基于ATmega16的數(shù)控直流穩(wěn)壓電源設(shè)計(jì)

1 直流穩(wěn)壓電源的基本原理

直流電源電路一般由電源變壓器、整流濾波電路及穩(wěn)壓電路所組成。如圖1所示。

穩(wěn)壓電路經(jīng)常采用三端穩(wěn)壓器，應(yīng)用電路如圖2所示，只要把正輸入電壓U1加到LM7805的輸入端，LM7805的公共端接地，其輸出端便能輸出芯片標(biāo)稱正電壓U2。實(shí)際應(yīng)用中，輸入端和輸出端與地之間除分別接大容量濾波電容外，通常還需在芯片引出腳根部接小容量電容到地。C1用于抑制自激振蕩，C2用于壓窄芯片的高頻帶寬，減小高頻噪聲。如圖2所示。


2 數(shù)控恒壓源的實(shí)現(xiàn)方案

傳統(tǒng)的直流穩(wěn)壓電源通過粗調(diào)波段開關(guān)及細(xì)調(diào)電位器來調(diào)節(jié)，并由電位表指示電壓值的大小。這種穩(wěn)壓電源存在讀數(shù)不直觀、電位器易磨損、精度不高、不易調(diào)準(zhǔn)、電位構(gòu)成復(fù)雜、體積大等缺點(diǎn)，基于單片機(jī)控制的數(shù)控直流電源不但實(shí)現(xiàn)了直流穩(wěn)壓的功能，而且沒有上述的缺點(diǎn)。

2.1 設(shè)計(jì)要求

輸出電壓范圍：0.0 V～9.9 V；
輸出電壓的調(diào)整方式：步進(jìn)，步進(jìn)數(shù)值為0.1 V；
顯示方式：LCD1602液晶顯示；
監(jiān)測D/A的輸出電壓值。

2.2 數(shù)控電源的方案

圖3所示為數(shù)控電源的設(shè)計(jì)框圖，其輸出電壓數(shù)值由鍵盤控制。通過鍵盤把需要輸出的電壓值以步進(jìn)方式輸入到單片機(jī)。這里電壓采用單片機(jī)的PWM模擬電壓輸出。顯示電路既可用來顯示輸出的電壓值，也可用來顯示鍵盤電路的調(diào)整過程。如果不滿足輸出電壓的要求，將需要添加一個(gè)電壓放大器。經(jīng)過LM324線性轉(zhuǎn)換后，得到所需電壓值，另外對監(jiān)測電壓實(shí)際輸出電壓值進(jìn)行采樣，并將采樣值通過單片機(jī)的A/D采樣口送回單片機(jī)處理后顯示。在該數(shù)字控制電源中，使用AVR芯片完成系統(tǒng)控制按鍵輸入判斷、電壓數(shù)值顯示以及對外部芯片的各種數(shù)字控制。


3 數(shù)字控制部分

ATmega16是基于增強(qiáng)的AVR RISC結(jié)構(gòu)的低功耗8位CMOS微控制器；數(shù)據(jù)吞吐率高達(dá)1 MIPS/MHz，從而可以緩減系統(tǒng)在功耗和處理速度之間的矛盾；具有4通道的PWM以及8路10 bit ADC。

本系統(tǒng)的D/A選擇常用的DAC0832。當(dāng)其與單片機(jī)相連時(shí)電路和程序簡單，只需把單片機(jī)的數(shù)據(jù)線與DAC0832的輸入端直接相連即可。其各個(gè)引腳的連接及外圍如圖4所示。


3.2 電壓放大電路

運(yùn)算放大器通常工作在閉環(huán)狀態(tài)， 將運(yùn)算放大器的放大電路接上一定的反饋電路和外接元件， 就可以實(shí)現(xiàn)各種數(shù)學(xué)運(yùn)算。運(yùn)算放大器反饋電路有各種形式， 不同的反饋電路和不同的輸入方式可以組成各種不同用途的運(yùn)算放大電路。圖6 是輸入信號加在反相輸入端的比例運(yùn)算電路。
其中R1為輸入端電阻，Rf為反饋電阻， 它以并聯(lián)負(fù)反饋的方式將輸出電壓反饋到反相輸入端， 為了在輸入信號Ui＝0 時(shí)， 輸出Uo＝0 ， 電阻的選擇應(yīng)滿足R2＝R1//Rf。這樣
可保證運(yùn)算放大器的反相輸入端與同相輸入端的外接電阻相等， 使其處于對稱平衡狀態(tài)， 以消除運(yùn)算放大器的偏置電流對輸出電壓的影響，因此，稱R2為平衡電阻。

由理想運(yùn)放的兩條重要結(jié)論可知，Ii≈0，U+≈U-。通過R1的電流I1， 即：If=I1， 又由于運(yùn)放的通向輸入端接地，U+=0 ， 所以可得U+≈U- ， 也就是說， 當(dāng)同相端接地，U +=0 時(shí)反相輸入端電位U -≈0， 它是一個(gè)不接地的“ 地” ， 稱為“ 虛地” 。“ 虛地” 的存在是運(yùn)算電路在閉環(huán)工作狀態(tài)下的一個(gè)重要特征。

4 軟件設(shè)計(jì)

控制程序使用C語言編寫，在ICCAVR平臺下編譯通過，運(yùn)用雙龍下載軟件將程序下載到芯片。當(dāng)按鍵按下，可進(jìn)行電壓調(diào)整，最大可調(diào)節(jié)電壓為1 V，步進(jìn)為0.1 V。在按鍵加減的過程中，LCD模塊顯示的電壓隨著上下變化，當(dāng)按鍵不動作后，將單片機(jī)的PWM模擬輸出電壓經(jīng)二次濾波電路輸出，經(jīng)線性，放大得到與顯示電壓值相同的電壓。

4.1 程序設(shè)計(jì)流程圖

設(shè)計(jì)流程圖分為三大部分，即主程序流程圖、鍵盤掃描流程圖和鍵盤控制流程圖。主程序流程圖如圖8所示。


4.2 調(diào)試

準(zhǔn)備就緒后，將變壓器通電，開始進(jìn)行測試，檢測它們是否達(dá)到設(shè)計(jì)要求。檢查的項(xiàng)目包括輸出電壓范圍、整個(gè)輸出電壓范圍內(nèi)的步進(jìn)調(diào)整值、輸出電壓與預(yù)置電壓是否匹配以及數(shù)字電壓表功能的精準(zhǔn)度。數(shù)控電源系統(tǒng)的供電由直流穩(wěn)壓電源提供，由硬件電路的±15 V電源和5 V電源提供。電壓測試結(jié)果如表1所示。

以上為電壓測試結(jié)果，由于PWM的分辨率為0.2，所以其誤差范圍可以限制在0~0.2 V左右，在這個(gè)范圍內(nèi)產(chǎn)生誤差是允許的。因此監(jiān)測電壓與輸出電壓基本一致。因?yàn)镻WM輸出為8 bit，分辨率=PWM占空比/250，那么當(dāng)占空比值變化1時(shí)，其電壓變化為0.02 V，之后運(yùn)放將電壓放大變化0.04 V。所以可達(dá)到電壓變化精度為0.04 V。

本系統(tǒng)以高性能的AVR單片機(jī)ATmega16芯片和8 bit精度的D/A轉(zhuǎn)換器DAC0832為核心部件，利用常用的三端穩(wěn)壓器件LM7805的公共端與輸出端固定的5 V電壓特性，最終實(shí)現(xiàn)了數(shù)字顯示輸出電壓值和電流值，達(dá)到了預(yù)期目標(biāo)。