【毕业设计】开关稳压电源的设计与分析_毕业论文

开关稳压电源的设计及参数计算SWICHINGPOWERSUPPLYDESIGNANDPARAMETERSCALCULATION摘要随着开关电源在计算机、通信、航空航天、仪器仪表及家用电器等方面的广泛应用,人们对其需求量日益增长,并且对电源的效率、体积、重量及可靠性等方面提出了更高的要求。开关电源以其效率高、体积小、重量轻等优势在很多方面逐步取代了效率低、又笨又重的线性电源。电力电子技术的发展，特别是大功率器件IGBT和MOSFET的迅速发展，将开关电源的工作频率提高到相当高的水平，使其具有高稳定性和高性价比等特性。开关电源技术的主要用途之一是为信息产业服务。信息技术的发展对电源技术又提出了更高的要求，从而促进了开关电源技术的发展。开关电源的高频变换电路形式很多,常用的变换电路有推挽、全桥、半桥、单端正激和单端反激等形式。本毕业设计论文阐述一种利用脉冲宽度调制（PWM）技术配合高速电子开关、高频电子变压器和LC滤波器实现交流开关式稳压电源的实现思路并组装出样机予以测试。与传统的可控硅调角式交流稳压电源相比，具有效率高、体积小、非线性失真度低、输出电压和电流稳定等特点。关键词开关电源；PWM技术；高速电子开关；LC滤波器ABSTRACTWITHTHESWITCHPOWERSUPPLYINCOMPUTER,COMMUNICATION,AEROSPACE,INSTRUMENTATIONANDELECTRICALAPPLIANCES,ETC,TOITSWIDEAPPLICATION,ANDGROWINGDEMANDFORPOWEREFFICIENCY,VOLUME,WEIGHTANDRELIABILITY,ETCTOPUTFORWARDHIGHERREQUESTSWITCHINGPOWERSUPPLYWITHITSHIGHEFFICIENCY,SMALLVOLUME,LIGHTWEIGHT,ETCADVANTAGESINMANYRESPECTSGRADUALLYREPLACEDTHEEFFICIENCYISLOW,THESTUPIDANDHEAVYLINEARPOWERPOWERELECTRONICTECHNOLOGYDEVELOPMENT,ESPECIALLYTHEPOWERMOSFETDEVICEIGBTANDTHERAPIDDEVELOPMENTOFSWITCHPOWERSUPPLY,WILLWORKTOIMPROVETHEFREQUENCYOFHIGHLEVEL,WHICHHASHIGHSTABILITYANDHIGHPERFORMANCECHARACTERISTICSTHEMAINPURPOSEOFTHESWITCHPOWERSUPPLYTECHNICALSERVICESFORTHEINFORMATIONINDUSTRYISONETHEDEVELOPMENTOFINFORMATIONTECHNOLOGYONPOWERTECHNOLOGYANDPUTFORWARDHIGHERREQUEST,SOASTOPROMOTETHEDEVELOPMENTOFSWITCHPOWERTECHNOLOGYFREQUENCYCONVERSIONOFSWITCHPOWERSUPPLYCIRCUIT,COMMONFORMSOFPUSHPULL,ALLHAVETRANSFORMCIRCUIT,HALFBRIDGE,BRIDGEANDSINGLESTRAIGHTEXCITATIONFLYBACKETCTHISPAPEREXPOUNDSAKINDOFGRADUATIONDESIGNUSINGPULSEWIDTHMODULATIONPWMTECHNOLOGYWITHHIGHFREQUENCYELECTRONICSELECTRONICSWITCH,TRANSFORMERANDLCFILTERSCOMMUNICATESWITCHMANOSTATREALIZATIONIDEASANDASSEMBLINGAPROTOTYPEWITHTHETRADITIONALTHYRISTORADJUSTABLEANGLEINTERFLUENTSTABLEPOWERSUPPLY,HIGHEFFICIENCY,SMALLVOLUME,LOWDEGREEOFNONLINEARDISTORTIONS,OUTPUTVOLTAGEANDCURRENTSTABILITYETCKEYWORDSSWITCHINGPOWERSUPPLY；PWMTECHNOLOGY；HIGHSPEEDELECTRONICSWITCH；LCFILTERS目录摘要IABSTRACTII第一章绪论111概述112开关稳压电源的发展趋势213数字开关稳压电源的优点214设计指标要求3第二章系统组成及原理421交流开关式稳压电源电路组成结构422开关式稳压电源的基本工作原理423交流开关式稳压电源工作原理描述5第三章电路设计及分析731脉冲宽度调制（PWM）电路732高速电子开关电路1433电压和电流取样电路1634微处理器部分1735隔离与驱动电路的设计2036整流和滤波电路2037系统供电电路21第四章制作与调试2341微处理器的调试2342AD转换器的调试2343DA转换器的调试2344LCD显示器的调试2345键盘的调试2446主整流和滤波电路的调试2447三角波的调试2448正弦波调试2449观测PWM波形24410观测已经解调后的正弦波波形25411连程序总调25第五章性能指标测试26第六章结论27致谢28参考文献29第一章绪论在国际上，自美国在20世纪50年代相继出现单端式和推挽式开关电源之后，在60年代就提出了要逐步取消工频整流式电源的要求。70年代，SG公司首先制造出了单片集成脉宽调制（PWM）控制芯片，使开关电源更加小型化，可靠性也得到了进一步的提高。80年代初英国较早地研制了48V成套高频开关式通信电源系统，从那时到现在的十几年中，美国、德国、加拿大、澳大利亚、新西兰、瑞典、日本、法国、西班牙、挪威等国家，都先后研制出了高频开关式通信基础电源系统，并得到了推广应用。尽管通信基础电源系统的容量比较大，但还是紧跟开关电源技术的发展而不断进步。各种开关电源的发展方向基本上都是采用更先进的新器件、新技术、新材料、新工艺逐步减少开关电源的体积和重量，改善电气性能指标，提高工作可靠性，降低对电网的污染，消除对其他设备的干扰，增强智能化程度等等。11概述目前空间技术、计算机、通信、雷达及家电中的电源逐渐被开关电源取代。现在一般应用的串联调整稳压电源，是连续控制的线性稳压电源。这种传统的串联稳压器，调整管总是工作在放大区，流过的电流是连续的，这种稳压器的缺点是承受过载和短路的能力差、效率低，一般只有3560。由于调整管上损耗较大的功率，所以需要采用大功率调整管并装有体积很大的散热器。而开关电源的调整管工作在开关状态，功率损耗小，效率可达7095，稳压器体积小、重量轻，调整管功率损耗较小，散热器也随之减小。此外，开关频率工作在几十KHZ，滤波电感、电容可用较小数值的元件，允许的环境温度可可以大大提高。本毕业设计的宗旨就是如何将比较容易实现的开关式电源方案引用到交流电源稳定的场合本毕业设计论文阐述一种利用脉冲宽度调制（PWM）技术配合高速电子开关、高频电子变压器和LC滤波器实现交流开关式稳压电源的实现思路并组装出样机予以测试。与传统的可控硅调角式交流稳压电源相比，具有效率高、体积小、非线性失真度低、输出电压和电流稳定等特点。本文先从交流开关稳压电源的实现机理逐步展开，涉及到可控正弦波产生器、三角波发生器、比较器、脉冲宽度调制（PWM）器、高速电子开关、高频电压变换器以及微处理器及其周边元部件等，都给与较为详尽的阐述。接着对组装、调试、检测等也有相应的介绍，最后给出了按设计要求所测试的结论。12开关稳压电源的发展趋势（1）非隔离DCDC技术迅速发展近年来，非隔离DCDC技术发展迅速。现在的非隔离的DC，DC基本上分成两大类。一是在内部含有功率开关元件，称DC，DC转换器；二是不含功率开关需要外接功率MOSFET，称DC，DC控制器按照电路功能划分有降压的BUCK、升压的BOOST，还有升降压的BUCKBOOST等以及正压转负压的INVERTOR等。其中品种最多芨展最快的是BUCK型。控制方式以PWM为主。（2）初级PWM控制IC不断优化有源筘位技术自从2002年VICOR公司此项专利技术到期解禁之后新型有源箝位控制IC纷纷涌现。在大功率领域，全桥移相ZVS软开关技术在解决开关电源的效率上功不可没。INTERSIL公司推出的PWM对称全桥的ZVS控制ICISL6752,既能控制初级侧的四个MOS开关为ZVS工作状态，又能准确地给出控制二次侧的同步整流为ZVS工作状态的驱动信号。采用这种IC制作的100W的DC，DC再加上先进的功率MOSFET，转换效率可达到95。小功率的开关电源仍用反激变换器的PWM来控制IC。低压DC，DC领域LINEAR公司的LTC38O6不仅能控制好PWM，还给出准确的二次侧同步整流驱动信号，是比较好的低压小功率电源控制IC。3数字化开关稳压电源,传统的开关稳压电源中最基本的稳压电源有六种BUCK、BOOST、BUCKBOOST、CUK、ZETA、SEPIC。其中以BUCK和BOOST最基本，其它四种是从中派生的。许多模拟电源系统能满足当今电子系统的要求。但以目前电子信息发展趋势，未来电源系统将朝向两极化方向发展模块化微型电源和具有多功能用途的大型电源。大型电源的发展将趋向大型化、模块化、智能化、网络化。大型电源设备组成复杂，同时又需要以模块化方式满足不同的应用需求，因此应用数字控制技术于电源控制将是未来发展的趋势。数字化开关稳压电源是数字信号处理与模拟技术的新结合点。数字信号处理近年来在理论取得了重大的发展而且在应用上日益扩大。DSP是为实现数字信号处理的专用处理器，DSP器件具有较高的集成度以及更高的效率可以高速处理极为大量的数字化数据，因而应用到广泛数字化器件当中。其中TI推出的数字电源的新产品包括UCD9K、UCD8K及UCD7K系列辅助器件。13数字开关稳压电源的优点（1）可编程比如通讯、检测、遥测等所有功能都可用软件编程实现（2）易于设计、配置、稳定、调节通过编写几行简单的代码，就可以将数字集成电路配置成各种需要的稳压器，如升压、降压，负输出、SEPIC、反激式或正激式等。（3）有直接监控、处理并适应系统条件的能力，能满足任何复杂的电源要求。（4）通过远程诊断确保持续的系统可靠性，包括故障管理、过电流保护以及避免停机等。14设计指标要求（1）输入电压80V260V（2）输入频率50HZ05HZ（3）输出电压5V（4）输出电流10A（5）输出频率跟踪输入频率（6）电源效率75（7）谐波失真1第二章系统组成及原理21交流开关式稳压电源电路组成结构交流开关式稳压电源由市电直接整流滤波产生直流电压为倍的输入交流电压（典型值为220V311V直流电压）、电压互感器直接从市电感应出标准正弦波与三角波产生电路配合高速比较器组成脉冲宽度调制器（PWM）、经由反向器、高速电子开关、高频输出变压器、LC滤波器和多级LC滤波器、电压和电流取样电路、系统供电电路以及智能微处理器芯片及周边部件（键盘、显示、A/D和D/A等）组成，如图21所示。图21装置的总体框图22开关式稳压电源的基本工作原理开关稳压电源将来自市电整流滤波不稳定的直流电压变换成交变的电压。然后又将交变电压转换成各种数值稳定的直流电压输出，开关稳压电压电路中的调整管工作在开关状态，即主要工作在饱和导通和截止两种状态。开关式稳压电源按控制方式分为调宽式和调频式两种，在目前开发和使用的开关电源集成电路中，绝大多数也为脉宽调制型。因此下面就主要介绍调宽式开关稳压电源。对于单极性矩形脉冲来说，其直流平均电压VO取决于矩形脉冲的宽度，脉冲越宽，其直流平均电压值就越高。直流平均电压V可由公式计算，U0VOVMTONT，式中VM为矩形脉冲最大电压值，T为矩形脉冲周期；TON为矩形脉冲宽度，从上式可以看出，当VM与T不变时，直流平均电压VO将与脉冲宽度TON成正比。这样，只要我们设法使脉冲宽度随稳压电源输出电压增高而变窄，就可以达到稳定电压的目的。23交流开关式稳压电源工作原理描述由三角波产生电路产生150KHZ的三角波，由低频正弦波产生电路产生50HZ的正弦波，两个信号分别同时送到比较器的同相和反相输入端，在比较器的输出端将产生矩形波，该矩形波的频率同150KHZ的三角波相同，该矩形波的脉冲宽度受50HZ正弦波实时幅度的调制后随50HZ正弦波实时幅度而变化，即已调制矩形波。将其送到高速电子开关的其中一个输入端，并经过一级反向器反向，送到高速电子开关的另外一个输入端。市电整流滤波获得的倍于输入交流电压（典型值约为311V左右）的直流高电压送到高速电子开关的电源输入端，高速电子开关的两个输出端由两个反向的输入矩形波驱动，从约311V直流电源取得能量后分别经过一级短时间常数的LC滤波电路连接到高频开关变压器初级，该LC滤波电路的作用是使得进入高频开关变压器初级的矩形波脉冲的拐角趋于圆滑，以降低其高频谐波。高频开关变压器的初、次级还起到对市电隔离的作用，高频开关变压器的次级获得交变的、拐角圆滑的矩形波电压经过多级长时间常数的LC滤波电路，将150KHZ高频信号滤除，还原出50HZ正弦波的调制信号送到负载用于对负载供电。电压和电流取样电路从负载上获取电压和电流信号，分别送两路A/D转换器转换，变成离散的数字信号，一方面用于通过微处理器处理后进行实时显示，另一方面用于通过微处理器处理后送D/A转换器变换为模拟量，经过光电隔离驱动电路控制正弦波发生器的幅值，又经过比较器、反向器、高速电子开关、LC滤波、高频开关变压器、多级LC滤波等电路，用于控制负载上电压或电流的稳定，也可扩展一些功能比如调整负载上的电压和电流。电压互感器的作用是为了从市电中获得低谐波失真的标准正弦波，经由正弦波产生电路控制其幅值，键盘用于输入准备向负载提供的电压或电流值开关脉冲发生器有振荡器组成，产生开关脉冲，脉冲的宽度受比较放大器输出电压控制。由于采样电路，基准电压和比较放大器构成的是负反馈系统，股输出电压U0升高时，比较放大器输出控制电压降低，是开关脉冲宽度变窄，反之，输出电压U0下降时，控制电压升高，开关脉冲宽度变宽。开关调整管由功率管组成，在开关脉冲的作用下，工作在开关状态，开关脉冲越宽控制调整管导通时间越长储能滤波电路它由电感L、电容C、二极管D组成。它把调整管输出的矩形脉冲波电压变成连续的平滑直流电压。调整管时间长，输出直流电压就高，反之则低。第三章电路设计及分析31脉冲宽度调制（PWM）电路根据脉宽度冲调制原理，得到需要的一定占空比脉冲宽度，推动开关功率管的开与关，经变压器耦合后得到恒定的输出电压。脉冲宽度调制信号就是由PWM比较器产生。芯片的控制速度、效率、功耗很大程度上都是由PWM比较器决定。文中设计并实现了一种新型高性能的开关电源电压型PWM比较器，具有较低输入失调电压、转换速率快、较低功耗和波形更陡。PWM产生电路由正弦波产生电路、三角波产生电路和比较器三个部分组成，正弦波加到比较器的反向输入端，三角波加到比较器的同向输入端，比较器输出端产生受正弦波瞬时幅度而变化的脉冲宽度调制波。图31是电压型PWM比较器工作波形，输入三角波接在比较器的反向输入端，误差放大器的输出信号送至比较器同相输入端，经放大后输出PWM信号。图31PWM工作波形图311正弦波电路结构及分析（1）正弦波振荡的条件振荡平衡条件AF1幅度平衡条件|AF|1；相位平衡条件AF2N（N0，1，2）起振条件AF1幅度起振条件|AF|1；相位平衡条件AF2N（N0，1，2）（2）正弦波产生电路其组成包括基本放大电路A；反馈网络F；选频网络；稳幅环节。以保证产生单一频率和幅值稳定的正弦波。根据选频网络的不同，RC桥式、三点式振荡正弦波振荡电路的电路结构、工作原理和振荡频率计算也不同。（3）正弦波发生电路的分析方法分析电路的组成是否满足正弦波发生电路的组成要求。分析放大电路跟否正常工作分立器件电路，检查静态工作点Q是否合适，对集成运放，检查输入端是否有直流通路。检查电路是否满足自激条件（1）幅值条件（2）相位条件估算振荡频率FO，它取决于选频网络的参数。正弦波的来源采用直接从市电的220V/50HZ的正弦波，利用电压互感器变换成较低电压的50HZ正弦波（例如5V）经过一系列的控制和变换得到所需要的交流正弦输出电压。考虑到设计指标的要求，即输出频率跟踪输入市电的频率，由于采用电压互感器将市电信号引出，可获得较准确的和低失真的输出频率信号。该正弦波谐波失真度取决于市电的谐波失真度和互感器的参数，其输出幅度由D/A转换器控制光电耦合器驱动电路实现，D/A转换器输出信号控制光电耦合器导通程度，与分压电阻分压后产生交流和直流叠加的电压，经过电容隔直后送到放大器输出所需的交流信号。D/A控制信号产生的原则是根据输出到负载上的电压和电流配合市电的电压幅度大小进行综合运算，由微处理器向D/A转换器提供通过综合运算的数字量使得提供给负载的输出电压（或电流）趋于稳定。可控正弦波产生电路的电路图如图32所示。图32可控正弦波产生电路市电220V的交流电经过电压互感器原边传送到副边，该副边信号与外接直流电源E叠加，提供给光电耦合器与分压电阻一起分压，光电耦合器的等效阻抗由来自D/A转换器的信号强度决定，经过分压后由电容器隔离直流分量，仅保留交流分量送运算放大器进行若干倍的放大（这里选5倍）后产生随D/A信号幅度大小而控制的纯净交流信号量，传到下一级进行A/D转换。图32中，外接直流电源的作用是为了使光电耦合器中的三极管在电压互感器输出信号的负半周也能可靠导通。该电源采用一个小功率变压器由市电降压，经过整流、滤波和稳压后来提供，该电压要求高于电压互感器副边最大可能的电压峰峰值即双幅值，且再留有光电耦合器CE之间最小工作电压，再留几伏特的余量。选择电压互感器为220V5V，根据输入参数要求为输入电压在80V到260V之间，即输入电压最大值260V，显然2205260VO，则输出电压最大有效值VO526022059V双幅值为259V167V设光电耦合器导通所需要的最小工作电压为36V，外加一定的余量36V，则该外部电源所需要提供的电压E为E167V36V36239V实际取24V，稳压用78L24实现。系统中比较器控制部件的直流供电电压15V由变压器降压、整流、滤波和稳压，稳压用78L15和79L15实现。下面有详细说明。312三角波发生器的电路结构及分析由于本PWM波的产生电路主要靠高频三角波和低频调制波通过比较器实现调制，并且又由于本课题要求输出50HZ正弦波，所以其调制波应为50HZ正弦波。三角波和正弦波的产生可以由微处理器通过D/A转换器来实现，也可以由硬件电路直接实现，考虑到软件编程的难易程度，本课题拟用硬件电路直接实现，三角波为用运算放大器配合阻容元件实现，即先由方波经过电容几分电路后产生，正弦波为采用电压互感器从市电变换而得到标准的、低谐波失真的50HZ波形。理想的三角波涉及到无限的D2V/DT2，所以高保真三角波应有极宽的带宽。微功耗电路带宽相当窄，因此用这种电路产生良好的三角波是有问题的。导致运放不能提供所需的瞬时输出开关电流而产生具有大量的毛刺脉冲的极坏波形。你只要加大电阻器阻值和减小电容器电容值，就可使波形有所改善，但这种改善非常有限，而且电路会增大噪声，容易受到干扰。由一般理论知识可知，三角波可以由方波通过积分电路来实现，方波的产生可以有很多种电路形式。本课题采用运算放大器实现方波的产生，并用运算放大器设计电容积分电路产生三角波，其电路图如图33所示图33三角波发生器的电路结构对于方波发生器，有对于积分电路，有不难分析，由RF对C1的充电和放电过程来看，运算放大器A1输出为50占空比的矩形波，即方波，送到由A2、R4、C2组成的绩分电路分别进行正向积分和反向积分后，便从A2的输出端产生三角波。由于电路要求三角波的频率为150KHZ，实际上三角波的频率完全取决于方波发生器的方波频率。影响方波发生器的频率的因素有RF和C1以及R1与R2，当R1、R2和C1固定时,仔细调节RF，不难获得150KHZ的标准方波。而R5和C2的参数决定了三角波的斜率和幅度，对其要求由后续文档予以详尽描述。该运算放大器采用OP07实现。313脉冲宽度的调制（PWM）器的电路结构及分析三角波发生器产生150KHZ的标准三角波，送到比较器的同向输入端，正弦波发生器产生50HZ的标准正弦波，送到比较器的反向输入端，在比较器的输出端便产生了受正弦波瞬时幅度调制而宽度变化的矩形波，如图34所示。图34PWM产生电路根据比较器电路的工作原理，即当同相输入端电位高于反向输入端电位时输出端为接近VDD，反之当同相输入端电位低于反向输入端电位时输出端为接近VSS，不难分析，其输入和输出的时序图如图35所示，比较器采用专用比较器集成电路LM393。当三角波的波形幅度（或斜率）确定后，正弦波的瞬时振幅确定了PWM信号的宽度，也就决定了向负载提供的正弦波幅度。所以对三角波幅度的要求是足够正弦波的最大振幅。如果从图32的可控正弦信号输出端口送来的最大正弦信号幅度为10V，则要求三角波的最大幅度应大于等于10V，可通过仔细调节积分电路中的R5来实现。图35PWM输入和输出波形及时序PWM波要送到高速电子开关去进行功率驱动，一方面提供给高速电子开关的输入信号要求有足够的驱动能力，另一方面高速电子开关有正负两个输入端口，因此需要将PWM波进行同向缓冲和反向缓冲，同向缓冲器和反向缓冲器的具体电路结构如图36所示。它们的输出波形如图37所示。图36PWM信号同向和反向器均采用高速运算放大器OP07后接互补共集电极组态的三极管实现，如图38所示图37（A）PWM同向波形（B）PWM反向波形图38同向和反向缓冲器电路图32高速电子开关电路高速电子开关电路，实现将PWM波实现功率放大，配合高频电子变压器和滤波电路，可实现对输入信号为受某信号参数调制的矩形波，输出信号为还原出该参数的解调电路。整个电路由4个场效应管组成桥式开关电路，高频开关变压器、多组LC滤波电路（图中只画出一组L3C3）组成，其典型的电路图如图39所示。图39高速电子开关电路其工作原理是四个VMOS管V1、V2、V3、V4受PWM和的驱动。其中就是由PWM经过反向器反向了的信号，与PWM相位相差180O，如果PWM为“”，则为“”，此时，V1管G在PWM“”输入电压的驱动下DS导通，VDD经过V1到L1，V4管G在“”输入电压的驱动之下DS也导通，VSS经过V4到L2，TR的初级为左“”右“”。反之，如PWM为“”，则为“”，此时V3管G在“”输入电压驱动下DS导通，VDD经过V3到L2，V2管G在PWM“”输入电压驱动下DS导通，VSS经过V2到L1，TR的初级为左“”右“”。高频开关变压器TR的作用还兼作市电隔离的作用。电路中L1、C1和L2、C2组成滤波电路，用以使输入到高频开关变压器初级的矩形波的拐角变成“缓变”形状，以使流经变压器的谐波分量减小，降低干扰。所以，L1、C1和L2、C2的时间常数不能大，应该小10倍于150KHZ的周期时间。150KHZ信号的周期为1150000HZ667S667S100667S选择RC的时间常数为RC0667S经过高频开关变压器次级感应到的电压通过L3、C3（实际为多级LC，如三级）的进一步滤波可以将PWM的高频矩形波滤除，在负载上得到被还原的原调制波的正弦波形。如图310所示。图310还原出来的波形该LC时间常数应该远远大于已调制信号的周期，而小于调制信号的周期，才能实现滤除已调制信号的脉动波，还原出调制信号。由于调制信号为50HZ，已调制信号为150KHZ，为了使谐波失真减小到参数要求的2，则尽量选用多级LC滤波，LC时间常数尽量选择靠近低端频率。这里选择LC时间常数为200HZ的周期1200HZ5MS经过实际试验，以选择三级LC滤波效果为好。图310中还原出来的调制波实际上是有一定程度的锯齿波成分的，如果用数字存储示波器存储波形，然后局部放大观测，可发现如图310中显示的局部放大后的锯齿形状，其锯齿程度反映了信号的失真度，与多级LC滤波器的性能参数有关。33电压和电流取样电路取样电路一方面用于电压和电流的显示，另一方面用于控制其稳定的电压或电流输出。电压取样采用在负载上直接分压的形式，电流取样采用在负载上串联一个较大功率的较小阻值的电阻，从电阻上取出的电压即代表了负载上的电流。331电流取样电路如果在负载上串联一个电阻，该电阻上的电压完全反映出流过负载的电流。因此可以用从该电阻上取电压的方案来进行电流取样。只不过要主意，该电阻阻值不能大，否则影响电源的内阻参数。虽然很小的电阻其取样灵敏度会很低，但我们可以用放大器将其电压放大。电路图如图311所示。图311电流取样电路从取样电阻上取得的负向电压信号代表了负载上的电流，经过R1送入运算放大器A反向放大，放大器的放大倍数AU由RF和R1决定，其值为AURFR1332电压取样电路电压取样电路比较简单，可以直接利用电阻分压的方法送A/D转换器进行AD转换。无论是电压取样还是电流取样，取样信号都是交流的，在进行AD转换时，转换的原则是对整个周期进行多点采样，如180点，再利用微处理器进行积分运算，最终计算出有效值，用于显示或通过DA转换控制。如图312所示图312电压取样电路34微处理器部分微处理器部分用于实现系统装置的智能化，微处理器部分包括微处理器芯片、键盘、LCD显示器、A/D和D/A转换器，且适合于控制的微处理器芯片往往采用单片机，而单片机基本上都包含有I/O接口电路、ROM、RAM、定时器和中断系统，因此，这些部件基本上都不需要扩展。电路结构如图313所示处理器采用AT89S8253芯片，该芯片除具有51内核所有功能外，还具有内部看门狗和电可擦除的掉电数据不丢失的EEPROM，用于保存重要数据。指令系统与51系列完全兼容。多路模拟开关MUX用于切换三路需要A/D转换的信号。A/D转换器采用LTC1606，是具有采样保持功能的16位250KHZ采样速率的高速ADC，片内自带基准源，自带同步时钟，可和MCU兼容的16位并行输出端口直接接口。主要用于对输出电压和当前负载电流的由模拟信号到数字信号的转换，以便于实时的在LCD上显示出来，并且可配合D/A转换器实时的对输出电压和电流的控制。图313微处理器部件电路D/A转换器采用8位4通道高速TLC5620，具有串行接口功能。键盘采用44行列式矩阵键盘，可具有16个键的功能，实际使用中仅需要两个，就是稳压键和稳流键，其余可用于扩展功能时进一步使用。例如，可扩展用于控制LCD屏上的菜单功能，还可扩展实现选择不同数值的电压和电流输出。显示器采用12864点阵式，可显示4行共32个1616点阵汉字、或8行共128个88点阵的字母或数字。由于MCU内含的标准串行接口已经被DA转换器使用，所以这里采用普通IO接口进行虚拟串行接口的编程，可达到同样的标准串行接口的效果。软件部分的设计包括AD转换器、DA转换器、LCD显示器、键盘系统等的功能子程序，还包含系统监控程序和各种中断服务程序等。其系统监控程序流程图如图314所示。图314系统监控程序流程图由于基本按键只需要两个，即稳压和稳流，对应的处理程序也就是稳压功能子程序和稳流功能子程序从这两个子程序可以看出，利用快速DA转换器，加大DA转换控制字，可实现增加输出电压和加大输出电流，减小DA转换控制字，可实现减小输出电压和加大输出电流。这实际上反映了该项目的控制算法，可以发现，其算法是比较简单的。但要注意，之所以可以采用这种简单算法，是由于采用的是高速AD转换器的缘故。其程序框图为图315和图316图315稳压功能子程序稳流功能子程序切换到电流通道AD转换AD转换电流通道软件滤波软件滤波输出的电流与10A的关系怎样YANG样5V的关系怎样DA控制字1控制字1DA控制字1控制字1DA控制字维持维持DA输出结束结束稳流功能子程序切换到电流通道AD转换AD转换电流通道软件滤波软件滤波输出的电流与10A的关系怎样YANG样5V的关系怎样DA控制字1控制字1DA控制字1控制字1DA控制字维持维持DA输出结束稳压功能子程序切换到电压通道AD转换AD转换电压通道软件滤波软件滤波输出的电压与5V的关系怎样5V的关系怎样DA控制字1控制字1DA控制字1控制字1DA控制字维持维持DA输出图316稳流功能子程序其它各功能子程序和各中断服务程序这里从略。35隔离与驱动电路的设计由于电路中会产生大量的高频高次谐波,为了防止这些有害的干扰影响单片机的工作,必须采用严格的隔离和滤波。本设计是利用D/A转换器控制光电耦合器驱动电路实现。再由电容把直流成分滤除。隔离的方式有许多种,其中效果较为明显的主要有两种,一种是变压器隔离,一种是光电隔离。结合本系统,前者的优点是可以作为开关管的前级推动变压器,使开关管获得足够的推动功率,从而可以减小开关管的损耗,但是,由于其体积较大,市场上很难买到符合要求的变压器,相比之下,后者体积小,价格便宜,因而得到了广泛的应用。本系统采用光电隔离技术,试验证明,光耦隔离可以有效的防止干扰脉冲影响振荡电路的工作。36整流和滤波电路整流和滤波电路产生一组非稳定的直流电压，提供给高速电子开关以实现能量交换。从市电直接取得交流电压，首先经过L1、C1滤波，D1D4桥式整流，L2、C2的长时间常数滤波，L3、C3的短时间常数滤波，最后获得平滑的输出直流电压送高速电子开关作能量变换用。电路结构如图317所示。若整流电路选择用二极管单相全波桥式整流电路，则电路中的每只二极管承受的最大反向电压为U2是变压器副边电压有效值。每只2U二极管的最大平均电流IFIO1/2,选择电容滤波电路后,直流输出电压UO11112U2直流输出电流（I2是变压器副边电流的有效值），稳压电路可选集成三端稳压器电路。251IO图317整流和滤波电路L1的作用在于当输入端有脉冲干扰时，通过两边互感，实现到整流电路前互相抵消，实现抗外界杂散脉冲干扰，与C1配合滤波效果更好。D1D4为整流元件，实现将市电交流电转换为脉动的直流电。L2、C2、L3、C3实现滤波，将整流后的脉动直流电的脉动部分滤除，保留直流信号分量。37系统供电电路在电子电路中，通常都需要电压稳定的直流电源供电。小功率的稳压电源的组成如下图所示，它由电源变压器、整流电路、滤波电路和稳压电路四部分组成。直流稳压电源的技术指标特性指标输入电压、输出电压、输出电流、输出电压范围。质量指标稳压系数、温度系数、输出电阻、纹波电压，它们的定义式为其中稳压系数的定义是负载固定时输出电压的相对变化量与稳压电路的输入电压的相对变化量之比。温度系数ST是反映温度变化对输出电压的影响；输出电阻RO反映负载电流变化对输出电压的影响；纹波电压是指稳压电路输出端交流分量的有效值，它表示输出电压的微小波动。可见，上述系数越小，输出电压越稳定。系统供电电路的作用就是提供给外接直流电源24V，给LCD显示电路，A/D和D/A转换电路提供5V。不同的电压值都可通过不同的集成三端电压调整器来实现。我们以实现外接直流电源24V为例，系统供电电路需要直流电源为电路供电，用220V/22V变压器对交流电源整流，用电容器和78L24型电压调整器稳压后输出24V直流电压，如图318所示。78L24负载123220V图31878L24型稳压电路第四章制作与调试整个装置在万能电路板上焊接安装，部件之间均采用标准接插件连接，以方便分模块进行安装和调试。41微处理器的调试在正常5V供电情况下，时钟采用12MHZ的晶体振荡器，用示波器观测XTAL2，可测得12MHZ的标准方波。此外，RC复位接到RESET脚，在通电瞬间用示波器观测，有一个高电平的微分脉冲。最后，测量EA引脚，为高电平，表示将从MCU内部取程序运行。一切试验好后用仿真器代替MCU芯片进行其他项目的调试。42AD转换器的调试将编制好的AD转换器程序下载到仿真器仿真ROM中，在输入端加0V的直流电压，编程读取的读数应该为0000H，在输入端加5V的直流电压，编程读取的读数应该为0FFFFH。表示A/D转换器工作正常。如果在输入端加0V的直流电压，编程读取的读数不是0000H，而是一个偏离于0V附近的很小的值，则在进行较大数据的AD转换后应该将结果减去这个较小的数值。如果偏离0V的0000H很多，例如07FFH，则要从软硬件检查，例如看看是不是AD转换器损坏，或程序由明显的疏漏，直到查出问题解决好为止。43DA转换器的调试将编制好的DA转换器程序下载到仿真器仿真ROM中，将数据00H输出到DA转换器，用电压表测量其电压应该为0V，将数据0FFH输出到DA转换器，用电压表测量其电压应该为5V。表示D/A转换器工作正常。如果将数据00H输出到DA转换器，用电压表测量其电压不是0V，则要从软硬件检查，例如看看是不是DA转换器损坏，或程序由明显的疏漏，直到查出问题解决好为止。44LCD显示器的调试将编制好的LCD显示器程序下载到仿真器仿真ROM中，向LCD显示器输出不同位置不同汉字或字符编码的指令代码，应在显示器上相应位置显示出相应的汉字或字符。表示LCD显示器工作正常。如果LCD显示器工作不正常，则要从软硬件检查，例如看看是不是LCD显示器损坏，或程序由明显的疏漏，直到查出问题解决好为止。45键盘的调试将编制好的键盘程序下载到仿真器仿真ROM中，按下不同的按键，其读取的键值应不同，最后应转换成00H09H、0AH0FH的键值，键盘调试正常。实际上我们只用到两个按键，例如定义0EH键为稳压键，0FH键为稳流键。其余14个按键均有待于扩展时使用。46主整流和滤波电路的调试主整流和滤波电路的装置按图接好，先将输出端断开，仔细检查元件和接线，确保万无一失方可通电。因为这部分电路通电后最易发生危险，例如人身触电危险或元件爆炸危险。通电后检查输出电压，如果输入为220V的市电，其输出空载VDD和VSS之间应该为311V左右的直流电。47三角波的调试在三角波发生器电路中，选择R1和R2为相同的值10K，以保证方波占空比为50，A1输出端接示波器和频率计，先用3296多圈电位器代替R3，仔细微调R3，使输出的方波频率为150KHZ，再将A2输出端接示波器和频率计，用3296多圈电位器代替R4，仔细微调R4，观测示波器上显示的三角波输出幅度为5V0V5V为止，最后用与代替R3和代替R4相同阻值的固定电阻取代其相应的3296电位器。48正弦波调试将电压互感器和外接24V直流电压以及所有与正弦波相关的电路接好，先用外部稳压电源代替DA送来的信号，使流过光耦里二极管的电流方便可调，用示波器和MV表接运算放大器的输出端，改变流过光耦的电流，观测正弦波在其示波器上的幅度和MV表上的读数应作相应的变化。也用3296多圈电位器暂时代替分压电阻，在输入电流为10MA时调节电位器，使其正弦波输出电压幅值达到最大值5V。最后用向应阻值的固定电