毕业设计（论文）-数字开关电压源设计.doc

中北大学2015届毕业设计说明书毕业设计说明书数字开关电压源设计学生姓名： 学号： 学 院： 计算机与控制工程学院 专 业： 电气工程及其自动化 指导教师： 2015 年 06 月数字开关电压源设计摘 要 本系统主要分为6个模块，分别是：D/A模块、A/D模块、放大模块、矩阵按键模块、LCD液晶显示模块、单片机控制模块。其中核心的模块是单片机控制模块。该系统实现了输出电压在可调，步进值为1V，纹波不大于10mV，最大输出功率不超过75瓦。输出电压值由液晶显示屏显示，由“”、“”两键控制输出电压步进增减可调 。主要流程为：通过将市电降压之后，用桥式整流器将交流电变为直流电，通过稳压芯片LM317来给系统中芯片提供开启电压，由单片机通过设定的相应程序来控制DAC0832的输出，最后经过放大器放大，反馈给单片机通过液晶显示屏显示出来。也可以从按键输入，当输入模块的按键按下之后，对单片机就有了一个输入，单片机将输入的数字一方面给显示模块，让它们在液晶中显示出来；另一部分输出给DAC0832，让它转化为模拟量电流输出，通过运算放大器LM358将这模拟量信号转化为相应的电压信号，这电压经过放大后控制LM317的控制端，从而实现对输出电压的控制。关键词： AT89C51单片机, 数控电源, D/A, A/D，直流电源，PWMDesign of Digital Switch Voltage Source Abstract This system mainly divided into six modules, respectively is: D/A module, A/D module, amplifier module, matrix key module, LCD liquid crystal display module, single-chip microcomputer control module.The module of the core is a single-chip microcomputer control module.This system has realized the output voltage adjustable, step into the value of 1 v, ripple is not more than 10 mv, maximum output power does not exceed 75 watts.Output voltage value by the LCD screen display, by the +, - the two key control output voltage adjustable step increase or decrease.After the main process is: through themains voltage, the alternating current into direct current, with bridge rectifier through the voltage regulator chip LM317 chip in to the system to provide open voltage, the microcontroller by setting the corresponding program to control the output of DAC0832, finally through the amplifier amplification, feedback to the microcontroller through the LCD display.Can also from key presses, when the input module button pressed, the MCU has a single input and single chip microcomputer to input Numbers on the one hand to display module, make them in liquid crystal display;Another part of the output toDAC0832, let it into analog current output, through the operational amplifier LM358 the analog signal is converted into corresponding voltage signal, after amplification control the voltage control of LM317 side, so as to realize the control of output voltage.Keyword: AT89C51 single-chip,digitally controlled power source,D/A,A/D,DC power supply,PWM目 录1 绪论11.1 研究的背景和意义11.2 国内外研究现状21.3 本论文研究的主要工作32 系统总体设计52.1 总体设计方案52.2 主控模块52.3 电源控制模块82.3.1 脉宽(PWM)式开关稳压电源的控制原理82.3.2 单相桥式可控整流电路的工作原理102.3.3 开关电源主电路的工作原理112.4 显示模块122.5 D/A转换模块132.5.1 D/A电路的选择132.5.2 DAC0832及其外围电路132.6 运放模块152.7 按键模块电路162.8 时钟及复位电路173 直流供电电源173.1直流供电电源制作原理173.2 输出电源工作原理184 软件设计194.1单片机控制A/D和D/A转换的流程图195 仿真结果206 结语22附录1：系统的总体电路图23附录2：源程序24参考文献29致 谢30 第 II 页 共 II 页1 绪论1.1 研究的背景和意义 在上个世纪70年代，直流稳压电源已经开始取代晶体管线性稳压电源，而最早出现的电源是串联型开关电源，其主电路拓扑结构与线性电源的拓扑结构相一致，然而当功率晶体管作用于开关状态之后，脉宽调制（PWM）控制技术有了快速的发展，其工作原理是通过控制有晶闸管组成的开关变换器，得到PWM开关电源，它的特点是用20kHz脉冲频率或脉冲宽度调制PWM开关电源效率可达 6570，但是线性电源的效率只有3040，从而研究开关电源具有很现实的意义。当今世界，各个地方都在发生能源危机，这引起了世界各地人民的广泛关往。由于线性电源工作于工频，因此用工作频率为20kHZ的PWM开关电源替代，可大幅度节约能源，在电源技术发展史上誉为20kHZ革命。 随着ULSI芯片尺寸不断减小，电源的尺寸与微处理器相比要大得多；航天，潜艇，军用开关电源以及用电池的便携式电子设备（如手提计算机，移动电话等）更需要小型化，轻量化的电源。因此对开关电源提出了小型轻量的要求，包括磁性元件和电容的体积重量要小。此外要求开关电源效率要更高，性能更好，可靠性更高等。 开关电源的概念：采用功率半导体器件作为开关元件，通过周期性地控制开关元件的通断时间或通断的频率来调整或维持输出电压恒定的装置。开关电源的输入可以是直流也可以是交流。电源是所有电气设备必不可少的动力源，只要用电就离不开电源。标志电源特性的参数有功率、电压、频率、噪声及带负载时参数的变化等，涉及线性反馈、数字控制、变频调节、脉冲宽度调制技术、移向谐振等技术。线性稳压电源是将220V/50Hz电压经过线性变压器降压后，经过整流、滤波和线性稳压，输出纹波电压和稳定性均符合要求的直流电源。其特点如下：输出的纹波电压小，稳定度高，响应速度快，易于检修和维修，也没有高频率的开关噪声，内部功耗大，转换效率比较低，一般为30%，由于大的输出输入滤波电容，导致体积大，重量也重，不利于携带，输入的电压动态范围小，线性调整率低，而且输入电压不能低于输出电压。相比之下的数控稳压电源的特点优势就比较明显，基本没用公平变压器，体积小，重量轻，是线性电源的20%30%,功率小、效率高，调压器也只工作于开关方式，效率相当的高，基本上都达到90%以上，稳压范围宽，线性调整率也高，电路的连接方式也是多种多样，有自激式和它激式，PWM型和PFM型，单端式和双端式等；可编程，诸如，通信、检测、遥测等所有功能都可用软件编程实现；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；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。数字开关电源也有缺点，诸如电路复杂维修困难，对电路的污染严重、电源噪声大、不适合用于低噪声电路，由于调压器件工作于开关方式，因此dv/dt很大，容易产生较强的传导发射以及辐射发射。 电源技术尤其是数控电源技术是一门实践性很强的工程技术，它服务于社会上的各行各业。且目前电能的最佳应用技术之一是电力电子技术。当今电源技术融合来电气、电子、材料、系统集成、控制理论等诸多学科领域。由于普通电源在工作时产生的误差，会影响整个系统的精确度，使系统设计不能满足设计者的要求。电源在使用时也会造成很多不良后果，因此电源的数字化控制无疑是人们追求的目标之一，它给人带来的方便是不容置疑的，其中数控直流电源就是一个很好的例子，人们对于它的要求也越来越高。要想为现代人工作、科研、生活提供更好的，更方便的设施就需要从数字电子技术，电力电子技术入手，一切向数字化，智能化方向发展。1.2 国内外研究现状1980以来，计算机全面实现了数字开关电源化，率先完成了计算机的电源换代。1990年以后，开关电源在电子、电器设备、家用领域得到了广泛的应用，开关电源技术进入快速发展期。到2000年以后，小型电子设备的发展更加迅速、更加普及，但是现在很多的小型电子设备都是依靠电池来供电的，所以开发一种新型的开关电源应用于小型电子设备中就显得非常重要了。当前国内外电源产业中，占主导地位的产品是各种线性稳压电源、通讯用的AC/DC开关电源、DC/DC开关电源、变流变频调速电源、电解电镀电源、高频逆变式整流焊接电源，中频感应加热电源、电力操作电源等。而产品价格、性能指标、品牌效应及使用寿命一直是用户最关心的问题。这就使得高频化、小型化、模块化、数字化、信息化及绿色电源是开关电源的重要发展方向。在电力电子技术的各种应用系统中，开关电源技术始终处于核心地位。高频化是小型化和模块化的基础。模块化有两方面的含义，其一是指功率器件的模块化，其二是指电源单元的模块化。数字化便于计算机处理，控制，能够避免模拟型号的畸变失真，减小杂散信号的干扰，便于软件调试和遥感，遥测，遥调，也便于自诊断，容错等技术的植入。绿色化一是显著节电，这意味着发电容量的降低，减少了对环境的污染，其次是这些电源不能对电网产生污染。冯志鸿等人的基于TL494的开关稳压电源的设计从反馈控制思想出发，由交直流转换电路、DC-DC变换器、步进电路模块和显示模块四个模块电路构成开关稳压电源，交直流转换电路整流都是采用全波桥式整流电路形式，DC-DC变换器主要以TL494为主要芯片加上简单的滤波电路及RC放电回路所构成的回路控制器。它能吧脉冲宽度变化的信号转换成与脉冲宽度成正比变化的直流信号，进而实现闭环单回路控制。刘艳等人的三相电压源型PWM逆变器相电流重构策略研究介绍了一种基于直流电流，开关状态及三相电流之间的关系，提出了用直流电流和开关状态重构逆变器相电流的新方法，开关状态有改进型电流滞环数字控制器产生，为了减小测量噪声和重构相电流误差，设计了IIR数字滤波器，还以感应电机矢量控制系统为例进行了仿真研究，结果表明该方法是有效的，准确的。综上所述，实现数控开关电源的设计方法很多，而且还有很多新的方法在不断的涌现，结合一些科研成果，及对实际设计可行型的分析，本次设计，系统采用的是以AT89C51单片机为核心的的主控电路，加上液晶显示模块，按键模块，D/A转换模块，等模块组成的一套完整的数控开关电源的设计电路。并通过protues8.0进行电路的仿真实验，达到了预计的设计要求。1.3 本论文研究的主要工作 通过查阅大量的期刊文献，找到了相关的关于数字开关电压源的一些设计方法方案，从中了解到，要实现输出电压可调，步进值可调，最大功率输出不大于,用一个可调压芯片TL494芯片和89C51单片机连接就可以实现，在加上一些外围电路，诸如液晶显示器，A/D转换电路和D/A转换电路，按键控制电路，就可以完成本次设计任务。在实验的过程中学习了单片机的原理与应用，学习了电源的基本原理及设计，学习了protues8.0仿真软件的画图与仿真，完成了可调开关电压源设计，制作出了满足设计要求的PCB版。 本系统采用AT89C51单片机为主要控制芯片，通过PWM控制电路实现了对输出电压的可调，通过12864液晶显示器显示实时电压，另接有过压和过流保护外围电路，通过并联电感减小了输出电压的纹波系数，稳压系数相对较高。 电路还包含了D/A模块，将从市电网经整流电路降压为直流的可变电压进行了数模转换。并将编写好的源程序烧录单片机，实现毕设的要求。论文主要完成的工作如下：第一部分：绪论该部分主要是在网上查找的一些资料，主要讲了数字开关电压源研究的背景及意义，介绍了当前国内国外的一些研究现状。将传统的线性开关电源和数字开关电源做了比较详细的比较。第二部分：数控开关电源的总体设计该部分主要讲述了数控开关电源的组成及工作原理，了解了关于89C51单片机的工作过程和各个引脚的作用。根据文献资料的整理，将各种方法的优点归纳出来，找到了本论文设计的基本方法，主要讲述了设计的流程，基本方案，各个模块的分开讲解及合在一起实现本次设计任务的总的原理图。编写了用单片机控制通断数模转换模块和模数转换模块的程序，实现步进值为的可调电路。第三部分：直流电源的制作该部分对系统总体电路的一些芯片需要开启电压，进行了+5V和+12V的电源制作，概述了制作的方法和流程。第四部分：软件设计 该部分主要对单片机与D/A模块的连接程序进行了分析，并作出了相应的原理框图。第五部分：仿真结果分析该部分主要将所编写的程序拷入单片机中，对总的电路图进行了仿真实验，并得出了预期的结果。通过电压调整率测试，纹波测试，过载测试等，来检验电路的性能是否符合要求，结果发现，一切功能正常。第六部分：结束语2 系统总体设计2.1 总体设计方案本系统可以直接由电网整流供电，因为其自身功耗小、体积小、重量轻、适用于大功率且负载固定的场合。本次设计采用的开关控制方式是PWM控制，基准电压电路可输出稳定的电压，取样电压与基准电压之差经放大器放大后，可以看作是电压比较器的阈值电压，若将三角波发生电路的输出电压与阈值电压相比较，可得到控制信号，通过此控制信号可以控制开关管的工作状态。其系统总体框图如下。电源控制模块显示模块基准电压信号运放模块 MCU采样电压信号按键模块D/A模块A/D模块图2.1 系统总体框图2.2 主控模块 系统的核心是单片机的控制，通过编写程序控制单片机，实现我们所要的结果。主要原因是便宜，且性能强，能达到实验预期目标，且单片机普遍使用且具有多种型号，可实现各种需求。相比之下主控模块也可以采用传统逻辑门电路组成，选用A/D和D/A转换芯片与FPGA共同构成循环开环采样系统，以提高采样、量化和输出的速度，使输出的电压更加精确，而且不受键盘的是否按下导致的转换过程受到延缓的缺陷，且这种方案费用很高，性价也比较低。故不予采用。本设计选用的是ATMEL公司生产的常用芯片AT89C51，如图2.1所示。图2.2 AT89C51管脚图AT89C51的管脚VCC：供电电压。GND：接地。P0口：P0口为一个8位漏级开路双向I/O口，每脚可吸收8TTL门电流。当P1口的管脚第一次写1时，被定义为高阻输入。P0能够用于外部程序数据存储器，它可以被定义为数据/地址的第八位。在FIASH编程时，P0 口作为原码输入口，当FIASH进行校验时，P0输出原码，此时P0外部必须被拉高。P1口：P1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O口，P1口缓冲器能接收输出4TTL门电流。P1口管脚写入1后，被内部上拉为高，可用作输入，P1口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。在FLASH编程和校验时，P1口作为第八位地址接收。P2口：P2口为一个内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2口缓冲器可接收，输出4个TTL门电流，当P2口被写“1”时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入。并因此作为输入时，P2口的管脚被外部拉低，将输出电流。这是由于内部上拉的缘故。P2口当用于外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进行存取时，P2口输出地址的高八位。在给出地址“1”时，它利用内部上拉优势，当对外部八位地址数据存储器进行读写时，P2口输出其特殊功能寄存器的内容。P2口在FLASH编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。P3口：P3口管脚是8个带内部上拉电阻的双向I/O口，可接收输出4个TTL门电流。当P3口写入“1”后，它们被内部上拉为高电平，并用作输入。作为输入，由于外部下拉为低电平，P3口将输出电流(ILL)这是由于上拉的缘故。P3口也可作为AT89C51的一些特殊功能口，如下表所示：口管脚 备选功能P3.0 RXD(串行输入口)P3.1 TXD(串行输出口)P3.2 /INT0(外部中断0)P3.3 /INT1(外部中断1)P3.4 T0(记时器0外部输入)P3.5 T1(记时器1外部输入)P3.6 /WR(外部数据存储器写选通)P3.7 /RD(外部数据存储器读选通)P3口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号。RST：复位输入。当振荡器复位器件时，要保持RST脚两个机器周期的高电平时间。ALE/PROG：当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的地位 字节。在FLASH编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。在平时，ALE端以不变的频率周期输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率的1/6。因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。然而要注意的是：每当用作外部数据存储器时，将跳过一个ALE脉冲。如想禁止ALE的输出可在SFR8EH地址上置0。此时， ALE只有在执行MOVX，MOVC指令是ALE才起作用。另外，该引脚被略微拉高。如果微处理器在外部执行状态ALE禁止，置位无效。/PSEN：外部程序存储器的选通信号。在由外部程序存储器取指期间，每个机器周期 两次/PSEN有效。但在访问外部数据存储器时，这两次有效的/PSEN信号将不出现。/EA/VPP：当/EA保持低电平时，则在此期间外部程序存储器(0000H-FFFFH)，不管是否有内部程序存储器。注意加密方式1时，/EA将内部锁定为RESET;当/EA端保持高电平时，此间内部程序存储器。在FLASH编程期间，此引脚也用于施加12V编程电源(VPP)。XTAL1：反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。XTAL2：来自反向振荡器的输出。2.3 电源控制模块 开关电源电路中的开关管一般工作在非线性区，当PWM控制信号为高电平时，开关管饱和导通，续流二极管D由于承受反压而截止，整流滤波后的电压直接通过蓄能电感作用在后级电路，这个时候电感存储能量电容C充电并向负载输出电压。当开关管处于低电平截止时，通过和基准值的比较，可把差值信号放大和TL494内部锯齿波比较，当锯齿波幅比差值信号大的时候，开关管就导通，并且如此循环，开关管就是通过改变PWM占空比来使输出电压保持稳定。原理图如下：电感开关整流滤波电压调整续流二极管与可调整基准比较放大PWM配置220V输出电流调整与固定基准准比较放大图2.3 开关稳压电源原理图2.3.1 脉宽(PWM)式开关稳压电源的控制原理PWM控制电路由控制电路、开关管、LC滤波器和取样电路组成。其中，控制电路由三角波电压发生器、比较器和基准电压组成。若采用单个模块电路负载，故本次设计我选用了TL494作为单端PWM降压型开关稳压电路的核心控制芯片。下面对TL494芯片原理图及工作原理作下说明：TL494是一个固定PWM频率的脉冲宽度调整电路，它包含了开关稳压电源控制所需的全部功能，内置5V参考基准电压源，同时内置了线性锯齿波振荡器、误差放大器、其振荡频率可通过外部的一个电阻和一个电容进行调节，它的振荡频率如下：且TL494的内置功率晶体管可提供500mA的驱动能力，其引脚分布图如下：图2.3.1 TL494芯片的引脚图其主要引脚功能为：1、2分别为误差放大器的同向输入端和反向输入端其中1脚若没有反馈，可以直接接地屏蔽，2脚若没有反馈，可以直接接基准电压屏蔽。3脚为误差放大器1和2输出信号补偿元件端，若不需要补偿，则可以不接或空脚。4脚为死区控制信号输入端，5脚振荡器外接电容连接端，6脚为外接电阻连接端，7脚接地。8、9脚为推挽电路输出信号A。10、11脚为推挽电路输出信号B。12脚为工作电源电压输入端。13脚为输出方式特定信号输入端。14脚为+5V基准电源输出端，可输出5V的基准参考电压。15、16脚分别为误差放大器2的反向输入端和同向输入端。TL494内部原理图及工作原理如下：TL494输出脉冲的宽度是通过上的正极性锯齿波电压和另外两个控制信号进行比较来实现的。功率输出管和受控于或非门。当双稳态触发器的时钟信号为低电平时才会被选通，当控制信号增大，输出脉冲的宽度将减小。控制信号可由集成电路外部输入，一路送至死区比较器，一路送往误差放大器的输入端。通过调整死区比较器输入端的电压（）可改变脉冲的输出占空比。脉冲宽度调制比较器为误差放大器调节脉宽提供了一个手段，那就是当反馈电压从0.5V变化到3.5V时，输出的脉冲宽度从被死区确定的最大导通百分比时间中下降到零。两个误差放大器具有从-0.3V到3V的共模输入范围，可以从电源的输出电压和电流检测得到。误差放大器的输出端常处于高电平，它通常与脉冲宽度调制的反相输入端进行“或”运算，由于这种电路结构使放大器只需要最小的输出就可以支配控制回路。将和并联使用的时候，需要将输出模式控制脚接地，以关闭双稳态触发器，从而使输出的脉冲频率等于振荡器的频率。2.3.2 单相桥式可控整流电路的工作原理 如图将电源电压装换成电路所需要的电压，提供耗电元件。当电源电压为正半周期a端为正b为负时，电流由a二极管VT1再过R再经过VT4回到b变压器。VT2VT3反向截止，对于R的两边上边为正下边为副的电压。当电源电压为负半周时， a端为负b为正时，电流由b二极管VT3再过R再经过VT2回到a变压器。VT1VT4反向截止，对于R的两边上边为正下边为负的电压。由上边分析可得：单相桥式电路巧妙地利用二极管的单相导电性，分别成了而两组，无论变压器的两端的极性如何，正极性端与电阻R的上端相连，负极性端与电阻R的下相连。这样负一直都有一个单方向的电压。工作电路图如下：图2.3.2 单相桥式全控整流电路原理图整流电压平均值为当时，；当时，。可见角的移向范围为。向负载输出的直流电流平均值为流过晶闸管的平均电流为2.3.3 开关电源主电路的工作原理开关电源主电路如下图所示，它由整流滤波电路，开关管，TL494芯片，基准电压信号电路及储能电感和回路二极管。U1为LM317三端可调稳压器，它的输出电压为固定值36V，为芯片TL494提供工作电压，同时也为产生基准信号的运算放大器LM358和LM7805提供工作电压30V（U4为LM317，其输入电压为U1输出电压36 V)图2.3.3 主电路 （1）整流滤波电路采用可承受大电流和耐高压冲击的BR 104的桥堆进行桥式整流，整流后经电容滤波输出，电容采用63V/10000uF的电解电容器。整流滤波后电压输出为。 （2）调整管的选择及参数计算 这里选用三极管2SC3320和场效应管IRFP9240组成复合管来做为开关管。其电流输出可达3A，则要求，设推动管的，则.而TL494内部驱动管最大电流为(并联后)，因此考虑用一个大功率高频开关场效应管与其复合。的,为的偏置电阻，为限流电阻。令,则可算的.故，此时上的功率为：上的功率为： 又因为最大占空比为94，所以的功率应大于。的功率应大于。在恒定频率的PWM通断中，控制开关管通断状态的控制信号由TL494的11脚和8脚输出。（3） 储能电感和回路二级管储能电感用可承受大电流的铁氧体高频环型电感;回路二极管要用大功率肖特基高频二极管。注意:QI,Q2开关管和回路二极管都应加装散热片。纹波抑制方面:在稳压电源输出端并上大电容（），经过实测，在大功率输出时纹波得到了有效的抑制。在续流二极管两端并联一个电容C6和一个电阻R9可抑制电源关断时所产生的尖峰电压。2.4 显示模块显示一般分为两种显示方式；液晶显示和数码管显示。液晶显示由于具有显示直接且能带有文字信息，省电，环保等优点，只在强光下不易辨清，不过本次设计显示都在室内进行，故不影响显示结果，相对来说，数码管显示清晰，但不省电，通过考虑成本，性能，及设计要求，选择液晶显示器可以完全达到显示要求。本次设计采用的是HDG12864F-1液晶显示器，蓝显示屏，带有温度补偿。 显示模块原理图如下：图2.4 显示器模块2.5 D/A转换模块2.5.1 D/A电路的选择根据平时的使用习惯和相关资料，一般使用的D/A转换有以下两种解决方案： 方案一：采用MX7541 是高速高精度 12 位数字 / 模拟转换器芯片，功耗低，而且其线性失真可低达 0.012% ，特别适合于精密模拟数据的获得和控制。 方案二：采用DAC0832，DAC0832是一种常用的8位的数字/模拟转换芯片。此次系统设计是以AT89C51单片机为核心，但是MX7541为12位的数字输入的，必须接有锁存器。本次设计要求步进值1V，电压可变，需区分31的点，DAC0832满足所给要求，并且与单片机的连接也比较简单，只要把单片机的数据线与DAC0832的输入端直接相连即可，程序也很简单，只需向其送数据即可。故本次设计选用的D/A转换模块芯片为DAC0832芯片。2.5.2 DAC0832及其外围电路 DAC0832管脚图如下：图2.5.2 DAC0832管脚图其与单片机连接的外围电路如下：图2.5.2 D/A转换模块电路管脚的具体名称和用法如下： DI0 DI7：数字量输入端； ：片选信号，低电平有效； ILE：数据锁存允许信号，高电平有效； ：第1写信号，低电平有效； ：第2写信号，低电平有效； ：数据传送控制信号，低电平有效； ：电流输出端1； ：电流输出端2； ：反馈电阻端； ：基准电压，基电压范围为-10V +10V； GND：数字地； AGND：模拟地 ； 单片机与DAC0832的接口可按二级缓冲器方式、单缓冲器方式和直通方式联接。如上图4的联接方式是直通方式联接方式。由OUT1脚输出的为一个模拟电流值，经过运算放大器后为一个电压值，这电压值输入到后面的运算放大部分，作为后面部分的输入。2.6 运放模块D/A模块的转换器输入的是数字信号，经转换输出的是模拟信号。DAC的技术指标有很多，如：分辨率、满刻度误差、线性度、绝对精度、相对精度、建立时间、输入/输出特性等【11】。 其主要新能指标如DAC的分辨率反映了它的输出模拟电压的最小变化量。其定义为输出满刻度电压与 的比值，其中 n 为DAC的位数。8位DAC的满刻度输出电压为5V，则其分辨率为 ；10位DAC的分辨率为 。可见，DAC的位数越高，分辨率越小。 而接口形式是DAC输入/输出特性之一。包括输入数字信号的形式，十六进制式BCD码，输入是否带有锁存器等。 下图2.6中LM358为集成运放，内部为两个独立的、高增益、内部频率补偿的双运算放大器，不仅适合于电源电压范围很宽的单电源使用，也适用于双电源工作模式，在稳定的工作条件下，电源电流与电源电压无关。并且它的使用范围还包括传感放大器、直流增益模块和其他所有可用单电源供电的使用运算放大器的场合，本次设计由它组成同相比例运算电路，放大关系式如下: 其中，, RP2为限流电位器，在这里将其调到5.1 。由DAC0832数模转换输出电压为，经同相比例运算电路放大6.1倍。LM358输出信号为0-25V，再加上三端稳压器LM7805的5V电压，使基准信号Ui = 可调。把此基准信号接入TL494的2号管脚，实现对U0的控制。图2.6 数控0-30V可调信号Ui电路2.7 按键模块电路 一般按键模块电路分两种：矩阵形式和直排式，由于设计中需要设置输入电压值，并设置电压增减按钮，相比直排式按键来说，矩阵形式更加方便，功能更加齐全，故本系统采用矩阵形式，其检测的基本思路是在四个列线分别输入一个低电平，后输入行线，逐行检测是否有低电平输出，若有哪一行有低电平输出，就会检测到那个键被按下。图2.7 按键模块电路2.8 时钟及复位电路 时钟和复位电路为单片机的触发电路。其中复位电路是单片机的初始化操作，主要功能是PC初始化为0000H，使单片机从0000H单元开始执行程序。另外，当程序运行出错或者操作失误使系统处于死锁状态时，复位操作可以使单片机重新初始化。而单片机时钟信号产生方法有两种，一是内部震荡方式，二是外部震荡方式，取合适的电容值可稳定频率并对震荡频率有微调作用。图2.8 单片机时钟和复位电路模块3 直流供电电源3.1直流供电电源设计原理 由于本系统的许多的电源电压都是由+5V和+12V的电源供电，故需要制作一个+5V和+12V的供电电源，其原理图如下：图3.1 +5V和+12V电源原理图电源工作原理： 降压 整流 滤波 稳压 输出 。降压：由于输入的市用电压为220V，远大于我们所需电压幅值，必须把电压降低，直接用一个变压器即可达到降压的目的. 整流：由于降压后的电压仍为交流电压，要把交流电压整为直流电压，利用整流桥，整流桥内部实际上就是四个大功率的二极管。滤波:经整流后的直流并不是稳定的直流，是一个周期性的振荡曲线。要减落这种振荡幅度，最简单的滤波方法就是用电容，利用电容的充放电特性。 输入的U1U2，电容C就开始充电， 时，充电未完又再次放电，由此类推，不断放电充电，滤波后的电压为U2波动幅度变缓，使用大电容值的电容滤波此幅度波动更平缓，且多次滤波使直流的纹波更小。 稳压： 滤波后的电压U2输入三端稳压芯片LM7805和LM7812便得到稳定输出电压+5V，+12V的电压。3.2 输出电源工作原理此原理图与上面的恒定电源制作原理基本一样，在此作简要说明，其原理图如下图所示：图3.2 输出电源电路图 其中LM317作为输出电压可变的集成三端稳压块，是一种使用方便、应用广泛的集成稳压块。稳压电源的输出电压可用下式计算，Vo1.25（1R2/R1）。其中R1和R2的阻值是不能随意设定的，因为317稳压块的输出电压变化范围是Vo1.25V-37V，所以R2/R1的比值范围只能是0-28.6V.4 软件设计本系统是基于单片机的数控电源设计，在设计的方案中有按键模块，显示模块，数控模块等都需要由程序来控制，故要编写相应的程序来完成本次设计任务.4.1单片机控制A/D和D/A转换的流程图A/D转换开定时器0中断显示反馈电压值显示初值 D/A转换等待按键显示设定值D/A转换显示实际值 图4.1 程序流程图ADS7816是低功耗的12位串行口模/数转换芯片，在参考电压稳定时，根据这个关系，可以将输出的电压转换成数据量与控制端进行相比较，从而达到实时监控的目的。转换芯片在前2个时钟周期对反馈信号进行采样，然后随后的12个时钟周期将转换数据依次按照从高到低的顺序从，送到单片机对应的端口。5 仿真结果 本系统的设计电路相对简单，硬件制作基本完成，我用Protues8.0软件已仿真出来，效果很好。已经在输出的精度和稳定性基本达到要求，输出的电压范围为0-30V，步进为1V，又预设两个定值电压+12V和+5V。实验结果为下表：表3 仿真数据结果理论值（V）2345678实际值（V）2.023.014.005.026.007.008.00理论值（V）9101112131415实际值（V）9.009.9911.0012.0013.0114.0014.8理论值(V)16171819202122实际值（V）16.0217.0117.9819.0020.0120.0222.01理论值（V）23242526272829实际值（V）23.0123.9925.0226.2027.0228.3029.02 由上表的电压实测值与显示值对比值，可见该电源相对误差小于1%，按下“+”、“”键时，单步变化1V的精度也基本符合要求。当控制输入为5V时，显示屏上可显示出0005.02V字样，如下图所示：图5.1 结果显示图当用程序控制其输出时，减小PWM波控制角时，输出电压增大，显示屏上显示出0013.01V字样，如下图所示：图5.2 显示结果图当继续减小控制角，电压继续增大，显示屏上可以显示出25.02V的字样，其结果如图所示：图5.3 显示结果图由仿真结果可知，控制导通角可以改变输出电压，使之在0-30V之间变化，通过按键上“+”、“-”按钮可以控制电压的步进值变化，达到课设要求。6 结语 由于采用了矩阵键盘，可以直接输入想要预设的电压值，它优于步进输入方式(本程序设计预设电压值精确到十分位)。在续流二极管两端并联一个电容C6和一个电阻R9可抑制电源关断时所生的尖峰电压，起到保护电路的作用。电路结构简单且所采用电子元件均是常用元件，使电路实现更具有可行性。电压可调范围0-30 V，最大输出功率75W。主要适用于对输出电流和输出功率要求大， 但对电压调整率和负载调整率不是很高的电子设备。进一步改进还可以提高精度和输出功率，增加电流显示等。这此过程中认识到自己的知识面太狭小，也许是自己制作的实品太少了，对一些芯片的了解甚少，今后在工作中一定要补充这块。同时也认识到理论和实践的差别，通过实际制作更能了解到一些模块电路和芯片的功能，特别是检查电路时，让自己对电路有更深的了解。附录1：系统的总体电路图 PCB版制作图附录2：源程序 #include #define uchar unsigned char #define uint unsigned intunsigned char code ziku20=0xc0,0xf9,0xa4,0xb0,0x99, /0,1,2,3,4, 0x92,0x82,0xD8,0x80,0x90, /5,6,7,8,9,0x88,0x83,0xc6,0xa1,0x86, /A,B,C,D,E0x8e,0x7f,0xbf,0x89,0xff /F,.,-,H,NULL;/0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 .uchar buff2;uchar voltage;uchar ans;uchar x,y;sbit key16 = P10;sbit key8 = P11;sbit keyadd = P12;sbit keysub = P13;sbit OUT0 = P20;sbit OUT1 = P21;sbit OUT2 = P22;sbit OUT3 = P23;sbit OUT4 = P24;sbit OUT5 = P25;sbit OUT6 = P26;sbit OUT7 = P27;sbit L1 = P36;sbit L2 = P37;/-/函数名称: delay/功能描述:延时(N*8+6)/-void delay(uint N)uint i;for(i=0;iN;i+);/*函数名：getbuff 功能：将电压值转化为显示码存入buff*/void getbuff(void)x = voltage/10;y = voltage%10;buff1 = zikux;buff0 = zikuy;/*函数名：display 功能：显示buff*/void display(void)L1 = 0;P0=buff0;delay(200);L1 = 1;L2 = 0;P0=buff1;delay(200);L2 = 1;/*函数名：key 功能：键盘扫描和设置*/*按下P1.0：输出16V 按下P1.1：输出8V */*按下P1.2：输出加1V 按下P1.3：输出减1V */void key(void)key16 = 1;key8 = 1;keyadd = 1;keysub = 1;if(P1&0x0f)!=0x0f)/有键按下delay(200);/延时去抖动if (ans=(P1&0x0f)!=0x0f)do;while(P1&0x0f)!=0x0f);/ 等待键放松switch (ans)case 0x0e:voltage=10;break;case 0x0d:voltage=5;break;case 0x0b:if(voltage2) voltage-;break;default:break;/*函数名：DAC 功能：直通方式DA转换*/void DAC(void)uchar temp;temp = voltage*16-20;OUT0 = temp%2;temp = temp/2;OUT1 = temp%2;temp = temp/2