機電畢業(yè)論文程控直流穩(wěn)壓電源設(shè)計與實現(xiàn)

1、<p>　　機電畢業(yè)論文：程控直流穩(wěn)壓電源設(shè)計與實現(xiàn)</p><p><b>　　摘 要</b></p><p>　　在各種電子實驗中，電源是最基本的需要。設(shè)計出一種高精度的可調(diào)輸出的電源不但能滿足不同電子實驗的要求，而且能滿足在同一實驗中需要使用不同的電壓值來測試的要求。</p><p>　　本文設(shè)計了一種高精度程控穩(wěn)壓電源。該電源

2、的功能由硬件和軟件兩方面來實現(xiàn)。硬件方面包括變壓器、整流電路、濾波電路、穩(wěn)壓電路、反饋電路、保護電路、程控電路、顯示電路以及支持單片機運行的復(fù)位和時鐘電路。市電220V電壓通過變壓器流入系統(tǒng)，經(jīng)過整流、濾波后變成近似的直流電壓，再經(jīng)過穩(wěn)壓部分穩(wěn)壓后獲得穩(wěn)定的直流輸出。穩(wěn)壓部分由達林頓管作為調(diào)整管，由運放作為反饋取樣之后的放大電路，利用放大電路來提高調(diào)整管的反應(yīng)靈敏度電壓穩(wěn)定性。軟件方面，使用單片機語言編程，控制程控部分，即：單片機，D/

3、A、A/D部分。該部分作用是控制穩(wěn)壓電路部分的基準(zhǔn)電壓的輸出與調(diào)整，同時實現(xiàn)高精度的輸出，并且控制數(shù)碼管顯示輸出電壓。</p><p>　　整個電路的設(shè)計就是在綜合考慮各個模塊現(xiàn)有的電路的基礎(chǔ)上，選擇最佳電路來實現(xiàn)設(shè)計目標(biāo)的。</p><p>　　關(guān)鍵詞　直流穩(wěn)定電源；整流；濾波；程控；D/A；A/D</p><p><b>　　目 錄</b>

4、;</p><p><b>　　第一章 緒論1</b></p><p>　　1.1 課題背景1</p><p>　　1.1.1 電源技術(shù)研究的主要成果1</p><p>　　1.1.2 電源技術(shù)的發(fā)展趨勢2</p><p>　　1.1.3 電源技術(shù)存在的問題2</p>&l

5、t;p>　　1.2本文的結(jié)構(gòu)和主要內(nèi)容3</p><p>　　第二章 穩(wěn)壓電源整體設(shè)計4</p><p>　　2.1小功率整流電路4</p><p>　　2.1.1 單相半波整流電路4</p><p>　　2.1.2單向全波整流電路5</p><p>　　2.1.3 橋式整流電路6</p>

6、<p>　　2.2 濾波電路7</p><p>　　2.2.1 電容濾波電路8</p><p>　　2.2.2電感濾波器10</p><p>　　2.3 穩(wěn)壓電路11</p><p>　　2.3.1 穩(wěn)壓電路的指標(biāo)12</p><p>　　2.3.2 穩(wěn)壓管基本應(yīng)用電路13</p>

7、;<p>　　2.3.3 串聯(lián)反饋型晶體管穩(wěn)壓電路15</p><p>　　2.4本章小結(jié)20</p><p>　　第三章 硬件部分外圍電路設(shè)計21</p><p>　　3.1 程控部分簡介21</p><p>　　3.1.1 8051單片機簡介21</p><p>　　3.1.2 D/A和A

8、/D芯片簡介23</p><p>　　3.1.3 單片機外圍電路簡介29</p><p>　　3.2數(shù)碼管顯示電路31</p><p>　　3.3 按鍵電路32</p><p>　　3.4 保護電路33</p><p>　　3.4.1 用穩(wěn)壓管保護33</p><p>　　3.4

9、.2 二極管組成得過流保護電路34</p><p>　　3.5本章小結(jié)34</p><p>　　第四章 系統(tǒng)軟件設(shè)計35</p><p><b>　　4.1 概述35</b></p><p>　　4.2 系統(tǒng)核心指令系統(tǒng)簡介35</p><p>　　4.3 軟件系統(tǒng)流程介紹35<

10、/p><p>　　4.4本章小結(jié)39</p><p>　　第五章 實驗步驟及設(shè)計不足40</p><p><b>　　5.1 概述40</b></p><p>　　5.2 實驗方法40</p><p>　　5.3 設(shè)計中存在的不足41</p><p>　　5.4本章小

11、結(jié)41</p><p><b>　　結(jié) 論42</b></p><p><b>　　參考文獻43</b></p><p><b>　　附錄145</b></p><p><b>　　附錄246</b></p><p>&l

12、t;b>　　附錄347</b></p><p><b>　　致謝48</b></p><p><b>　　第一章 緒論</b></p><p><b>　　1.1 課題背景</b></p><p>　　電子設(shè)備都需要良好穩(wěn)定的電源，而外部提供的能源大多數(shù)為

13、交流電源，電源設(shè)備擔(dān)負著把交流電源轉(zhuǎn)換為電子設(shè)備所需的各種類別直流電源的任務(wù)，轉(zhuǎn)換后的直流電源應(yīng)具有良好的穩(wěn)定性，當(dāng)電網(wǎng)或負載變化時，它能保持穩(wěn)定的輸出電壓，并具有較低的紋波。我們通常稱這種直流電源為穩(wěn)壓電源[2]。但有時提供的直流電壓不符合設(shè)備要求，仍需變換，稱為DC/DC變換。常規(guī)的穩(wěn)壓電源為串聯(lián)調(diào)整線性穩(wěn)壓電源，它通常由50Hz工頻變壓器、整流器、濾波器、串聯(lián)調(diào)整線性穩(wěn)壓器組成。調(diào)整元件工作在線性放大區(qū)，流過的電流是連續(xù)的，調(diào)整管

14、上損耗較大的功率，需要體積較大的散熱器，因此該種電源體積大，且效率低，通常僅為35％～60％。同時承受過載能力較差，但是它具有優(yōu)良的紋波及動態(tài)響應(yīng)特性。</p><p>　　開關(guān)電源是利用現(xiàn)代電力電子技術(shù)，通過控制開關(guān)晶體管開通和關(guān)斷的時間比率，維持穩(wěn)定輸出電壓的一種電源。開關(guān)電源處于電源技術(shù)的核心地位，它主要分為AC/DC和DC/DC兩大類。開關(guān)電源去除了笨重的工頻變壓器，代之以幾十kHz、幾百kHz甚至數(shù)MH

15、z的高頻變壓器。由于調(diào)整管工作在開關(guān)狀態(tài)，因而功率損耗小，效率高。</p><p>　　目前，開關(guān)電源技術(shù)向著輕、小、薄、低噪音、高可靠、抗干擾的方向發(fā)展。新器件和新拓撲理論的出現(xiàn)使得開關(guān)電源日趨可靠、成熟、經(jīng)濟、適用。</p><p>　　1.1.1 電源技術(shù)研究的主要成果</p><p>　　經(jīng)過20多年的不斷發(fā)展，開關(guān)電源技術(shù)有了重大進步和突破。新型功率器件的

16、開發(fā)促進了開關(guān)電源的高頻化，功率MOSFET和IGBT可使中小型開關(guān)電源的工作頻率達到400KHZ(AC/DC)或1MHZ(DC/DC)；軟開關(guān)技術(shù)是高頻開關(guān)電源的實現(xiàn)又了可能，它不僅可以減少電源的體積和重量，而且提高了電源的效率，國產(chǎn)6KHZ通信開關(guān)電源，采用軟開關(guān)技術(shù)，效率可達93％；控制技術(shù)的發(fā)展以及專用控制芯片的生產(chǎn)，不僅使電源電路大幅度簡化，而且使開關(guān)電源的動態(tài)性能和可靠性大大提高；有源功率因數(shù)校正技術(shù)（APFC）的開發(fā)，提高

17、了AC/DC開關(guān)電源的功率因數(shù)，既治理的電網(wǎng)的諧波污染，又提高了開關(guān)電源的整體效果。</p><p>　　在開關(guān)電源的所有應(yīng)用領(lǐng)域內(nèi)，通信電源使增長速度最快的一部分。新型磁材料和新型變壓器的開發(fā)，新型電容器和EMI濾波器技術(shù)的進步，以及專用集成控制芯片的研制成功，使開關(guān)電源實現(xiàn)了小型化，并提高了EMC性能。微處理器監(jiān)控技術(shù)的應(yīng)用，提高了電源的可靠性，也適應(yīng)的市場對其智能化的要求[1]</p><

18、;p>　　1.1.2 電源技術(shù)的發(fā)展趨勢</p><p>　　新型半導(dǎo)體器件的發(fā)展使開關(guān)電源技術(shù)進步的龍頭。目前正在研究高性能的碳化硅半導(dǎo)體器件，一旦開發(fā)成功，對電源技術(shù)的影響將是革命性的。此外，平面變壓器，壓電變壓器及新型電容器等元件的發(fā)展，也將對電源技術(shù)的發(fā)展起到重要作用。集成化是電源技術(shù)的一個重要的發(fā)展方向。通過控制電路的集成，驅(qū)動電路的集成以及保護電路的集成，最后達到整機的集成化生產(chǎn)。集成化和模塊化

19、減少了外部連線和焊接，提高了設(shè)備的可靠性，縮小了電源的體積，減輕了重量。</p><p>　　高頻開關(guān)電源的發(fā)展趨勢更是向著高頻化、模塊化、數(shù)字化、綠色化的方向發(fā)展。</p><p>　　開關(guān)電源技術(shù)因應(yīng)用需求不斷向前發(fā)展,新技術(shù)的出現(xiàn)又會使許多應(yīng)用產(chǎn)品更新?lián)Q代,還會開拓更多更新的應(yīng)用領(lǐng)域。開關(guān)電源高頻化、模塊化、數(shù)字化、綠色化等的實現(xiàn),將標(biāo)志著這些技術(shù)的成熟,實現(xiàn)高效率用電和高品質(zhì)用電相

20、結(jié)合。這幾年,隨著通信行業(yè)的發(fā)展,以開關(guān)電源技術(shù)為核心的通信用開關(guān)電源,僅國內(nèi)有20多億人民幣的市場需求,吸引了國內(nèi)外一大批科技人員對其進行開發(fā)研究。開關(guān)電源代替線性電源和相控電源是大勢所趨,因此,同樣具有幾十億產(chǎn)值需求的電力操作電源系統(tǒng)的國內(nèi)市場正在啟動,并將很快發(fā)展起來。還有其它許多以開關(guān)電源技術(shù)為核心的專用電源、工業(yè)電源正在等待著人們?nèi)ラ_發(fā)[5]</p><p>　　1.1.3 電源技術(shù)存在的問題</

21、p><p>　　隨著半導(dǎo)體技術(shù)和微電子技術(shù)的高速發(fā)展，集成度高、功能強大的大規(guī)模集成電路的不斷出現(xiàn)，使得電子設(shè)備的體積在不斷地縮小，重量在不斷地減輕，所以從事這方面研究和生產(chǎn)的人們對開關(guān)穩(wěn)壓電源中的開關(guān)變壓器還感到不是十分理想，他們正致力于研制出效率更高、體積更小、重量更輕的開關(guān)變壓器或者通過別的途經(jīng)取代開關(guān)變壓器，使之能夠滿足電子儀器和設(shè)備微小型化的需要，這是從事開關(guān)穩(wěn)壓電源研制的科技人員目前正在克服的一個困難。

22、 開關(guān)穩(wěn)壓電源的效率是與開關(guān)管的變換速度成正比的，并且開關(guān)穩(wěn)壓電源中由于采用了開關(guān)變壓器以后，才能使之由一組輸入得到極性、大小各不相同的多組輸出。要進一步提高開關(guān)穩(wěn)壓電源的效率，就必須提高電源的工作頻率。但是，當(dāng)頻率提高以后，對整個電路中的元器件又有了新的要求。例如，高頻電容、開關(guān)管、開關(guān)變壓器、儲能電感等都會出現(xiàn)新的問題。進一步研制適應(yīng)高頻率工作的有關(guān)電路元器件，是從事開關(guān)穩(wěn)壓電源研制科技人員要解決的第二個問題。 &

23、#160; 工作在線性狀態(tài)的線性穩(wěn)壓電源，具有穩(wěn)壓和濾波的雙重作用，因而串聯(lián)線性穩(wěn)壓電源不產(chǎn)生開關(guān)干擾，且波紋電壓輸出較小。但是在開關(guān)穩(wěn)壓電源中的開關(guān)管工作在開關(guān)狀態(tài)，其交變</p><p>　　1.2本文的結(jié)構(gòu)和主要內(nèi)容</p><p>　　本文分為五章，第一章是緒論。第二章介紹核心硬件部分：整流濾波穩(wěn)壓部分。第三章介紹了外圍硬件電路：程控顯示按鍵部分。第四章介紹支持系統(tǒng)工作的軟件部分

24、。第五章介紹了實驗方法以及設(shè)計中存在的不足。</p><p>　　第二章 穩(wěn)壓電源整體設(shè)計</p><p>　　在電子電路中，通常都需要電壓穩(wěn)定的直流電源供電。小功率穩(wěn)壓電源的組成可以用圖2-1表示，它是由變壓器，整流，濾波，和穩(wěn)壓電路等四個部分組成。</p><p>　　圖 2-1直流穩(wěn)壓電源組成框圖</p><p>　　電源變壓器是將交流

25、電網(wǎng)220V的電壓變?yōu)樗枰碾妷褐担缓笸ㄟ^整流電路將電壓變成脈動的直流電壓。由于此脈動的直流電壓還含有較大的紋波，必須通過濾波電路加以濾除，從而得到平滑的支流電壓。但這樣的電壓還隨電網(wǎng)電壓波動（一般有正負10%左右的波動），負載和溫度的變化而變化。因而在整流、濾波電路之后，還需接穩(wěn)壓電路。穩(wěn)壓電路的作用是當(dāng)電網(wǎng)電壓波動、負載和溫度變化時，維持輸出直流電壓的穩(wěn)定。</p><p>　　當(dāng)負載要求功率較大，效率較

26、高時，常采用開關(guān)穩(wěn)壓電源[6]。</p><p>　　2.1 小功率整流電路</p><p>　　2.1.1 單相半波整流電路 </p><p>　　單相半波整流電路是最簡單的整流電路，圖2-2是單相半波阻性負載的整流電路。</p><p>　　圖2-2 單相半波整流電路</p><p>　　電路中，T為變壓器，其作

27、用是將市電220V的交流電壓變成所需要的直流電壓，VD是整流二極管，其作用是方向變化的交流電變?yōu)閱蜗嗟拿}動直流。現(xiàn)介紹電路的基本原理。</p><p>　　當(dāng)交流電源為正半周，即上正下負時。二極管VD因加正向電壓而導(dǎo)通，V2通過二極管VD加至負載電阻RL上，負載電壓V0=V2為正弦半波電壓。</p><p>　　當(dāng)交流電元為負半周，即上負下正時。二極管VD上加反相電壓，故VD不導(dǎo)通，若忽略

28、二極管VD的反向漏電流，則負載電阻RL中無電流通過，負載電壓為零。</p><p>　　由此可見，由于二極管的單向?qū)щ娮饔茫挥幸粋€方向的電流流過負載電阻RL，因此在負載電阻RL上的電壓V0是單向的脈動直流電壓，以后各周期情況和第一周期相同。</p><p>　　輸出直流電壓的平均值，即直流電壓V0可按下式求出</p><p><b>　　(2-1)<

29、;/b></p><p>　　整流輸出的是脈動電壓，即包含有直流成分，同時又有交流成分，其中的脈動程度一般用紋波系數(shù)來衡量，即紋波系數(shù)＝輸出電壓的交流成分有效值/輸出電壓直流成分。對于直流電源來說，紋波越小越好。為了得到教平滑的直流電壓就必須進行濾波，對于輸出在幾安一下的各種單相整流器來說，常在整流電路輸出端并聯(lián)一個一定電容量的濾波電容C，即為容性負載。</p><p>　　半波整流

30、電路的優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單，使用的元器件少。但缺點是輸出的波形脈動大，直流成分比較低；變壓器有半個周期不導(dǎo)電，利用率低；變壓器電流含有直流成分，容易飽和。所以只能用在輸出功率較小、負載要求不高的場合。</p><p>　　2.1.2單向全波整流電路 </p><p>　　單向全波整流電路如圖2-3所示。</p><p>　　變壓器T次級線圈具有中心抽頭，即得到幅值相

31、等而相位差的電壓V21和V22。在未接濾波電容時，當(dāng)變壓器T的次級線圈的交流電壓上(1)正而下(2)負時，VD1受正向電壓而導(dǎo)通，VD2受反向電壓而截至。于是電流iD1通過VD1流過負載RL。另半個周期，即上(1)負而下(2)正時，VD2受正向電壓而導(dǎo)通，VD1受反向電壓而截至。于是電流iD2通過VD2流過負載RL。在一個周期內(nèi)負載電流i0=iD1+iD2為單向脈動電流。負載電壓為雙半波，因此直流輸出平均電壓為單相半波整流電路的2倍，即

32、V0＝0.9V2。</p><p>　　圖2-3 單相全波整流電路</p><p>　　全波整流電路接入濾波電容C，其充放電過程與半波整流相同，但由于V21和V22輪流通過VD1和VD2向電容C充電，所以輸出電壓的脈動比半波整流時小。</p><p>　　2.1.3 橋式整流電路 </p><p>　　橋式整流電路如圖2-4所示。<

33、/p><p>　　工作原理簡介如下：在V2的正半周內(nèi)，VD1，VD4導(dǎo)通，VD2,VD3截至，在RL上建立起上正下負的脈動電壓，如果忽略二極管的管壓降及變壓器的內(nèi)阻，則V0=V2。而在V2的負辦周，二極管VD2,VD3導(dǎo)通，VD1,VD4截至，在負載RL上仍建立起上正下負的脈動電壓，如果忽略二極管的管壓降及變壓器的內(nèi)阻，則V0=V2。由此可以看出，正負辦周都有電流流過負載電阻RL，而且流過負載電阻的電流方向是一致的，

34、因而輸出電壓的直流成分提高，脈動成分降低。</p><p>　　橋式整流電路的電壓可作如下估算。整流元件仍認為是理想的，在純電阻負載條件下，電壓的順時值為：</p><p><b>　　(2-2)</b></p><p>　　負載直流電壓平均值為</p><p><b>　　(2-3)</b><

35、;/p><p>　　圖2-4 橋式整流電路</p><p>　　每個二極管截止時的反向電壓相同，為V2的幅值。即：</p><p><b>　　(3-4)</b></p><p>　　導(dǎo)通二極管的電流平均值為負載電流平均值的一半，最大值與負載電流最大值相同。</p><p>　　綜上，橋式整流電路的

36、特點是：與半波整流電路相比，在V2,RL相同的條件下，輸出的直流電壓提高了一倍；電流脈動程度減?。蛔儔浩髡摪胫芏加袑ΨQ電流流過，既得到充分利用，又不存在單向磁化的問題。所以它的應(yīng)用較為廣泛。但是需要4個整流二極管，線路稍復(fù)雜。</p><p>　　以上簡單介紹了幾種整流電路，根據(jù)其優(yōu)缺點的判斷，所以在我的設(shè)計中采用了橋式整流電路。一方面，能使電能得到充分利用，另一方面，由于有現(xiàn)成的整流橋集成元件，設(shè)計起來也比較

37、方便。</p><p><b>　　2.2 濾波電路</b></p><p>　　交流電經(jīng)整流電路后可變?yōu)槊}動直流電流，其中含有較大的交流分量，為了使設(shè)備能用上純凈的直流電，還必須用濾波電路濾除脈動電壓中的交流成份。濾波電路一般由電抗元件組成，如在負載電阻兩端并聯(lián)上電容器C，或在負載中串聯(lián)上電感器L，或由電容，電感組合而成的各中復(fù)式濾波電路。</p>&

38、lt;p>　　2.2.1 電容濾波電路 </p><p>　　電容濾波就是在整流電路后面,用大量的電解電容與負載并聯(lián)例如以橋式電路為例,整流濾波電路如圖2-5所示:</p><p>　　并聯(lián)在負載兩端的電容器C即起濾波作用。下面以有負載RL和無負載RL 兩種情況來分析濾波電路的工作原理。無負載，即RL開路時，電路接通瞬間設(shè)電容C上起始電壓為零。電源接通后，通過整流管及變壓器次級給C

39、充電，因?qū)ǖ亩O管及變壓器次級電源內(nèi)阻很小，所以充電時間常數(shù)很小，充電電流很大。只要合理選擇元件參數(shù)，便不會發(fā)生過熱或燒壞晶體管的現(xiàn)象。當(dāng)V2達到最大值時，Vc也基本上達到最大值。此后，V2開始減小，導(dǎo)通的二極管由于V2的絕對值小于Vc，處于反偏截至狀態(tài)。此后，輸出電壓保持為Vc而不變，。當(dāng)V2的負半周到來時，因Vc不變，晶體管也不在導(dǎo)電。</p><p>　　圖2-5電容濾波電路</p><

40、;p>　　當(dāng)有負載RL時，設(shè)RL為定值，當(dāng)電源接通且C上還有近似峰值電壓時，電壓波形如圖所示。在t1~t4間隔內(nèi)，輸入電壓V2>Vc，VD1,VD2導(dǎo)電，電容C充電，Vc隨充電過程而上升，到t2以后，V2按正弦規(guī)律下降，當(dāng)Vc>V2時，整流管VD1,VD2處于反向偏置，停止導(dǎo)通；已充電的電容開始對負載電阻RL放電，即暫時代替電源向負載供電。電容C的放電電壓按指數(shù)曲線下降。在t3瞬間，V2上升到Vc；t3以后，－V2&g

41、t;Vc，電容由放電轉(zhuǎn)換為充電，VD3,VD4導(dǎo)通，構(gòu)成電源向負載及電容供電的通路。t4以后，－V2<Vc，VD3,VD4截至，電容又處于放電狀態(tài)，其過程和t2～t3間隔內(nèi)相同，以后情況如此反復(fù)。當(dāng)電源切斷后，需帶電容放電完畢，輸出電壓才能為零。</p><p>　　電容濾波器的特點如下：</p><p>　　1 加了濾波電容以后，輸出電壓的直流成分提高，脈動成分減小。這是利用電容的

42、儲能作用來實現(xiàn)的。當(dāng)二極管導(dǎo)通時，電容充電將能量儲存起來；二極管截至?xí)r，再把儲存的能量釋放給負載，一方面使輸出電壓波形比較平滑，同時也增加了輸出電壓的平均值。</p><p>　　2 電容濾波放電的時間常數(shù)（）愈大，放電過程愈緩慢，輸出電壓愈高，同時脈動成分愈小，濾波效果愈好。當(dāng)∞時，（如負載開路），電容沒有放電通路，故VL＝V2。當(dāng)不加電容濾波時，橋式整流后負載上輸出電壓的平均值為VL＝0.9V2。</p

43、><p>　　3電容濾波電路的輸出電壓隨輸出電流的增大而減小。這是由于濾波電路的負載電阻RL減小時，電容的放電過程加快，輸出電流的平均值Io增大，而輸出電壓的平均值VL卻減小了。通常把輸出電壓VL和輸出電流Io之間的關(guān)系曲線稱為電源的外特性。電路輸出電壓隨電流的增大而下降的很快，這種外特性稱之為軟特性。所以電容濾波電路適合用于負載電流變化不大的場合。</p><p>　　4 電容濾波電路中，整

44、流二極管的導(dǎo)通角小于180度，而且電容放電時間常熟越大，導(dǎo)通角越小。二極管在短暫的導(dǎo)電時間內(nèi)，有很大的浪涌電流流過，這對管子的壽命不利。所以選用二極管時，應(yīng)考慮它能承受最大沖擊電流的情況。一般選管子時，要求它承受的正向電流的能力應(yīng)大于平均輸出電流的2~3倍。</p><p>　　電容濾波電路簡單，制作方便。但是它的輸出電流不宜太大，而且要求輸出電壓的脈動成分較小時，必須增加電容器的容量，因此電路的體積大也不經(jīng)濟。

45、為此，RC-π型濾波電路在實際電路中經(jīng)常使用。</p><p>　　RC-π型濾波電路如圖2-6所示：</p><p>　　它實際上就是在電容濾波的基礎(chǔ)上再加上1級RC濾波電路構(gòu)成的。采用這種濾波電路可以進一步降低輸出電壓的脈動系數(shù)。但是，這種濾波電路的缺點是在R上有直流壓降，因而必須提高變壓器次級電壓；因而整流管的沖擊電流仍然比較大；同時，由于R產(chǎn)生壓降，外特性比電容濾波更軟。所以這種電

46、路只適用于小電流的場合。</p><p>　　圖2-6 RC-π型濾波電路</p><p>　　2.2.2電感濾波器 </p><p>　　利用電感具有阻止電流變化的特點，在整流電路的負載回路中串聯(lián)電感L，如圖2-7所示，即構(gòu)成電感濾波電路。</p><p>　　圖2-7 電感濾波電路</p><p>　　當(dāng)整流后的

47、脈動電流增大時，電感L將產(chǎn)生反電勢－L(di/dt)，阻止電流增大；相反，當(dāng)電流減小時，電感L將阻止電流減小，從而使負載電流脈動成分大大降低，達到濾波的目的。</p><p>　　由于電感交流電阻很大，而直流電阻很小，輸出直流分量在電感上損失很小，所以它適用于負載電流比較大的場合，而且外特性較好，即負載電流變化時，輸出直流電壓變化較小，另外，電感濾波的二極管導(dǎo)通角不會減小，避免了浪涌電流的產(chǎn)生。</p>

48、;<p>　　為了進一步改善濾波效果，可以采用LC濾波電路，它是在電感濾波電路的基礎(chǔ)上，再在負載電阻RL上并聯(lián)電容器C，如圖2-8所示</p><p>　　圖2-8 LC型濾波電路</p><p>　　不難看出，當(dāng)L 值很小，或RL很大時，該電路和電容濾波電路很類似，呈現(xiàn)電容濾波的特點，為了保證整流二極管的導(dǎo)電角仍為180度，一般要求L值很大，對基波信號而言應(yīng)滿足RL<

49、;3Ω。</p><p>　　LC濾波電路中輸出電壓中的基波分量應(yīng)由jωL和RL//(1/ωC)分壓得到，所以輸出電壓的脈動成分比僅用電感濾波時更??；而負載電流變化時均能有良好的濾波效果，所以說他對負載的適應(yīng)性比較強。</p><p>　　在大功率輸出的電源穩(wěn)壓電路中，由于輸出電流較大，為了減少功率損耗，一般不用電阻做濾波器件，經(jīng)常使用的是LC元件構(gòu)成的π型濾波電路。為了增大電感量，一般來

50、說，L選用鐵心電感，C選用電解電容，如圖2.10所示：</p><p>　　圖2-10 π型LC濾波電路</p><p><b>　　2.3 穩(wěn)壓電路</b></p><p>　　經(jīng)過整流和濾波后的直流電壓，會由于交流電網(wǎng)電壓的波動以及負載電阻的變動而發(fā)生變化。在絕大多數(shù)情況下，這種輸出電壓的變化波動顯得太大，仍需要進一步對其穩(wěn)定，這就需要

51、采用穩(wěn)壓電路。通常，完整的穩(wěn)壓電源電路包括有整流、濾波、和穩(wěn)壓電路。下面就穩(wěn)壓電路作一下介紹。</p><p>　　2.3.1 穩(wěn)壓電路的指標(biāo)</p><p>　　衡量穩(wěn)壓器的性能有許多指標(biāo)，例如額定輸出電壓、電流和電壓調(diào)節(jié)范圍等，這屬于特性指標(biāo)；穩(wěn)壓系數(shù)、等效內(nèi)阻、紋波電壓（即交流電壓分量）等屬于質(zhì)量指標(biāo)。自動化程度，用來說明維護人員離開時，例如，是否具有自動開機、停機性能，故障檢測等

52、。經(jīng)濟指標(biāo)，主要有效率和功率因數(shù)等。下面簡單介紹下質(zhì)量指標(biāo)。</p><p><b>　　1 穩(wěn)壓系數(shù)</b></p><p>　　當(dāng)負載電流一定時，輸出電壓的相對變化量與輸入電壓的相對變化量之比稱為穩(wěn)壓系數(shù)，即：</p><p>　　(=額定值) （2-5）</p><p>　　上式中

53、，γ為穩(wěn)壓系數(shù)；為穩(wěn)壓器的額定輸出電壓；為穩(wěn)壓器額定輸入電壓；為輸出電壓的變化量；為輸入電壓的變化量；為負載電流。</p><p>　　另外還有以γ的倒數(shù)S為標(biāo)準(zhǔn)，稱S＝1/γ為穩(wěn)定系數(shù)的。</p><p><b>　　2 等效電阻</b></p><p>　　又稱為動態(tài)電阻，是包括整流、濾波和穩(wěn)壓在內(nèi)的等效電阻。當(dāng)保持不變時，輸出電壓增量與輸

54、出電流增量之比稱為等效內(nèi)阻：</p><p>　?。ǎ筋~定值） （2-6）</p><p>　　上式中，為正值，由于電流增加（增量為正）時其兩端電壓受內(nèi)阻影響要下降（增量為負），故上式中加了個“－”號，使得為正值。通常穩(wěn)壓器在額定范圍內(nèi)使用時，約在1.5Ω以下。</p><p><b>　　3 紋波電壓 </b>&l

55、t;/p><p>　　紋波電壓就是疊加在輸出直流電壓上的交流電壓分量，通常經(jīng)濾波及穩(wěn)壓后，它的數(shù)值在幾毫伏以內(nèi)，以不影響電子設(shè)備工作為準(zhǔn)?？捎靡粋€容量較大的電容器與交流毫伏表串聯(lián)進行測量，此電容是隔直流用的]。</p><p>　　2.3.2 穩(wěn)壓管基本應(yīng)用電路</p><p>　　硅穩(wěn)壓管也稱為齊納二極管，其伏安特性如圖所示。從伏安特性可以看到，當(dāng)流過穩(wěn)壓管的電流在一

56、個較大范圍內(nèi)變化時，穩(wěn)壓管兩端的電壓幾乎不變。穩(wěn)壓管的這一特性將穩(wěn)壓管和負載并聯(lián)，若能保證穩(wěn)壓管中的電流在一定范圍內(nèi)，則負載電壓就能在一定程度上得到穩(wěn)定，因此，穩(wěn)壓電路的關(guān)鍵就是限定穩(wěn)壓管中的電流。因為如果工作電流太小，則電壓隨電流的變化很大，達不到穩(wěn)壓的目的；但工作電流也不能太大，以免超過管子的額定功率，造成損壞。小功率穩(wěn)壓管的工作電流大致幾毫安至幾十毫安，大功率的穩(wěn)壓管可到幾安培到十幾安培。</p><p>

57、　　圖2-12是由穩(wěn)壓管構(gòu)成的基本穩(wěn)壓電路：</p><p>　　圖2-12 穩(wěn)壓管穩(wěn)壓電路</p><p>　　電路中，R決定了向穩(wěn)壓管和負載輸送電流的總量，起著限流和調(diào)壓的作用，穩(wěn)壓管起著調(diào)節(jié)電流的作用。如負載減小，要求更多的電流流過時，通過穩(wěn)壓管的電流將隨之減小，使基本不變，以保證輸出電壓基本不變。如果不變，但輸入電壓由于電網(wǎng)電壓或元件參數(shù)改變而增加時，則將增加，此時也隨之增加，保證

58、基本不變，即基本不變。如果和都變化，則將綜合二者的變化加以調(diào)整，只要的變化在它的允許的工作范圍之內(nèi)，就能保證起到較好的穩(wěn)壓作用。</p><p>　　其穩(wěn)壓過程簡述如下：若電壓升高，而負載不變，則電壓降低，而負載不變，則而負載不變，則穩(wěn)壓過程與上訴相反。</p><p>　　若負載電阻減?。ㄘ撦d電流增大），而輸入電壓不變，則若負載電阻增大，而數(shù)輸入電壓不變，則穩(wěn)壓過程與上訴相反。</

59、p><p>　　基本穩(wěn)壓電路中限流電阻R的選用非常重要，若R選的太大，則供應(yīng)電流不足，當(dāng)較大時，穩(wěn)壓管的電流將減小到臨界值以下，失去穩(wěn)壓作用；若R選的太小，則當(dāng)變到很大或開路時，都流向穩(wěn)壓管，可能超過允許定額而造成損壞。為此，要合理需用R。</p><p>　　設(shè)穩(wěn)壓管的穩(wěn)定電壓為，最大工作電流為，最小工作電流為；市電電壓最高時的整流輸出電壓為，最低時為；負載電流的最小值為，開路時為0，最大值

60、為。要使穩(wěn)壓管能正常工作，必須滿足下列條件。</p><p>　　當(dāng)市電電壓最高和負載電流為0，即負載開路時，應(yīng)不超過允許最大值，既限流電阻R的最小值應(yīng)滿足：</p><p><b>　　（2-7）</b></p><p>　　當(dāng)市電電壓最低和負載電流最大時，應(yīng)不低于允許最小值，即：</p><p><b>　

61、?。?-8）</b></p><p>　　如上兩式不能同時滿足，則說明在給定條件下已超過穩(wěn)壓管的工作范圍，需限制變化范圍或選用較大功率的穩(wěn)壓管。</p><p>　　穩(wěn)壓管穩(wěn)壓電路具有線路簡單，調(diào)試方便等優(yōu)點，但輸出電流受穩(wěn)壓管穩(wěn)定電流的限制，而且輸出電壓又不能任意調(diào)節(jié)，穩(wěn)壓性能不高，只適用于輸出電流小，負載變動不到和穩(wěn)定性能要求不高的場合，或作為輔助穩(wěn)壓源。若負載經(jīng)常變動，要

62、求輸出電壓連續(xù)可調(diào)，穩(wěn)定性能好，就要采用晶體管穩(wěn)壓源。</p><p>　　2.3.3 串聯(lián)反饋型晶體管穩(wěn)壓電路</p><p>　　串聯(lián)反饋型穩(wěn)壓電路比穩(wěn)壓管穩(wěn)壓電路要復(fù)雜的多，它是一個閉環(huán)反饋系統(tǒng)。所以必須具有執(zhí)行元件和反饋支路。一般情況下，它包括調(diào)整管、取樣電路、基準(zhǔn)電壓源及誤差比較放大器等主要部分。調(diào)整管是閉環(huán)調(diào)節(jié)系統(tǒng)的執(zhí)行機構(gòu)，其余部分都是反饋控制支路所必需的，原理框圖如圖2-1

63、3所示。從框圖上可以看出輸入電壓經(jīng)過調(diào)整元件調(diào)節(jié)之后，變成穩(wěn)定的輸出電壓。</p><p>　　圖2-13 串聯(lián)反饋型穩(wěn)壓電路框圖</p><p>　　取樣電路和基準(zhǔn)電壓相比較，并把比較后的誤差信號送放大器，增強反饋控制效果，因為取樣得來得是電壓信號，所以這種電壓源實際上是一個以電壓為調(diào)節(jié)對象得自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)，其調(diào)節(jié)模式如圖2.14所示。圖中，為調(diào)節(jié)系統(tǒng)開環(huán)時的電壓傳遞函數(shù)，也就是系統(tǒng)開環(huán)穩(wěn)

64、壓系數(shù)；為執(zhí)行機構(gòu)在系統(tǒng)閉環(huán)時的電壓傳遞函數(shù)，也就是調(diào)整管電路的電壓放大倍數(shù)；K時誤差放大器開環(huán)電壓放大倍數(shù)；n為取樣電路的電壓傳遞系數(shù)，也就是取樣分壓器的分壓比。根據(jù)調(diào)節(jié)原理可知，該系統(tǒng)的調(diào)節(jié)函數(shù)為：</p><p><b>　?。?-9）</b></p><p>　　由此可知，無論輸入電壓波動還是負載變化對輸出電壓的影響，反饋系統(tǒng)是開環(huán)系統(tǒng)的1/（1+*K*n）倍

65、，更具體點說，就是反饋調(diào)整型穩(wěn)壓電源在電網(wǎng)電壓調(diào)整率、負載調(diào)整率等主要技術(shù)性能方面，都是以硅穩(wěn)壓二極管穩(wěn)壓電源為代表的參數(shù)型穩(wěn)壓電源的（1+*K*n）倍，這就是反饋調(diào)整型穩(wěn)壓電源比參數(shù)型穩(wěn)壓電源應(yīng)用得更普遍得主要原因。</p><p>　　圖2-14 串聯(lián)反饋型穩(wěn)壓電路調(diào)節(jié)模式</p><p>　　串聯(lián)反饋型穩(wěn)壓電源穩(wěn)壓原理是調(diào)整元件的動態(tài)電阻是隨著輸出電壓的變化而自動改變的。其優(yōu)點是，輸

66、出電壓范圍不受調(diào)整元件本身耐壓的限制而且各項技術(shù)指標(biāo)可以做的很高。其缺點是線路比較復(fù)雜，過載能力差，順時過載會使調(diào)整元件損壞，需要過載保護。因此，串聯(lián)反饋調(diào)整型穩(wěn)壓電源廣泛用在負載變動較大，穩(wěn)壓性能要求較高，輸出電壓可調(diào)等場合。</p><p>　　由以前學(xué)習(xí)的晶體管工作原理時已經(jīng)知道，工作在放大區(qū)的晶體管，它的集—射極之間的電壓和集電極電流隨基極電流的變化而變化。當(dāng)基極電流增加時，將減小，將增大，這相當(dāng)于晶體管

67、集電極與發(fā)射極之間的電阻減??；而當(dāng)基極電流減小時，將增大，將減小，這就相當(dāng)于晶體管集電極與發(fā)射極之間所呈現(xiàn)的電阻增大。由此可見，在線性放大區(qū)工作的晶體管，在基極電流的控制下，集—射極之間的電阻時可以改變的。所以，晶體管完全可以充當(dāng)串聯(lián)反饋型穩(wěn)壓電源中的調(diào)整元件，稱為調(diào)整管。用晶體管作調(diào)整管的串聯(lián)反饋型穩(wěn)壓電源叫做串聯(lián)反饋型晶體管穩(wěn)壓電源，它是串聯(lián)反饋型穩(wěn)壓電源中應(yīng)用最普遍、最有代表性的一種。</p><p>　　

68、1簡單的串聯(lián)反饋型晶體管穩(wěn)壓電路 </p><p>　　圖2-15是一個最簡單的串聯(lián)反饋型晶體管穩(wěn)壓電路。晶體管VT做調(diào)整元件，VD做基準(zhǔn)電壓源，它給晶體管發(fā)射結(jié)提供一個固定的偏壓使其能正常工作。當(dāng)負載變小或輸入電壓變大，使得負載兩端的輸出電壓增大時，由于基準(zhǔn)電壓不變，所以晶體管的基極電位也不變，那么集—射極電壓（＝－）將減小，從而減小，管壓降增大，使輸出電壓＝－減少，抵消了由于電網(wǎng)電壓增加或負載減小引起的的增

69、加，使輸出電壓保持基本不變。如果當(dāng)輸入電壓減小或負載增大，使得輸出電壓下降時，調(diào)節(jié)過程與上述正好相反。</p><p>　　圖2-15 串聯(lián)反饋型晶體管穩(wěn)壓電路</p><p>　　從上邊的穩(wěn)壓過程可以看出，當(dāng)輸入電壓增大或負載變小時，這種穩(wěn)壓電路是通過輸出電壓的變化反過來控制調(diào)整管VT的管壓降，從而使輸出電壓保持不變，以達到自動穩(wěn)壓的作用，這實際是一種負反饋，所以這種電路叫做串聯(lián)反饋型穩(wěn)

70、壓電路。</p><p>　　該電路存在兩個問題：其一，該電路是用輸出電壓的變化部分直接去控制調(diào)整管的基極，故控制作用小，穩(wěn)壓性能較差；其二，輸出電壓固定不可調(diào)。</p><p>　　2帶有放大器的串聯(lián)反饋型晶體管穩(wěn)壓電路 </p><p>　　簡單的反饋型晶體管穩(wěn)壓電路，是直接利用輸出電壓的變化量來控制調(diào)整管的電壓變化的所以其靈敏度和電壓穩(wěn)定性都不夠理想。采用帶

71、放大器的穩(wěn)壓電路，可以彌補這些不足。</p><p>　　圖2-16 帶有放大器的串聯(lián)反饋型晶體管穩(wěn)壓電路</p><p>　　圖2.16是一個帶有放大器的典型電路，圖中VT1是調(diào)整管，接成射極輸出器的形式，負載電阻是它的射極電阻。R1、R2與并聯(lián)組成分壓器，起到取出輸出電壓的作用，叫做取樣電路。VD是硅穩(wěn)壓二極管，它與限流電阻R3一起組成基準(zhǔn)電壓源。VT2是比較放大器，R4是它的集電極電

72、阻，同時也是管的偏流電阻。晶體管把從取樣電路送來的輸出電壓上升或下降的變化信號與基準(zhǔn)電壓相比較，并把比較結(jié)果產(chǎn)生的差值電壓（或者叫做誤差電壓）加以放大，以此來控制調(diào)整管的管壓降，從而使輸出電壓基本保持穩(wěn)定。因為放大器的作用，很小的輸出電壓的變化，反應(yīng)到調(diào)整管上就有比較大的變化，大大提高了調(diào)整管的靈敏度，提高的輸出電壓的穩(wěn)定性。</p><p>　　當(dāng)輸入電壓下降或負載增大時，輸出電壓減小，取樣電壓相應(yīng)的減小，管基

73、極電位也隨之減小，因為硅穩(wěn)壓管兩端的電壓基準(zhǔn)不變所以管的基—射極之間的電壓＝（-）減小，于是管的集電極電流減小，R4兩端的壓降變小，迫使調(diào)整管的基—射極間的電壓＝（--）增大，增大，管的壓降下降，結(jié)果使得輸出電壓＝（-）上升，從而使輸出電壓基本恢復(fù)到原來的數(shù)值。同理，當(dāng)輸入電壓上升或負載變小時，升高，當(dāng)經(jīng)過反饋調(diào)整作用又會使下降，從而使輸出電壓基本保持不變。</p><p>　　為了提高串聯(lián)反饋型晶體管穩(wěn)壓電源的

74、技術(shù)性能，使用方便，在實用的穩(wěn)壓電源中有許多改進電路：</p><p>　　1 采用輔助電源提高穩(wěn)壓電源的穩(wěn)定性 當(dāng)輸入電壓發(fā)生跳變而反饋電壓來不及調(diào)整時，輸出電壓同樣會發(fā)生跳變，為此，采用輔助電源，使得穩(wěn)壓電路的瞬態(tài)穩(wěn)定性得到了很大的改善。</p><p>　　2 比較放大器采用恒流源負載提高穩(wěn)壓電源的穩(wěn)定性 在串聯(lián)反饋型晶體管穩(wěn)壓電路中，比較放大器的增益越大，穩(wěn)壓性能就越好

75、。在圖2.16中，為了提高放大器的增益，R4的值盡可能選大些，但又不能選的太大，故可采用恒流源代替電阻R4。在恒流源的情況下，對交變電壓能產(chǎn)生很大的動態(tài)電阻，使得比較放大器有很大的電壓增益，從而提高了穩(wěn)壓性能。</p><p>　　3 采用兩級直流放大器提高電路的穩(wěn)定性 提高比較放大器電壓增益的另一個方法是增大放大器的級數(shù)，在高穩(wěn)定性電壓電路中常采用這種方法。但多級直流放大器的設(shè)計和制造比較困難，很容易產(chǎn)生

76、自激振蕩，而破壞了穩(wěn)壓器的工作。在實際電路中，多用兩級放大，總放大倍數(shù)可達幾百倍。</p><p>　　4 采用電阻補償提高穩(wěn)壓電路的穩(wěn)定性 當(dāng)輸入電壓或負載電流發(fā)生變化時，一般的串連反饋型晶體管穩(wěn)壓電源不可能使輸出電壓十分穩(wěn)定，只是因為它正是利用輸出電壓的變化來調(diào)節(jié)的。但若采用電阻補償，在調(diào)整合適的時候，可以使輸出電壓穩(wěn)定不變。用輸入電壓的變化來進行補償，將輸入電壓通過一個電阻直接加到取樣電路上，這樣，取

77、樣時能得到更大的變化量，加強了穩(wěn)壓性能，使輸出電壓更加穩(wěn)定。</p><p>　　5 采用差動放大器比較放大減小穩(wěn)壓電源的溫度漂移 前面介紹的穩(wěn)壓電路，電路簡單，但溫度穩(wěn)定性差，利用差動放大器作比較放大級，可以克服這個缺點。</p><p>　　6 基準(zhǔn)電壓源穩(wěn)壓管恒流供電 提高穩(wěn)壓電路穩(wěn)定性和溫度特性 穩(wěn)壓管的主要特點是流過它的電流在很大范圍內(nèi)變化時，穩(wěn)壓管兩端電壓變化很小

78、。如果能使穩(wěn)壓管的工作電流保持不變，穩(wěn)壓管兩端的電壓會更加穩(wěn)定。采用恒流源為穩(wěn)壓管提供工作電流的基準(zhǔn)電壓源，穩(wěn)壓電路的穩(wěn)定性及溫度特性將會得到大大的提高。</p><p>　　7 串聯(lián)反饋型晶體管穩(wěn)壓電流輸出電流擴大方法 在帶有放大器的串聯(lián)反饋型晶體管穩(wěn)壓電路中，調(diào)整管與放大管電流分配情況是：放大管一般在小電流狀態(tài)下工作，具體點說，＝1mA量級，這樣的集電極電阻R4才可以取較大的數(shù)值，以提高放大倍數(shù)。因此，

79、調(diào)整管的基極電流必然很?。?lt;）。因為穩(wěn)壓電路的輸出電流就是調(diào)整管的集電極電流，即＝＝，最大只能達幾百毫安。因此，大電流穩(wěn)壓電源必須采用復(fù)合調(diào)整管或并聯(lián)調(diào)整管。</p><p>　　8 擴大串聯(lián)反饋型晶體管穩(wěn)壓電源輸出電壓調(diào)節(jié)范圍 為了擴大穩(wěn)壓電源的使用范圍，常常要求穩(wěn)壓電源能夠在很寬的范圍內(nèi)連續(xù)調(diào)節(jié)，有的甚至要求從零伏起調(diào)。 改變?nèi)酉禂?shù)，即改變?nèi)与娮璧谋戎?，可以調(diào)節(jié)電源的輸出電壓。在實際應(yīng)用中，在

80、取樣電路中多串聯(lián)一只電位器，把它的中心抽頭接在放大管的基極上，改變電位器中心抽頭的位置，就能很方便的調(diào)節(jié)穩(wěn)壓電源的輸出電壓。但這樣也不能</p><p>　　圖2-17 核心電路圖</p><p>　　在很寬的范圍內(nèi)調(diào)節(jié)，當(dāng)輸出電壓較低時，差分放大管在輸出電壓較低時會因供電不足而無法正常工作。利用輔助電源做差分放大管的供電電源，可以使調(diào)節(jié)電壓范圍變得很寬。目前流行技術(shù)是利用多刀多擲波段開關(guān)

81、分段調(diào)節(jié)輸出電壓[10]。</p><p>　　以上是對直流穩(wěn)壓電源的核心技術(shù)進行的介紹。本次畢設(shè)題目是高精度程控穩(wěn)壓電源，硬件核心就是以上介紹的三個部分。首先，利用變壓器進行市電到所需電壓的轉(zhuǎn)變，在設(shè)計中采用220V～24V的變壓器，將市電電壓降低，之后采用橋式整流電路，對電壓進行整流。一方面，橋式電路使用方便簡單，另一方面，有現(xiàn)成的集成元件可用。濾波方面采用簡單的π型RC濾波電路即可。因為設(shè)計的電路比較簡單，

82、且直流要求較強，所以選用π型RC濾波電路。穩(wěn)壓方面選用串聯(lián)反饋型穩(wěn)壓電路，在比較放大方面選用集成運方代替晶體管，使得電路更加方便，簡單，而且穩(wěn)定可靠。核心電路如圖2－17所示：</p><p><b>　　2.4本章小結(jié)</b></p><p>　　本章主要簡單介紹了直流穩(wěn)壓電源的構(gòu)成原理，對整流電路、濾波電路、穩(wěn)壓電路都做了詳細介紹，對于每一個模塊，說明了幾種可用電

83、路，其優(yōu)缺點，這一部分是畢設(shè)的核心內(nèi)容。并結(jié)合畢設(shè)內(nèi)容，說明了畢設(shè)所選用的設(shè)計電路。</p><p>　　第3章 硬件部分外圍電路設(shè)計</p><p>　　外圍電路包括程控部分（包括D/A和A/D數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換部分），保護電路部分，數(shù)碼管顯示部分，按鍵控制部分。其中，程控，D/A和A/D是系統(tǒng)的調(diào)整核心部分，基準(zhǔn)電壓的輸出和反饋電壓的接受與調(diào)整都是靠它們來完成。保護電路是保護硬件部分安全的，確保

84、硬件不會因電流過大而毀掉。顯示部分是反饋給人信息的部分，通過它可以用來調(diào)整所需電壓，而且可以知道輸出的是否是自己的所需。</p><p>　　3.1 程控部分簡介</p><p>　　本設(shè)計采用了AT89C51作為系統(tǒng)的核心。通過控制D/A轉(zhuǎn)換來輸出基準(zhǔn)電壓，通過控制A/D轉(zhuǎn)換來讀取反饋電壓，并自動調(diào)整D/A的輸出來使輸出電壓穩(wěn)定，達到程控穩(wěn)壓的目的。</p><p&g

85、t;　　3.1.1 8051單片機簡介</p><p>　　AT89C51是一種帶4K字節(jié)閃爍可編程可擦除只讀存儲器（FPEROM—Flash Programmable and Erasable Read Only Memory）的低電壓，高性能CMOS8位微處理器，俗稱單片機。單片機的可擦除只讀存儲器可以反復(fù)擦除100次。該器件采用ATMEL高密度非易失存儲器制造技術(shù)制造，與工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的MCS-51指令集和輸出管

86、腳相兼容。由于將多功能8位CPU和閃爍存儲器組合在單個芯片中，ATMEL的AT89C51是一種高效微控制器，為很多嵌入式控制系統(tǒng)提供了一種靈活性高且價廉的方案。</p><p>　　以下對AT89C51做一個簡要介紹：第一，主要特性：與MCS-51兼容；4K字節(jié)可編程閃爍存儲器；壽命：1000次寫擦循環(huán)；數(shù)據(jù)保留時間：10年；全靜態(tài)工作：0Hz-24Hz ；三級程序存儲器鎖定；1288位內(nèi)部RAM；32可編程I/

87、O線；兩個16位定時器/計數(shù)器；5個中斷源；可編程串行通道；低功耗的閑置和掉電模式；片內(nèi)振蕩器和時鐘電路；第二，管腳說明： VCC：供電電壓；GND：接地；P0口：P0口為一個8位漏級開路雙向I/O口，每腳可吸收8TTL門電流。當(dāng)P0口的管腳第一次寫1時，被定義為高阻輸入。P0能夠用于外部程序數(shù)據(jù)存儲器，它可以被定義為數(shù)據(jù)/地址的第八位。在FIASH編程時，P0 口作為原碼輸入口，當(dāng)FIASH進行校驗時，P0輸出原碼，此時P0外部必須被

88、拉高；P1口：P1口是一個內(nèi)部提供上拉電阻的8位雙向I/O口，P1口緩沖器能接收輸出4TTL門電流。P1口管腳寫入1后，被內(nèi)部上拉為高，可用作輸入，P1口被外部下拉為低電平時，將輸出電流，這是由于內(nèi)部上拉的緣故。在FLASH編程和校驗時，P1口作為第八位地址接收；P2口：P2口為一個內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I/O口，P2口緩沖</p><p>　　3.1.2 D/A和A/D芯片簡介</p><p

89、>　　在設(shè)計中，需要將數(shù)字量轉(zhuǎn)換成模擬量來控制穩(wěn)壓電路的輸出，同時，也需要將模擬量轉(zhuǎn)變成數(shù)字量來反饋輸出的狀態(tài)，送單片機處理，進行控制。這就需要D/A和A/D芯片。</p><p>　　D/A（數(shù)模）轉(zhuǎn)換器輸入的是數(shù)字量，經(jīng)轉(zhuǎn)換后輸出的是模擬量。轉(zhuǎn)換過程是先將各位數(shù)碼按權(quán)值大小轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的模擬分量，然后在以疊加的方法把各模擬分量相加，其和就是D/A轉(zhuǎn)換的結(jié)果。D/A轉(zhuǎn)換器有兩種輸出形式，一種是電壓輸出形式，

90、即輸入為數(shù)字量，輸出為電壓。另一種是電流輸出形式，即輸出為電流。由于實現(xiàn)模擬量轉(zhuǎn)換是需要一定時間的，在這段時間內(nèi)D/A轉(zhuǎn)換器的輸出應(yīng)保持穩(wěn)定，為此應(yīng)當(dāng)在數(shù)/模轉(zhuǎn)換器數(shù)字量輸入端的前面設(shè)置鎖存器。</p><p>　　D/A轉(zhuǎn)換器的指標(biāo)很多，我們最關(guān)心的是 ：分辨率，指輸入單位數(shù)字量變化引起的模擬量輸出的變化，是對輸入量變化敏感程度的描述；建立時間，是描述轉(zhuǎn)換速度快慢的一個參數(shù)，用于表明轉(zhuǎn)換速度；轉(zhuǎn)換精度，理想情況

91、下，精度與分辨率基本一致，位數(shù)越多精度越高。但由于電源電壓、參考電壓、電阻等各種因素存在誤差。嚴格講精度與分辨率并不完全一致，只要位數(shù)相同，分辨率則相同，但相同位數(shù)的不同轉(zhuǎn)換器精度會有所不同。</p><p>　　本次設(shè)計所使用的D/A轉(zhuǎn)換器是MAX508，它是美國美信公司生產(chǎn)的具有內(nèi)部參考，電壓輸出型2位D/A轉(zhuǎn)換器。轉(zhuǎn)換電壓具有相同參考極性，允許但電源工作，內(nèi)部包含一個BURIED—ZENER參考電源，積分轉(zhuǎn)

92、換器（DAC），電壓輸出放大器。</p><p>　　雙緩沖邏輯輸入易于與微處理器接口，數(shù)據(jù)輸入可由8＋4位格式送入內(nèi)部寄存器，所有邏輯信號與TTL或CMOS邏輯兼容，接口時序特性可確保與常規(guī)微處理器接口。轉(zhuǎn)換器可由單電源或雙電源供電，電源電壓取＋12伏或伏。當(dāng)單電源或雙電源供電時，由增益設(shè)置寄存器可選擇3個電壓輸出范圍：0～＋5，0～＋10，當(dāng)雙電源供電時，可獲得伏的電壓輸出。輸出放大器當(dāng)輸出＋10伏時可驅(qū)動2

93、kΩ的負載。</p><p>　　MAX508特性包括：12位電壓輸出型；內(nèi)部電壓參考；快速微處理器接口；單＋12或供電；DIP20/24或?qū)扴O封裝。</p><p>　　其引腳定義說明如下：</p><p>　　1腳（VSS）：負電源。單電源時接地，雙電源時接-15伏。</p><p>　　2腳（ROFS）：滿量程輸出設(shè)置。單極性0～5伏

94、輸出時，ROFS與RFB同時接VOUT；單極性0～10伏輸出時，ROFS接AGND，而RFB接VOUT;雙極性-5～＋5伏輸出時，ROFS接REFOUT,RFB接VOUT。</p><p>　　3腳（REFOUT）：內(nèi)部參考電壓+5伏輸出。</p><p>　　4腳（ACND）：模擬地。</p><p>　　5～8腳（D7~D4）：數(shù)字輸入D7~D4位。</p

95、><p>　　10腳（DGND）：數(shù)字地。</p><p>　　9腳、11～13腳（D3/D11~D0/D8）：在CSLSB有效時，為數(shù)據(jù)的D3~D0位；在CSMSB有效時，為數(shù)據(jù)的D11~D8位。</p><p>　　14腳（）：在其有效時，裝載數(shù)據(jù)高4位。</p><p>　　15腳（）：在其有效時，裝載數(shù)據(jù)低8位。</p>&

96、lt;p>　　16腳（）：信號的上升沿鎖存數(shù)據(jù)。</p><p>　　17腳（）：當(dāng)為1時，裝載數(shù)據(jù)到內(nèi)部輸入鎖存器，在上升沿時，將數(shù)據(jù)鎖存到DAC鎖存器。</p><p>　　18腳（VDD）：正電源輸入端，接＋12伏或＋15伏。</p><p>　　19腳（FRB）：反饋電阻引出腳，使用方法見ROFS部分的說明。</p><p>　

97、　20腳（VOUT）：數(shù)/模電壓轉(zhuǎn)化輸出端。</p><p>　　MAX508的邏輯真值表如下表3-1所示：</p><p>　　表3-1 MAX508邏輯真值表</p><p>　　A/D轉(zhuǎn)換其（ADC）的作用就是把模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，以便于計算機處理進行處理。</p><p>　　隨著大規(guī)模集成電路的飛速發(fā)展，A/D轉(zhuǎn)換器的新設(shè)計思想＆制

98、造技術(shù)層出不窮。為滿足各種不同的檢測及控制任務(wù)的需要，大量結(jié)構(gòu)不同，性能各異的A/D轉(zhuǎn)換器芯片應(yīng)運而生。</p><p>　　根據(jù)A/D轉(zhuǎn)換器的原理可將A/D轉(zhuǎn)換器分為兩大類。一類是直接型A/D轉(zhuǎn)換器，另一類是間接型A/D轉(zhuǎn)化器。在直接型A/D轉(zhuǎn)換器中，輸入的模擬電壓被直接轉(zhuǎn)換成數(shù)字代碼，不經(jīng)任何中間變量；在間接型轉(zhuǎn)換器中，首先把輸入的模擬電壓轉(zhuǎn)換成某種中間變量（時間、頻率、脈沖寬度等等），然后在把這個中間變量變

99、換為數(shù)字代碼輸出。盡管A/D轉(zhuǎn)化器的種類很多，但目前應(yīng)用較廣泛的主要有以下幾種：逐次逼近式轉(zhuǎn)換器、雙積分式轉(zhuǎn)換器、Σ－Δ式A/D轉(zhuǎn)換器和V/F轉(zhuǎn)換器。</p><p>　　A/D轉(zhuǎn)換器的主要技術(shù)指標(biāo)包括：轉(zhuǎn)換時間和轉(zhuǎn)換速率，A/D完成一次轉(zhuǎn)換所需要的時間就是轉(zhuǎn)換時間，轉(zhuǎn)換時間的倒數(shù)是轉(zhuǎn)換速率；分辨率，習(xí)慣上用輸出二進制的位數(shù)或BCD碼位數(shù)來表示。例如AD574A/D轉(zhuǎn)換器，可輸出二進制12位即用 個數(shù)進行量化，其

100、分辨率位1LSB，用百分數(shù)表示為(1/)*100%=0.0244%。量化過程產(chǎn)生的誤差稱為量化誤差，是由于有限位數(shù)字量對模擬量進行量化而引起的誤差；轉(zhuǎn)化精度，A/D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換精度定義為一個實際A/D轉(zhuǎn)換器與一個理想的A/D轉(zhuǎn)換器在量化值上的差值?？捎媒^對誤差和相對誤差來表示。</p><p>　　在設(shè)計數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、測控系統(tǒng)和智能儀器儀表時，首先碰到的就是如何選擇合適的A/D轉(zhuǎn)換器以滿足應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計要求的問題，

101、下面從不同角度介紹選擇A/D轉(zhuǎn)換器的要點。</p><p>　　1 A/D轉(zhuǎn)換器位數(shù)的確定 A/D轉(zhuǎn)換器位數(shù)的確定與整個測量控制系統(tǒng)所要測量控制的范圍和精度有關(guān)，但又不能唯一確定系統(tǒng)的精度。因為系統(tǒng)精度環(huán)節(jié)較多，包括傳感器變換精度、信號預(yù)處理電路進度和A/D轉(zhuǎn)換器及輸出電路、控制機構(gòu)精度，甚至還包括軟件控制算法。然而估計時，A/D轉(zhuǎn)換器的位數(shù)至少要比總精度要求的最低分辨率高一位（雖然分辨率和轉(zhuǎn)換精度是不同的

102、概念，但沒有基本的分辨率就談不上轉(zhuǎn)換精度，精度是在分辨率的基礎(chǔ)上反映的）。實際選取A/D轉(zhuǎn)換器的位數(shù)應(yīng)與其他環(huán)節(jié)所能達到的精度相適應(yīng)。只要不低于它們就行，選的太高既沒有意義，而且價格還要高的多[9]。</p><p>　　2 A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換速率的確定 A/D轉(zhuǎn)換器從啟動轉(zhuǎn)換到轉(zhuǎn)換結(jié)束，輸出穩(wěn)定的數(shù)字量，需要一定的時間，這就是A/D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換時間；其倒數(shù)就是每秒鐘能完成的次數(shù)，稱為轉(zhuǎn)換速率。用不同原理實現(xiàn)

103、的A/D轉(zhuǎn)換器其轉(zhuǎn)換時間是大不相同的?？偟膩碚f，積分型、電荷平衡型和跟蹤比較型A/D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換速度較慢，從幾毫秒到幾十毫秒不等，只能構(gòu)成低速A/D轉(zhuǎn)換器。一般適用于對溫度、壓力、流量等緩變參量的檢測和控制。逐次比較型A/D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換時間可從幾微秒到一百微秒左右，屬于中速轉(zhuǎn)換器，常用于工業(yè)多通道單片機控制系統(tǒng)和聲頻數(shù)字轉(zhuǎn)換系統(tǒng)。轉(zhuǎn)換時間最短的高速A/D轉(zhuǎn)換器是那些用雙極型或CMOS型工藝制成的全并行型、串并行型＆電壓轉(zhuǎn)移函數(shù)型的A/D

104、轉(zhuǎn)換器。轉(zhuǎn)換時間僅為二十到一百納秒。高速轉(zhuǎn)換器適用于雷達、數(shù)字通訊、實時光譜分析、實時順態(tài)記錄、視頻數(shù)字轉(zhuǎn)換系統(tǒng)等。</p><p>　　如用轉(zhuǎn)換時間為100微秒的集成A/D轉(zhuǎn)換器，其轉(zhuǎn)換速率為10千次/秒。根據(jù)采樣定理和實際需要，一個周期的波形需采集10個點，那么這樣的A/D轉(zhuǎn)換器最高也只能處理1KHZ的信號。把轉(zhuǎn)換時間減小到10微秒，信號頻率可提高到100KHZ。對一般微處理機而言，要在10微秒內(nèi)完成A/D轉(zhuǎn)

105、換器轉(zhuǎn)換以外的工作，如讀數(shù)據(jù)、再啟動、存數(shù)據(jù)、循環(huán)記數(shù)等已經(jīng)比較困難、要繼續(xù)提高采集數(shù)據(jù)的速度就不能用CPU來控制，必須采用直接存儲器訪問（DMA）技術(shù)來實現(xiàn)。</p><p>　　3 是否要加采樣保持器 原則上直流和變化非常緩慢的信號可不用采樣保持器。其他情況都要加采樣保持器。根據(jù)分辨率、轉(zhuǎn)換時間、信號帶寬關(guān)系式可得到如下數(shù)據(jù)作為是否要加采樣保持器的參考：如果A/D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換時間是100微秒、ADC是8

106、位時、沒有采樣保持器時，信號允許頻率是0.12HZ；如果ADC是12位，該頻率是0.0077HZ、如果轉(zhuǎn)換時間是100微秒，ADC是8位時，該頻率是12HZ，12位時是0.77HZ。</p><p>　　4 工作電壓和基準(zhǔn)電壓 有些A/D轉(zhuǎn)換器需要的工作電壓，也有一些可在＋12～＋15伏范圍內(nèi)工作，這就需要多種電源。如果選擇使用單一＋5伏電源，與單片機系統(tǒng)可共用一個電源就比較方便?；鶞?zhǔn)電壓是提供給A/D轉(zhuǎn)換

107、器在轉(zhuǎn)換時所需的參考電壓，這是為保證轉(zhuǎn)換精度的基本條件。在要求高精度時，基準(zhǔn)電壓要單獨用高精度穩(wěn)壓電源供給。</p><p>　　本次設(shè)計所使用的芯片是MAX197，它是美國美信公司生產(chǎn)的多量程、12位數(shù)據(jù)采集（ADC）,芯片工作電壓僅為5伏；即接收高于電源電壓的模擬信號，又可以接收低于地電位的模擬信號；芯片有8個獨立的模擬輸入通道；對輸入的模擬信號提供了四個可編程輸入量程；伏，伏，0到＋5伏，0到＋10伏，四個