用相對誤差（設流（ mA ）（ V ）電壓（ V）表測

14、量電壓定電壓與實（ V ）測電壓的誤差）4956.006.146.010.17%5059.008.969.272.91%50012.0011.9012.806.25%當輸入電壓為18.7V 時的測量數據最大輸出電流設定電壓（ V ） 數碼管顯示電高精度萬用表相對誤差（設（ mA ）壓（ V ）測量電壓（ V ） 定電壓與實測.電壓的誤差）5046.006.276.132.12%5039.009.069.454.76%49712.0012.3613.209.09%空載時測量數據：負 載 斷 開 時 設定電壓（V） 數碼管顯示電高精度萬用表相對誤差（設（即輸出電流壓（ V）測量電壓（ V ） 定電

15、壓與實測0 mA）電壓的誤差）0 mA6.005.296.416.39%0 mA9.007.879.373.95%0 mA12.0011.6013.7012.4%滿載時測量數據：輸出電流為額設定電壓（ V ） 數碼管顯示電高精度萬用表相對誤差（設定電流時（500壓（ V）測量電壓（ V ） 定電壓與實測mA ）電壓的誤差）5046.006.075.911.52%4999.008.989.090.99%50312.0012.0211.881.01%過流保護時測量數據：設定電壓（V）額定電流 額定電流過流時電壓（ V ）過流電流（ mA ）500mA 下（ mA ）測得的電壓 (V)6.00503

16、6.066.06(1-5%)=5.755909.004978.878.87(1-5%)=8.4359412.0050211.9711.97(1-5%)=11.37598小結：由以上幾個表格的數據可看出，本實驗設計基本合理能夠達到設計要求。七、元器件 （設計過程用分立元件實現）三極管：9013 3 個， BD681 1 個，導線、電阻若干。八、實驗總結：由上述原理分析知本項目設計制作一個輸出電壓范圍（ 612V）可調節和輸出電流范圍（0500mA）可調節的數控直流穩壓電源。 由信號源提供一個直流電源設計制作一個串聯型線性數控穩壓電路， 主要包括基準電壓電路， 調整管，比較放大，取樣電路四個單元模

17、塊組成。 基準電壓由單片機鍵盤數控輸入提供， 此基準電壓通過單片機的 A/D 轉換實現。調整管采用 9013 三級管進行過流保護，比較放大器采用了由兩個 9013 三極管構成的差動放大電路，與取樣電壓進行比較放大，輸出電壓通過調整管得到穩定，并通過單片機的 D/A 轉換將采樣電壓，采樣電流轉換成輸出電壓電流并用數碼管顯示出來。 本項目制作的數控直流穩壓電.源達到了本實驗的要求， 具有結構簡單、 調節方便（采用單片機鍵盤數字輸入控制）、輸出電壓穩定性強（電壓調整率與電流調整率 1%）、紋波電壓小 (V p-p=8mV) 、有過流保護（ IOmax600mA）等優點。附錄：單片機代碼# inclu

18、debit model=0;/定義 model，0 為輸入數據， 1 為顯示電壓電流bit flag1=0;/定義標志位作為 INT7 中斷標志char data_10=0,data_1=0,data_01=0,date=0; /定義 data 表示輸入三個數據的十位，個位和十分位unsigned int DA_code=0,mun=0;/DA 轉化的數字量int voltage=0,current=0;/定義 voltage、current 表示測定的電壓、電流值int ms=0;/定義 ms 為 T0 計時單位，每過10ms，ms 加 1/時鐘初始化 ,外部時鐘 12Mvoid SYSCLK_Init(void)int i;OSCXCN=0x77;/外部時鐘選擇 12Mfor(i=0;i1)data_10=1; data_1=2;if( data_10=1&data_12)data_10=1; data_1=2;./*if(data_10=0&data_1date)/當輸出電壓大于設定值時，減小輸出DA 數字量值if(DA_code0)DA_code-;DAC1L=DA_code%256;DAC1H=DA_code/256;/向 DAC1H 寫數據， DA 更新輸