可编程恒压恒流源设计

摘 要：电源作为实验室必不可少的重要实验设备之一,它的各类工作参数一直受到人们的关注.本设计用线性型直流源结构提供可编程供电,系统的主控核心MCU选用Microchip公司的PIC16F877,利用MCU自带CPP模块中的脉冲调制模式产生脉冲,并将其转化得到稳定模拟电压量来调整输出量；系统输出端的电压和电流通过采样检测电路得出其大小数值,由MCU内嵌的A/D转化器模块转化成数字量,利用MCU运算将结果转发至液晶屏LCD1602上显示出当前的电压值和电流值；由按键对电压电流进行设置,从而建立起人机交互通道,系统还能在输出端短接时向用户进行报警,使系统更安全.

关 键 词：线性；编程；MCU

1绪论

1.1电源

电源是电子设备组成中不可缺少的部分,它的稳定性直接关系到电子设备是否能正常安全可靠的工作以及设备的使用寿命.直流电源是电源之中比较常用一种,它分为开关型和线性型,区别在于它们的功率器件工作方式.而直流电源又有两种工作状态,一种是恒压状态,按照恒压电源的特征工作,一种是恒流状态,按照恒流电源的特征工作.在一些研发调试时,研发人员常常需要不同的电压或电流来提供系统电力进行调试.而恒压恒流电源既具有恒压控制部件,又具有恒流控制部件的直流电源,因此可以输出一定范围内的电压或电流,从而能满足系统研发人员进行更方便开发调试.

1.2系统设计方案

1.2.1可编程恒压恒流源的优点

可编程恒压恒流源[4]是应用MCU作为控制系统核心,取代大部分的恒压恒流源多用分立元件的模拟和数字电路的控制系统.单片机是最典型、最广泛、最普及的MUC之一,它拥有计算机的基本控制核心,将其嵌入到电子设备中进行智能控制,实现方式的思想简洁又方便,还有一方面就是它的性价比高.单片机有许多功能性模块,能使电路变的更简单,大大降低了制作成本.利用C语言为设计平台,对采集的电压电流进行算法处理,进行精确的控制.采用可编程控制输出优化了恒压恒流源电路结构,让微机控制系统与原有的结构化电路配合,对系统优化得到了极大方便.

1.2.2线性型恒压恒流电源结构设计

线性电源[1]的最大特点是稳定性好,精度高,噪声小.缺点是效率低,体积大.开关电源最大的优点是效率高,体积小.缺点是精度低,稳定差,噪声大.一般情况供电和输出大功率对电源稳定性要求不高的电源,可选用用开关电源,而大多数电子系统的电源仍然选择线性电源来供.这正是由于线性电源低噪声,低成本原因.开关电源由于功率管工作在高频开关状态,纹波效果不是很理想,具有对外干扰.对于研发和调试电路来说,电源的输出稳定,噪声小且对电路的干扰小是前提.线性电源与开关电源的比较,如表1.

表1线性电源与开关电源的比较表

所以该设计采用线性型恒压恒流电源结构,其不像开关电源会对系统造成不可抑制的高频干扰,并由微机控制系统实现可编程输出预设电压、电流值,很大程度上优化了电路,从而降低成本.符合设计对实验室研发调试电子系统供电的要求.

1.3系统总体结构

系统总体结构主要电路有八个部分组成,系统的主控核心MCU选用Microchip公司的PIC16F877[5]；辅助电源电路提供单片机和运算放大器工作电源；电源输出电路的输出电压是基准电压与基-射级电压的差值,并利用负反馈把电压取样电路得到输出电压上升或下降的输出电压的变化量与基准电压相比,把比较结果产生的差值电压加以放大,以此来控制调整管的集极与射极间的电压,从而使输出保持稳定；基准电压电路是通过单片机自带的CCP模块的脉宽调制模式产生的脉冲,将其通过低通有源滤波器转化得到平稳模拟的模拟电压量,而这个模拟的电压量作为电路的基准电压来调整系统的输出电压,这个电路代替传统的D/A转化器模块,也体现了单片机的优化电路的一个特点；电压采集电路通过分压器得到电压经运算放大器传给单片机A/D转换器,由软件上的处理换算得到输出电压值；电流采集电路是通过MCU自动选择量程并通过电压跟随器再由差分电路采集与负载串联的取样电阻两端的电压,最后传给MCU的A/D转换器,由软件上的处理换算得到输出电流值,突出了可编程的强大的数据处理能力；按键扫描电路是供用户预置电压,电流值及选择电源恒压/恒流模式；液晶显示电路可直观的向用户显示预置电压电流值和实时采集的电压电流值；保护电路当输出端短接时则通过蜂鸣器像用户提出警告.系统总框架图,如图1所示.

图1系统总框架图

2硬件电路

2.1可编程核心模块

可编程核心模块是本设计系统的主控核心,选用Microchip公司的PIC16F877作为设计的"大脑"对设计系统进行全局的控制调配.PIC16F877单片机是目前

片内模块最多、功能最强、功耗最低的单片机之一.它采用独特的哈佛总线结构、精减指令RISC技术,大大提高CPU工作效率.本设计系统主要是利用PIC单片机内嵌的CPP功能模块和A/D转换器模块,且外接由4MHz晶振和电容组成的振荡器提供0.25μs的时钟周期.MCLR/Vpp为人工复位输入端（低电平有效）/编程电压输入端,按键S5起复位作用.LED0是单片机电源指示灯,C8为滤波电容为单片机提供更稳定的工作电源.可编程核心控制模块电路,如图2-1.

2.2电源输出模块

2.2.1基准电压模块

基准电压[2]用运算放大器构成压控恒流源研究,模块是利用PIC16F877的CPP功能模块的脉冲调制模式产生的脉冲波经低通有源滤波器[9]得到稳定的模拟电压量,这个电压即基准电压.因为脉冲的占空比的不同最后产生的模拟电压量也是不同的,所以电压量为平均电压.基准电压是设计系统的重要组成部分,直接影响电源的输出稳定,为此基准电压输出电压稳定度要高,噪声小.这个低通有源滤波器分为RC低通滤波网络和高精度低噪声运算放大器OP27构成的电压跟随器两个部分.RC滤波器带负载能力较差,信号经三次的RC滤波后衰减较严重,加上一个电压跟随器可以增强信号稳定性,同时具有缓冲和隔离的效果.为此这个模块电路的实现代替了传统用D/A转化器来的到电压值的复杂电路,简化系统电路结构,有效降低了电源的成本.提供基准电压的电路,如图2-2.

2.2.2电源输出模块

电源输出模块是按照线性型电源中串联反馈调整型稳压电路的原理结构进行设计的,其中大功率的达林顿管TIP122作为调整管,高精度低噪声运算放大器OP27构成比较放大电路,基准电压由基准电压模块提供.电路的输出电压是基准电压与基-射级电压的差值（Uo等于Ub-Ube）,并利用负反馈通过R3和R4电压取样电路得到输出电压Vo上升或下降的输出电压变化量△Vo与基准电压相比,把比较结果产生的差值电压由OP27比较放大器加以放大,以此来控制调整管的集极与射极间的电压,从而使输出保持稳定.这一过程可以简单表示为：Vi↑→Vo↑→Vf↑→Vb↓→Vce↑→Vo↓.输出电压Vo等于基准电压*（1+R3/R4）.

调整管的参数确定,调整管的最大电流应Icm≥2～3Ioutm,调整管承受的最大电压Vcem≥2～3Voutm.达林顿管TIP122的极限参数Icm等于5A,Vcem等于100V,Pcm等于65W.因为TIP122的Pcm设计的要求的功率很相近,为此电路上采用两个达林顿管并联接法.好处：一方面提高输出功率,使每个达林顿管都工作在相对较低的输出功率状态；另一方面可以扩大输出电流,每个管只需输出总电流的一部分,降低大电流时,温度太高对输出造成输出不稳定的影响.值得注意的是,每个达林顿管的射极都必须加均流电阻（R1和R2）以减小电流分配不均,并为达林顿管加散热片做好散热工作.

上述电源输出模块电路,如图2-3.

2.3采集模块

2.3.1电流采集模块

电流采集[10]模块是这个设计系统的重要组成部分,实时的电流采集提供PIC16F877进行监控从而稳定输出.首先,考虑到设计系统输出的电流有小电流和大电流之分,而大电流采集为了不对输出造成太大的影响,一般用的是0.1～0.3Ω的大功率电阻,这样就有一个小电流采集的值很小精确度不够的问题产生.系统设计了一个可以控制采集电流量程的电路,就是从这一问题考虑出发.量程有200mA和2A档分别对应采集电阻的阻值为1Ω和0.1Ω,通过PIC16F877的RC5高低电平控制PNP三极管8550的导通,间接使继电器在OPEN和CLOSE状态跳变来改变量程.这样在小电流时,就能够用相对大一点的采集电阻测量,使得精确度提高.其次,

在采集大电流时用3个的0.3Ω的大功率水泥电阻并联的方式代替0.1Ω的大功率水泥电阻,能更好的分配热量和功率[7],降低温度对电阻阻值的影响,得到稳定线性度好的采集数据.最后,设计系统利用由高精度低噪声运算放大器OP27构成电压跟随电路分别接入采集电阻的两端,再接入OP27构成的差分放大电路中,为PIC16F877的A/D转化器提供平滑稳定的采集电压.这样的好处：电压跟随器输入阻抗高,输出阻抗低,采样电阻两端电压几乎不分流,同时具有缓冲和隔离的效果；差分放大器对共模输入信号的抑制能力强[8],可以抑制由外界条件的变化带给电路的影响,如温度噪声,实现对电流的精确采集.

这个模块简单概述就是通过采集电阻将电流转化为A/D转化器能够采集的直流电压值,供PIC16F877的实时采集达到对系统输出的监控.模块如图2-4所示.

2.3.2电压采集模块

电压采集模块是R4和R5串联后并联在电源输出,采样电阻（分压电阻）R4,电阻分压后加上一个OP27电压跟随器电路作为缓冲器,再输出给A/D转化器,实现输出电压稳定精确的实时采集.值得注意的是应在A/D转化器的I/O口处接一个电容对采集信号进行滤波,除去高频干扰.两端采集电压等于电源输出电压*R4/（R4+R5）.电路如图2-5所示.

图2-5电压采集模块电路

2.4辅助电源模块

辅助电源模块提供系统各个芯片的工作电压,由220V变压后由整流桥整流,在由LM7805,LM7905,LM7815和LM7915得到+/-5V和+/-15V的输出电压.

2.5其余模块

包含显示模块电路、保护模块电路和按键扫描模块电路.显示模块选用液晶1602作为显示输出器件有显示质量高、体积小,重量轻、数字式借口和功耗低等优点.保护模块则是由一个8550三极管和蜂鸣器组成,单片机RC6的高低电平控制三极管是否导通,当输出短接,蜂鸣器就发出警报提醒用户.按键扫描模块是一个矩阵键盘,可以通过其实现对电源输出量的设置,如电压值,电流值和输出模式.

3软件设计

3.1主程序流程

系统是以C语言为设计平台,完成与硬件电路的配合实现设计的功能.程序开始先对系统进行初始化,如PIC16F877的一些引脚的参数设置、变量的定义等.然后,进入键盘扫描程序,通过引脚的高低电平,判断是恒压控制模式输出还是恒流控制模式输出,设置使用者所需电压和电流的参数值配置,选择适当的电流采集量程.接着进入电源输出,对通过A/D转化器采集的数据用过软件上的算法处理,对系统输出进行适当调整,如果电流短路,过载进行警报,将最后的结果传给液晶显示,使其与预设电压、电流进行直观的对比.

上述一系列的执行程序的关系和顺序,如图3.

3.2脉宽调制输出程序设计

脉宽调制[6]是PIC16F877的CPP模块的一种工作模式之一,可以使CCP引脚借助CCP控制寄存器CCPCON低2位的补充位,可以构成分辨率位10位的比较基数,达到输出不同占空比宽度的矩形脉冲信号,能够进行输出频率信号的合理调整和有序变化.其中脉宽调制内部结构还包括主从脉宽寄存器,周期寄存器,8位和10位比较器和1个RS触发器.脉宽调制中有两个十分重要的参数,即信号周期和高电平持续时间.脉宽调制输出信号周期的关系式：脉宽调制周期等于4*Tosc*（TMR2预分频值）*PR2,其中4Tosc为指令周期,PR2为周期寄存器的设置值,TMR2为预分频.而高电平持续时间（脉宽）关系式：PWM脉宽等于CCPR1L：CCP1CON（Bit5～Bit4）*Tosc*（TMR2预分频）,其中CCPR1L：CCP1CON（Bit5～Bit4）为10位脉宽寄存器,Tosc为系统时间周期；TMR2为预分频.CCP模块的输出脉宽调制功能,需设置相应的控制位.首先,通过CCP1CON的CCP1M3～CCP1M0的设置选择脉宽调制方式,同时设置脉宽寄存器的补充位CCP1CON（Bit5～Bit4）；其次,配置引脚RC2为输出状态；然后,将脉宽调制周期值送入TMR2定时周期寄存器PR2；然后,设置TMR2预分频值,把系统所需电压值经转化的值送入脉宽寄存器CCPR1L；最后,启动TMR2开始计时.信号送入硬件滤波整型就可以按照不同的脉宽信号得到不同的电压值,从而达到可以提供基准电压的目的.3.3A/D转化器的采集程序设计

A/D转化器的采集程序在系统设计中具有十分重要的意义,PIC16F877的这个特殊模块,它将连续不断地模拟量,按照一定的采样周期或速度,依次转化为一系列不连续、离散的数字量,最后经算法上的处理得到准确的数据.A/D转化的采集程序流程,首先,设置PIC16F877的RA引脚为输入状态；然后确定RA端口为模拟输入、A/D转化结果的形成方式以及转化时钟频率；其次,选择模拟信道,ADON等于1准备A/D转化；再次,判断ADGO是否为1,如果是1,那么就可以对硬件的传递来的模拟电压量进行采集,直到采集结束标志位ADGO主动置0；最后,得到的数据进行软件的处理,反馈为控制系统对输出进行修正调整,并把结果显示在液晶上.

3.4键盘扫描程序设计

键盘扫描程序主要要思路：系统通过对矩阵键盘的逐行的扫描,判断是否有按键按下,延时去抖,再判断是否松开,最后得到相应设置好的按键返回值.

4系统性能

4.1设计系统的基准电压测试

在仿真中,PIC16F877的CPP功能模块的脉冲调制模式产生的脉冲波经过低通有源滤波器得到稳定的模拟电压量,提供输出模块的基准电压.如图4-1所示,在PROTUES[3]仿真软件上用滤波器观察脉冲信号经过各级滤波后输出的信号波形.从低通滤波器输入端到最后输出端的波形可以看出,效果满足设计的要求,波形如图4-2所示.

仿真所得到的基准电压的值与理论值一致,说明由单片机PIC16F877的脉宽调制产生的脉冲信号,经OP27构成的低通有源滤波器,得到了我们所需要的值.从而证明这个方案是可行的,并且能完成它所承担的任务.

4.2电源电压输出测试

电源电压输出是本设计系统的主要参数之一,对于电源输出电压的采集,并提供系统的输出电压观察,以便证明电源输出模块方案可行性,具体仿真结果如图4-3.

图4-3输出电压采集的理论值和仿真值的曲线图

图4-4200mA和2000mA电流采集电压的曲线图

4.3电流输出测试

系统当工作在恒流状态时,输出电流这个参数是衡量系统的主要标准,如图4-4是在负载电阻为5欧时的一组仿真得到的数据曲线图.

从曲线图上看虽然图形不是一条直线,但系统方案的恒流输出还是线性度不错的,因为采集电流时分为两个量程,从图中可以发现线段14和线段59的线性度很好,因为这两段的采集电阻阻值不同造成的曲线有明显的转折点.但是这不影响仿真时,恒流的线性输出.

5结束语

本系统设计可编程恒流恒压源实现了恒压模式下输出电压步进0.1V可调的输出,输出的电压范围是0～25V；恒流源工作模式,电流输出最大可以达到2A,步进0.01A的可调输出；用户可以通过键盘控制电压、电流值的输出大小,并能从LCD1602液晶读取系统的电压、电流的实时输出值,系统具有短路报警功能,能够很好的对电路起保护作用.虽然只是在电脑上仿真,但其可行性还是很高的.相信设计的价值以后可以在实物中得到体现.