0 引言

电源技术是一门实践性很强的工程技术，广泛应用于教学、科研、生活等各行各业。当今电源技术融入了电气、电子、系统集成、控制理论、材料等诸多学科领域。随着计算机和通信技术发展而来的现代信息技术革命，给电力电子技术提供了广阔的发展前景，同时也给电源提出了更高的要求。随着数控电源在电子装置中的普遍使用，普通电源在工作时产生的误差，会影响整个系统的精确度。电源在使用时会造成很多不良后果，世界各国纷纷对电源产品提出了不同要求并制定了一系列的产品精度标准。只有满足产品标准，才能够进入市场。随着经济全球化的发展，满足国际标准的产品才能获得进出的通行证。目前所使用的直流可调电源中，几乎都为旋纽开关调节电压，调节精度不高，而且经常跳变，使用麻烦，具有功能简单、难控制、可靠性低、干扰大、精度不够且体积大、复杂等诸多不足。利用数控稳压电源，能较好地解决以上传统稳压电源的诸多不足，还可减小电源高频谐波干扰和非线性失真，同时便于CPU 数字化控制。从组成上，数控电源可分成器件、主电路与控制等三部分。

1 设计说明

直流稳压电源是常用的电子设备，它能保证在电网电压波动或负载发生变化时，输出稳定的电压。随着数控稳压电源在电子装置中的普遍使用，普通稳压电源在工作时产生的误差，会影响整个系统的精确度。因此，一个低纹波、高精度的数控稳压电源在仪器仪表、工业控制及测量领域中有着非常重要的实际应用价值。

本设计就是要求设计一个低纹波、精度较高的数控稳压电源，其交流供电在198V到242V之间变化，输出电压范围为0～15V，额定工作电流为1.0 A，并具有“+”、“－”步进电压调节功能，其最小步进为0.05 V，纹波不大于50mV，用LCD 液晶显示器显示其输出电压值。本设计的数控稳压电源可应用于仪器仪表、工业控制及测量、实验教学与工程实践等诸多领域，以降低纹波、减小非线性失真、提高精度。

2 方案设计与论证

电源输出电压的调整方式有连续调整和步进调整两种，前者适合采用模拟电路来实现，后者适合采用数字电路来实现。由于本设计已经明确要求电源输出电压的调整方式为步进方式，因此，本设计选用数字电路来实现输出电压的控制。

按照工作原理，数字集成电路可以划分为标准逻辑器件、微处理器和可编程逻辑器件。标准逻辑器件是传统数字系统设计中使用的主要器件，但是它的集成度较低，器件功能确定，使用它设计系统导致电路使用数量多，同时更改设计困难。微处理器和可编程逻辑器件都可以克服上述缺点，但可编程逻辑器件工作速度快，实现信号处理比较麻烦。微处理器的工作速度比可编程逻辑器件要慢，但是容易实现信号处理。

本设计采用51 系列单片机来控制，故选用微处理器AT89S51 单片机实现数控电源输出电压的步进调整。因为数控电源属于低速工作系统，适合使用微处理器来实现输出电压的控制，并且AT89S51 单片机在一块芯片上集成了计算机的主要功能部件，它的指令系统又是按照工业控制的要求设计的。

显示部分可以采用LED 数码管和液晶显示器两种方式，这里选用LCD1602 显示器来显示。在上述的技术指标中，为了达到1A 的输出电流，需要使用输出恒定电流的器件，对于LM317 来说，还需要加一个散热片; 纹波小于50 mV，说明需要进行相应的滤波; 采取交流供电，这就需要设计交流变直流的电路来供芯片正常工作。

3 硬件系统设计

3.1 系统设计框图

本设计的硬件电路组成框图如图1 所示。它包括显示电路、键盘电路、单片机电路、数字/模拟转换电路、模拟信号放大电路。

图1 数控电源的硬件电路组成框图

图1所示数控电源的输出电压数值由键盘控制。通过键盘把需要输出的电压以步近方式输入到单片机。在使用步进方式调整数据时，输出电压不能随着变化，以避免在调整过程中输出的电压不能满足要求。输出电压应该在完成步进调整以后再发生变化。

显示电路既可以用来显示输出的电压值，也可以显示调整数值的过程。输出电压对应的数据被送入D/A转换器，D/A转换器的输出随着它的输入数据的变化而变化，从而实现步进调整。由于D/A 的输出不能满足要求值的大小，故还需要加运算放大器。

模拟信号放大器包括电压放大和电流放大两部分。前者使得输出电压满足要求，后者是为了满足电流输出的要求。

3.2 主要器件的选取

器件的选取是硬件设计的基础和前提，它关系到整个系统的设计、功能的实现以及成本的控制。本设计单片机采用Atmel 公司的89S51，功能上满足要求，而且价格便宜，获取渠道方便。D/A 转换器采用DAC0832，它是8 位并行输入模式，器件购买方便，价格适中。

本设计选用的显示模块是内核为HD44780 的字符型液晶显示模块，有8 位数据接口，控制器内部带有80* 8 位(80 字节) 的RAM 缓冲区。根据显示的容量可以分为1 行16 个字、2 行16 个字、2 行20 个字等等，这里采用常用的2 行16 个字的1602 液晶模块，它是用5* 7 点阵图形来显示字符的液晶显示器，可以满足本设计的显示要求。

各芯片的供电电压均由220 V 的市电转换获得。因此选用了三端固定输出集成稳压器7815、7805 和7915。

3.3 单片机及其外围电路设计

3.3.1 单片机电路设计

这里采用的是Atmel 公司的AT89S51 单片机，其原理电路如图2 所示。图中AT89S51 的P1 口用作I/O口，直接与液晶模块的数据总线D0～D7相连; P3 口0、1、3 脚分别与液晶模块的控制线E、RW、RS 相连，在单片机程序执行过程中，对他们作出相应的控制，以驱动1602 显示; P3.5～P3.7 与按键电路相连接; P2口用作I/O 口，直接与DAC0832 的数据总线D0 ～ D7 相连。

3.3. 2 键盘电路设计

本设计通过设置三个按键，来实现电压的增减。

数控电源的键盘电路采用图3所示的独立式键盘电路。在图3所示的电路中，3个按键开关分别与单片机的I/O 引脚P3.5～P3.7相连接。由于89S51 单片机P3 口内部已经有上拉电阻，此处勿需再加驱动电阻。

3.3.3 液晶显示模块设计

本设计中FM1602 的接线图如图4所示。在进行液晶模块的硬件调试时，必须注意连线是否正确，尤其是正负电源的接线不能有错，否则可能烧坏电路上的芯片。

图4FM1602C 及外围电路

3.3.4 D/A 转换模块及放大电路设计

DAC0832 是采样频率为八位的D/A 转换器件，芯片内有两级输入寄存器，使DAC0832 具备双缓冲、单缓冲和直通三种输入方式，以便适于各种电路的需要( 如要求多路D/A 异步输入、同步转换等) 。由于本设计的数控电源只需要一路输出，为简化电路组装和程序编写，此处DAC0832 的硬件电路采用直通方式接口电路，只要二进制数据送到DAC0832 的数据口，则会自动把数据转为相应的电流。因为DAC0832 是电流输出型，即它的输出电流与输入数字信号成正比，图5 中的第一级运算放大器用来把电流输出信号转换成电压输出信号。该级运算放大器的输出在送往下一级运放的同时也送到DAC0832 的引脚Rfb用作反馈信号。DGND 为数字量地线，AGND 为模拟量地线。

图5 D/A 转换模块及放大电路

对于DAC0832 的控制线，引脚ILE 直接与供电电源相连接，引脚CS和XFER接地，引脚WR1和WR2也直接接地。这样，通电以后就可以使它工作，所有的控制信号始终有效，失去缓冲功能，即采用的是无缓存、直通型应用方式。

通过调节可调电阻使可调分流基准芯片TL431 的输出电压为5.12 V，那么在DAC 的8 脚输出电压的分辨率为5.12/256 = 0.02 V，也就是说DA 输入数据每增加1，电压增加0.02 V。在选择电阻时必须保证TL431 工作的必要条件，就是通过阴极的电流要大于1mA。

从运放输出的电压由LM317 的输入端输入，把调节端接到最终输出电压电流的地方，所获得的电压电流从它的输出端获得。2 脚串联一个1.25Ω 的电阻，那么稳定的基准电压1.25V 在该电阻上产生1A 的电流。因此，输出电压与输入电压相等，输出电流也为1A。

3.3.5 各芯片的供电电源设计

输出各芯片供电电源电路如图6 所示。

图6 输出各芯片供电电源电路图

供电电源采用7815，是为了改善纹波特性，在输入端加接电容，一般取值为0.33uF; 在输出端加接电容，一般取值为0.1uF，其目的是改善负载的瞬态响应，防止自激振荡和减少高频噪声。还可以在78XX 系列产品的输入输出端外接一个二极管VD，起输入短路保护作用。若输入端短路时使通过二极管放电，以便保护集成稳压器内部调整管。

3.3.6 数控电源原理总图

数控电源原理总图如图7 所示。

图7 数控电源原理总图

软件系统设计本设计软件的作用是: 控制电源电压的输出、LCD 显示以及键盘扫描。4 软件系统设计

本设计软件的作用是: 控制电源电压的输出、LCD 显示以及键盘扫描。

4.1 数控电源的软件流程框图

在图8 所示数控电源的软件流程框图中，首先单片机被初始化。单片机初始化包括以下内容: LCD1602 的初始化; 设置数控电源的开机输出电压，例如通过向数字/模拟转换器写入数据11 使得数控电源的开机输出电压为5.0V。上述初始化工作完成以后，单片机执行循环体while 里的内容。在该循环体内包括判断按键程序、设置、显示与输出程序。

图8 数控电源软件流程框图

4.2 主程序如下

通过程序连续地对键盘进行扫描，首先读入引脚P3.5 ～ P3.7 的状态; 接着执行一段10ms 的延时程序; 再次读入引脚P3.5 ～ P3.7 的状态; 通过比较两次读入的状态实现软件去抖动。确定有按键被按下后，利用程序可以判断哪一个引脚的输入为低电平，从而确定哪一个按键被按下。

5 系统测试

本节主要对各单元电路进行联合测试，检测它们是否达到设计要求。检查的项目包括输入、输出电压范围与输出电流的测量、在输出电压范围内的步进调整值与纹波的测量。

5.1 输入、输出电压范围与输出电流的测量

用万用表的交流电压档、直流电压档和直流电流档分别对其输入、输出电压范围与输出电流进行了测量。经检测其交流供电电压在198 V 到242 V之间变化，输出电压在0～15V之间变化，额定工作电流为1.0 A，满足设计要求。

5.2 输出电压范围内的步进调整值与纹波的测量

用万用表的直流电压档、双踪示波器和电子毫伏表分别对其输出电压范围的步进调整值与纹波进行了测量。经检测其“+”、“－”步进电压调节的最小步进为0.05 V，纹波为28 mV，小于50 mV，满足设计要求。

6 结束语

电源控制数字化是当前电源发展的重要方向，随着信息技术的突飞猛进，将对开关电源技术的发展起到巨大推进作用。数控电源的发展，主要朝着更高的数控精度和分辨率及更好的动态特性; 更好的环保性能; 智能化与高可靠性; 更广泛的应用等方向发展。本设计的数控稳压电源可应用于仪器仪表、工业控制及测量、实验教学与工程实践等诸多领域，以降低纹波、减小非线性失真、提高精度，具有设计简单，控制灵活，调节方便，携带方便、成本低等优势，克服了传统的直流稳压电源具有功能简单、难控制、可靠性低、干扰大、精度不够且体积大、复杂等诸多不足，具有较强的实用性，有着广泛的应用前景。