1、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，
2、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
3、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。单片机有许多外围功能性模块，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
4、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
5、，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 PIC16F8775；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
6、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
7、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 片内外围模块最多、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
8、组成的振荡器提供 0.25s 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
9、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
10、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=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：ViVoVfVbVceVo。输出电压 Vo=基准电压*（1+R3/R4） 。 调整管的参数确定，调整管的最大电流应 Icm23Ioutm，调整管承受的最大电压 Vcem23Voutm。达林顿管 TIP122 的极限参
11、数Icm=5A，Vcem=100V，Pcm=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 PIC1
12、6F877 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 0.10.3 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 1 和 0.1，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
13、个的 0.3 的大功率水泥电阻并联的方式代替0.1 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
14、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=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
15、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
16、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
17、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=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=C
18、CPR1L：CCP1CON（Bit5Bit4）*Tosc*（TMR2 预分频） ，其中CCPR1L：CCP1CON（Bit5Bit4）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 CCP1M3CCP1M0 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（Bit5Bit4） ；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 T
19、MR2 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。 3.3 A/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=1 准备 A/D 转化；再次，判断 ADGO
20、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 PROTUES3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。
