专利名称：大范围高精度数字式直流电源的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一个数字可控电源系统，该系统由一个数字式可调电压源和
两个数字式可调电流源构成。电压源可实现0.010V至18.000V范围内任意电压输出；两电 流源可实现0.5uA至2A范围内任意电流输出。两电流源受控于电压源。该电源适合应用于 那些对电源输出范围要求大、精度要求高的场合，如建筑物的金属防腐蚀领域等。
技术背景目前，公知的直流电源均为厢体结构，多路输出，电流电压手动或自动切换输出； 在人机交互方面，采用旋钮实现对输出电压或电流的调节；在电路的设计方面，绝大部分由 模拟器件构成。传统电源的这些结构特点适合于一般场合的应用，但是，在某些对范围要求 大，精度要求高的领域的应用来说，必然存在一些问题。如传统的旋钮调节方式控制输出， 由于存在旋钮电位器的磨损、外界振动的干扰、电位器本身精度低等诸多因素，导致了电源 输出精度不高，并且会因外界的影响而发生漂移。因此，为了保证电源输出值的恒定，应用 时就必须人为地进行纠正。同时，由于传统电源电路设计方面的原因，其输出范围均不会很 宽。而且对于大范围的电流输出，传统电源常采用继电器切换方式，因此还存在着换档时间 间隔长，干扰大等问题。
发明内容为了解决传统直流电源系统存在的上述诸多问题，该实用新型提供一个大范围高 精度数字式直流电源系统。该电源系统采用PIC单片机为控制核心，采用PID闭环调节的方 式提高了电源输出的稳定性；通过采用高精度的AD、 DA芯片，拓展了输出的范围和精度； 采用双重的输出设定方式，增强了输出设定时的灵活性和精确性；电流源子系统通过采用独 特的多通道电路结构，保证了电流输出的范围和精度。 本实用新型解决其技术问题所采用的具体技术方案
对于该电源系统的整体结构描述如下该电源系统由一个电压源和两个电流源构成，采 用双层结构，电压源为主控层，两个电流源为子层，两个电流源的输出受到电压源的控制。 三块电源电路板之间采用光耦隔离。整个系统配有4x4的键盘和16x2的字符液晶，允许使 用者对该电源系统相关参数进行设置。同时，该系统具有RS232串行接口，可与PC机或其 他主机通讯，进行输出参数设置。该电源系统可同时输出一路恒定的电压和两路恒定的电流， 输出电压的范围为0.010V至18.000V，输出电流的范围为0.5uA至2A。
对于电压源的整体结构描述如下电压源的主控芯片采用PIC系列单片机(16F877A)。 在前向通道中采用16位的DA芯片MAX5541，由16F877A单片机直接发送表征输出电压的 数值数据至DA芯片。对DA的输出和参考源电压采用高精度的集成运放ICL7650进行减法 运算，将DA的输出最小值降低至0V以下，从而消除电压源负载输出端电压无法达到OV的 现象。对于运放ICL7650的输出，采用运放AD822放大9倍，对于输出信号，采用另一路 AD822进行跟随并驱动输出端的大功率三极管，根据前一路AD822的输出信号输出一定的 电压值。在反馈回路，采用两个0.1%精度的塑封电阻(阻值为160K和19.1K)对输出进行 分压并将19.1K电阻上的电压反馈回单片机。该模拟电压需要经过一个16位的AD转换芯片 AD7705，经转换成为数值信号后再由单片机接收。由此，即构成了一个以单片机为核心的 闭环调压回路。在控制方法方面，采用改进后的PID算法对输出电压进行调节，使输出电压 能保持稳定。该电路具有输出过流保护的功能。通过在输出回路串入一个1Q/50W的采样电 阻，并将该电阻上的电压经过LM358和另一个恒定的电压进行比较，比较的结果反馈回单 片机进行处理，如果输出过流，则单片机将当前输出的电压降至OV，宣至过流消除。同时， 该电压源具有良好的人机界面采用了HD7279驱动16键的键盘，用于使用者实现对整个 系统的设置；采用了 16X2的FM1620字符液晶，将设置过程中的一些参数通过液晶模块显 示出来。该电压源留有四路外接的接口，用于和从电压源以及两块电流源电路板进行通讯。 该4路通讯接口皆通过高速光藕6N137进行了隔离处理，从而保证了该电路板与其他电路板之间能够进行完全的电气隔离。该电压源板采用了24V电源供电，24V电源由外部接入的开
关电源已给定。
对于电流源的整体结构描述如下电流源的主控芯片采用PIC系列单片机U6F877A)。 针对电流源电流输出跨度大的特点采用了多档位MOS自动切换方式，即根据输出电流的 大小，电流源自动选择电流的档位，以提高输出电流的精度。当电流源接收到电压源传来的 电流数据后，单片机先进行处理，按照输出电流精度最高的原则判断电流流经的通道，之后， 单片机将数据传送至两个8位数据锁存器SN74HC573，由数据锁存器负责选通特定通道的 MOS管。为了满足大范围高精度电流输出的要求，电流源共采用了7个电流通道。7个电流 通道的具体参数如下
O通道-限流电阻阻值1M， 1/4W，采样电阻阻值250K， 1/4W。电流范围0.5uA至5uA。 l通道限流电阻阻值100K， 1/4W，采样电阻阻值25K， 1/4W。电流范围5uA至50uA。 2通道限流电阻阻值IOK， 1/4W，采样电阻阻值2.5K， 1/4W。电流范围50uA至500uA。 3通道限流电阻阻值1K， 1/4W,采样电阻阻值250Q， 1/4W。电流范围500uA至5mA。 4通道限流电阻阻值100Q， 5W，采样电阻阻值25Q， 3W。电流范围5mA至50mA。 5通道限流电阻阻值IOO， 25W，采样电阻阻值2.5Q, 5W。电流范围50mA至500mA。 6通道限流电阻阻值1Q， 50W，采梧电阻阻值0.25Q， 25\V。电流范围500mA至2A。 为了尽可能提高输出电流的精度，各个档位的限流电阻和采样电阻均采用精度为0.5%的 高精度电阻。并且，为了对大小不同的输出电流进行调节，将通道分为两组， 一组为0至3 号通道，共用一个小功率8550三极管和高精度集成运放AD822，另一组为4至6号通道， 共用一个大功率三极管MJ11015和另一路AD822。在MOS管的选取上，根据电流大小的不 同，0至4号通道的上臂选用IRFU9024，下臂选用IRFU024，均为小功率的MOS管。而5 和6号通道流经的电流比较大，因此上臂选用了 IRF9540，下臂选用了 IRF540。
在控制回路的前向通道中采用16位的DA芯片MAX5541，由16F877A单片机直接发送 数值数据至DA芯片，控制DA芯片输出模拟电压。该电压经集成运放TLC2272放大3倍后 进入AD822高精度运放的同相输入端。该电压决定了每一档位的限流电阻上的电压差值， 进而决定了每一档位的电流值。因此，对于特定档位来说，单片机输入到DA芯片的数值数 据决定了流经该档位的电流值。在反馈回路中，采用了 16位8通道AD转换芯片ADS8344E， 单片机选定该AD的转换通道，并将该通道采样电阻上的电压进行AD转换后通过串行接口 反馈给单片机。由此，即构成了一个以单片机为核心的闭环调流回路。又因为采用了8通道 的ADS8344E，整个电路即为一个可对7个通道的电流进行调节的闭环系统。就控制方法而 言，采用了改进的PID控制算法对输出电流进行调节，保证了电流的稳定，消除了电源电压 对输出电流的影响。
在输出部分，采用了一个继电器对输出电流的方向进行切换。通过单片机的一个I/0口， 经光耦隔离以后控制继电器的动作。
电流源留有接口，可与主电压源进行串行通讯，接收数据。
该电流源电路板采用了24V电源供电，由外部接入的开关电源给定。为了避免开关电源 的纹波对输出电流的影响，电源输入以后经过了一个滤波电路。该滤波电路由电感和电容构 成，可有效地消除开关电源的共模和差模的干扰，降低开关电源纹波对输出电流的影响。
本实用新型的有益效果是
(1) 该电源系统可同时输出一路电压和两路电流，相互之间电气隔离。
(2) 采用键盘输入方式，避免了设定值的漂移；采用了液晶屏显示操作过程的参数，并给 出提示，人机交互界面友好。使用者可通过键盘对电源参数进行设置，也可通过PC机 等主机通过串口对电源输出参数进行设置。
(3) 采用以单片机为核心的数字PID调节方式，有效避免了输入电源波动以及元器件的分
布参数变化对输出值的影响，提高了输出的稳定性。
(4) 采用了16位的AD、 DA转换芯片和高精度的集成运放，电源输出范围广、精度高。(5)电流源部分采用MOS管切换方式，切换时龃间隔短，对电路的其它部分干扰小；MOS 管不存在机械动作，使用寿命长。
以下结合附图和实施例对本实用新型进一步说明。 图1是电流源的单片机及电流通道选择部分的电路原理图。 图2是电流源的电流通道部分的电路原理图。
图3是电流源前向通道的DA转换和反馈通道的AD转换部分的电路原理图。 图4是电流源的电源输入滤波电路。
图5是电压源单片机、RS232通讯、键盘输入和LCD显示部分的电路原理图。 图6是电压源前向通道的DA转换和反馈通道的AD转换部分的电路原理图。 图7是电压源的通讯接口部分的电路原理图。
图中，(1)电流源PIC16F877A单片机；(2) SN74HC573数据锁存芯片；(3) TI>521-2 光耦；(4)与电压源的通讯接口； (5)高精度集成运放AD822; (6) 16位DA芯片MAX5541; (7) 16位8通道AD芯片ADS8344E; (8)电压源PIC16F877A单片机；(9) LCD显示接 口； U0)RS232串口通讯芯片；(11)HD7279键盘驱动芯片；(12) 16位DA芯片MAX5541;
(13) 16位AD芯片AD7705; (14) TLP521-4光耦；(15) 6N137高速光耦；(16)与其他 电路板的通讯接口。
具体实施方式
在图1中，单片机PIC16F877A (1)的串行接口通过10针接口 (4)引出， 实现与主控电压源的通讯。PIC单片机的PORTD端口与两个数据锁存器SN74HC573 (2) 相连，由PORTD端口输出的数据选通电流通道。由TLP521-2光耦(3)实现SN74HC573 (2)对各电流通道MOS管的驱动。
图2中两路高精度集成运放AD822 (5)同相输入端均与图3中经过跟随放大后的DA 转换芯片MAX5541 (6)的输出引脚相连，MAX5541 (6)的串行接口与PIC单片机(1) 的1/0 口相连，因此，PIC单片机(1)可控制集成运放(5)同相输入端的电压，进而控制限 流电阻两端的电势差，最终控制流经各通道的电流大小。各通道采样电阻采样电流，并将采 样值反馈回8路AD转换芯片ADS8344E (7)，经AD转换后被PIC单片机(1)读取。
在图5中，单片机PIC16F877A (8)通过并行总线与LCD接口 (9)相连，将相关参数 通过LCD进行显示。PIC单片机(8)的串口与RS232串口通讯芯片(10)相连，可接收上 位主机传来的数据。PIC单片机(8)还与键盘驱动芯片HD7279 (11)相连，接收由键盘设 定的数据。
在图6中，DA转换芯片MAX5541 (12)与PIC单片机(8)相连，其输出由集成运放 进行放大和跟随，从而使PIC单片机(8)可控制输出端口的电压。对输出端的电压进行电 阻分压后，由AD转换芯片AD7705 (13)进行采集，经过AD转换后由串行接口送入PIC 单片机(8)。 AD7705 (13)的串行接口直接与PIC单片机(8)相连。
在图7中，各路接口 (16)通过高速光耦6N137 (15)的隔离后与PIC单片机(8)的串 口相连。为了区别各个子模块，每个子模块设定有地址。主控电压源通过普通光耦TLP521-4
(14) 与各路接口 (16)相连，进行地址选择。
权利要求1.一种大范围高精度数字式直流电源，其特征是1)完全电气隔离的双层系统结构一个主控电压源同时控制两个电流源，而该三个子系统相互独立，相互之间采用光耦实现了完全的电气隔离，整个系统同时输出一路电压、两路电流。2)双重输出量设定方式既可通过键盘手动地设定电源系统输出；又可通过上位主机通过串行接口自动快捷地设定电源系统输出。3)电流源子系统独特的多通道电路设计电流源子系统采用了由MOS管实现开合的7档电流通道电路结构设计。4)大范围高精度的电源输出电压输出范围为0.010V至18.000V，精度为0.001V；电流输出范围为0.5uA至2A。
2. 根据权利要求1所述的大范围高精度数字式直流电源，该电流源采用完全电气隔离的双层系统结构整个系统由一个主控电压源和两个从电流源构成；两电流源通过串口与主控电 压源通讯；两电流源的输出受到主控电压源的控制；主控电压源可输出高精度直流电压；两 个从电流源可输出高精度直流电流。
3. 根据权利要求1所述的大范围高精度数字式直流电源，该电流源采用双重输出量设定方式主控电压源通过RS232串行接口与上位主机通讯，并配有键盘和LCD显示，系统输出 既可通过上位主机又可通过用户手动设定。
4. 根据权利要求1所述的大范围高精度数字式直流电源，在电流源子系统上采用了独特的 多通道电路设计电流源子系统总计有七档电流通道，每个通道均由MOS管控制开合，MOS 管由单片机通过光耦隔离后驱动；根据电流的大小，通道分为两组，小电流组4个通道，大电流组3个通道；采用两个集成运放分别控制两组通道。
5. 根据权利要求1所述的大范围高精度数字式直流电源，该电流源具有大范围高精度的电 源输出输出电压范围0.010V至18.000V，精度为0.001V;输出电流范围为第0档0.5uA 至5uA，精度O.luA;第1档5uA至50uA，精度O.OluA;第2档50uA至500uA,精度O.OluA; 第3档500uA至5mA，精度O.OlmA;第4档5mA至50mA，精度O.OlmA;第5档50mA 至500mA，精度0.01mA;第6档500mA至2A，精度O.OIA。
专利摘要一种大范围高精度数字式直流电源系统。该系统由一个具有大范围高精度电压输出的电压源和两个具有大范围高精度电流输出的电流源构成。为了解决传统直流电源系统存在的问题——由旋钮调节的设定方式带来的电源输出不稳定，输出设定不精确的问题；传统电路设计上的局限性所带来的输出范围过小的问题；传统的继电器换档方式所带来的换档时间长、干扰大的问题，我们在电源系统电路的设计上进行了改进采用了以PIC单片机为控制核心，用PID算法进行调节的闭环电路结构，提高了电源输出的稳定性；采用了具有光耦隔离的双层系统结构，降低系统内部各部分之间的干扰；采用了高精度的AD、DA芯片，提高了输出的范围和精度；采用了双重的输出设定方式，增强设定时的灵活性和精确性；电流源子系统采用了独特的多通道电路结构，保证了电流输出的范围和精度。经过以上有效的改进措施，该电源系统拥有大范围高精度的电压、电流输出。
文档编号H02M3/00GK201163750SQ20072018163
公开日2008年12月10日 申请日期2007年10月18日 优先权日2007年10月18日
发明者涛 刘, 刘育华 申请人:刘 涛;刘育华