直流稳压电源设计毕业论文新.pdf

毕业设计毕业设计 直流稳压电源设计 系别 电子工程系 班级 电子信息0902 姓名 王小丽 学号 05010902 辅导老师 方华丽 直流稳压电源的设计 II 摘摘 要要 在各种电子实验中 电源是最基本的需要 设计出一种高精度的可 调输出的电源不但能满足不同电子实验的要求 而且能满足在同一实验 中需要使用不同的电压值来测试的要求 本文设计了一种高精度程控稳压电源 该电源的功能由硬件和软件 两方面来实现 硬件方面包括变压器 整流电路 滤波电路 稳压电路 反馈电路 保护电路 程控电路 显示电路以及支持单片机运行的复位 和时钟电路 市电 220V 电压通过变压器流入系统 经过整流 滤波后 变成近似的直流电压 再经过稳压部分稳压后获得稳定的直流输出 稳 压部分由达林顿管作为调整管 由运放作为反馈取样之后的放大电路 利用放大电路来提高调整管的反应灵敏度电压稳定性 软件方面 使用 单片机语言编程 控制程控部分 即 单片机 D A A D 部分 该部 分作用是控制稳压电路部分的基准电压的输出与调整 同时实现高精度 的输出 并且控制数码管显示输出电压 整个电路的设计就是在综合考虑各个模块现有的电路的基础上 选 择最佳电路来实现设计目标的 关键词直流稳定电源 整流 滤波 程控 直流稳压电源的设计 III Abstract In various electronics experiments the power supply is the most basic demand Designing a power supply which has high accuracy and ajustable outputcansatisfynotonlytherequestofdifferentelectronics experiments but also the demand in same experiment to use different electric voltage values for test This text introduced a kind of high accuracy distance to control steady press the design of the power supply The function of that power supply is carry out by the hardware and the software both side The hardware includes transformer commutate the electric circuit the filter electric circuit steady press electric circuit feedback electric circuit the protection electric circuit distance to control electric circuit the manifestation electric circuit and support a single slice luck to go of reset with the clock electric circuit The city gives or get an electric shock the 220 V electric voltage to pass the transformer afflux system passing by to commutate the filter becomes similar direct current electric voltage behind again has been pressed part steadily steady press behind acquire stable direct current exportation Steady press part from reach Dynatron as to adjust a tube is put by the luck after being the feedback sampling of enlarge electric circuit make use of to enlarge electric circuit to raise an intelligent degree of the reaction of the adjustment tube an electric voltage stability The software aspect use a single slice the machine language plait distance control a distance to control part namely Single slice machine D A A D part It s part of functions turn to is the exportation of the basis electric voltage that the controls is steady to press the electric circuit parts and adjust carry out the exportation of the high accuracy in the meantime and the control figures tube manifestation output electric voltage The design of the whole electric circuit is the foundation that is synthesizing to consider each existing electric circuit up choose the best electric circuit to carry out the design target Keywords DC stable power supply commutate filter programmable control 直流稳压电源的设计 IV 前前 言言 当今 电子产品已普及到工作与生活的各个方面 其性能价格比越 来愈高 功能越来越强 供电的电源电路在整机电路中是相当重要的 它的性能良好与否之间营养整个电子产品的精度 稳定性和可靠性 随 着电子技术的飞速发展 电源技术也得到了很大的发展 它从过去的不 太复杂的电子电路变为今日的具有较强功能的功能模块 电压稳定的方 式 由传统的线性稳压发展到今天的非线性稳压 电源电路也由简单变 复杂 电源技术正从过去附属于其他电子设备的状态 逐渐演变成为一 个独立学科分支 我们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 这种传统串联稳压器 调整管总是工作与放大区 流过的电流是连续的 这种稳压的缺点是承受过载和短路的能力差 效率低 一般只有 35 60 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 并装有体积较大的散热器 直流稳压电源的设计 i 目录目录 摘摘 要要 II Abstract III 前前 言言 IV 第第 1 章章 绪论绪论 1 1 1 电源技术的发展趋势 1 1 2 电源技术存在的问题 1 第第 2 章章 稳压电源的组成稳压电源的组成 2 2 1 电子设备对电源的要求 2 2 2 直流稳压电源的组成 3 第第 3 章章 稳压电源整体设计稳压电源整体设计 4 3 1 整流电路 4 3 2 滤波电路 6 3 3 稳压电路 9 第第 4 章章 硬件部分外围电路设计硬件部分外围电路设计 16 4 1 程控部分 16 4 2 数码管显示电路 19 4 3按键电路 19 4 4保护电路 20 第第 5 章章 系统软件设计系统软件设计 22 5 1 系统核心指令系统 22 5 2 软件系统流程 22 第第 6 章章 实验设计中的不足实验设计中的不足 错误 未定义书签 错误 未定义书签 结结 论论 27 直流稳压电源的设计 ii 参考文献参考文献 29 附录附录 1 30 附录附录 2 31 致谢 31 直流稳压电源的设计 1 第第 1 章章 绪论绪论 1 1 电源技术的发展趋势电源技术的发展趋势 新型半导体器件的发展使开关电源技术进步的龙头 目前正在研究高 性能的碳化硅半导体器件 一旦开发成功 对电源技术的影响将是革命性 的 此外 平面变压器 压电变压器及新型电容器等元件的发展 也将对 电源技术的发展起到重要作用 集成化是电源技术的一个重要的发展方向 通过控制电路的集成 驱动电路的集成以及保护电路的集成 最后达到整 机的集成化生产 集成化和模块化减少了外部连线和焊接 提高了设备的 可靠性 缩小了电源的体积 减轻了重量 高频开关电源的发展趋势更是向着高频化 模块化 数字化 绿色化 的方向发展 开关电源技术因应用需求不断向前发展 新技术的出现又会使许多应 用产品更新换代 还会开拓更多更新的应用领域 开关电源高频化 模块化 数字化 绿色化等的实现 将标志着这些技术的成熟 实现高效率用电和高品 质用电相结合 这几年 随着通信行业的发展 以开关电源技术为核心的通信 用开关电源 仅国内有 20 多亿人民币的市场需求 吸引了国内外一大批科技 人员对其进行开发研究 开关电源代替线性电源和相控电源是大势所趋 因此 同样具有几十亿产值需求的电力操作电源系统的国内市场正在启动 并将很快发展起来 还有其它许多以开关电源技术为核心的专用电源 工 业电源正在等待着人们去开发 5 1 1 2 2 电源技术存在的问题电源技术存在的问题 随着半导体技术和微电子技术的高速发展 集成度高 功能强大的大 规模集成电路的不断出现 使得电子设备的体积在不断地缩小 重量在不 断地减轻 所以从事这方面研究和生产的人们对开关稳压电源中的开关变 压器还感到不是十分理想 他们正致力于研制出效率更高 体积更小 重 量更轻的开关变压器或者通过别的途经取代开关变压器 使之能够满足电 子仪器和设备微小型化的需要 这是从事开关稳压电源研制的科技人员目 前正在克服的一个困难 开关稳压电源的效率是与开关管的变换速度成正比的 并且开关稳压 电源中由于采用了开关变压器以后 才能使之由一组输入得到极性 大小 直流稳压电源的设计 2 各不相同的多组输出 要进一步提高开关稳压电源的效率 就必须提高电 源的工作频率 但是 当频率提高以后 对整个电路中的元器件又有了新 的要求 例如 高频电容 开关管 开关变压器 储能电感等都会出现新 的问题 进一步研制适应高频率工作的有关电路元器件 是从事开关稳压 电源研制科技人员要解决的第二个问题 工作在线性状态的线性稳压电源 具有稳压和滤波的双重作用 因 而串联线性稳压电源不产生开关干扰 且波纹电压输出较小 但是在开关 稳压电源中的开关管工作在开关状态 其交变电压和电流会通过电路中的 元件产生较强的尖峰干扰和谐振干扰 这些干扰就会污染市电电网 影响 邻近的电子仪器及设备的正常工作 随着开关稳压电源电路和抑制干扰措 施的不断改进 开关稳压电源的这一缺点得到了一定的克服 可以达到不 妨碍一般的电子仪器 家用电器的正常工作的程度 但是在一些精密电子 仪器中 由于开关稳压电源的这一缺点 却使它得不到使用 所以 克服 开关稳压电源的这一缺点 进一步提高它的使用范围 是从事开关稳压电 源研制科技人员要解决的第三个问题 第第 2 2 章章 稳压电源的组成稳压电源的组成 2 12 1 电子设备对电源的要求电子设备对电源的要求 电子设备对电源的最基本的要求就是电源的输出电压或输出电流要稳 定 除此之外 不同的电子设备还有各自的要求 1 体积小 重量轻 现在随着大规模集成电路的发展 电子设备本身的体积不断地在缩小 因此电源的体积也要小 以与之相称 特别是移动式的电子设备 必须要 求其电源体积小 重量轻 2 电源输出不间断 随着微型计算机应用的日益普及和处理技术的不断发展 对对高质量 的供电提出了越来越严格的要求 在微型计算机的运行期间供电的中断 将会导致随机存储器中数据的丢失和程序的破坏 因此一旦市电发生瞬间 直流稳压电源的设计 3 断电时能在小于 10ms 的时间间隔内重新供电 对于无人值守的电子设备 如通信设备 也需要电源输出不间断 3 效率高 对于大功率的电源 从节能角度出发 电源的效率就是一个很重要的 要求 对于家用电器 如电视机 音响设备 由于它的用户很多 效率高 对节能意义更大 4 造价低 对于普及性比较大的电子设备或电子设备本身造价就比较低 那么就 要求电源的造价不能高 5 电源能工作在特殊的环境中 有很多电子设备需要工作在特殊的环境中 如在水中 在高温或低温 中 在有腐蚀性环境中 那么对电源也就必须要求在特殊环境能正常工作 以保证电子设备的正常运转 2 22 2 直流稳压电源的组成直流稳压电源的组成 在电子电路中 通常都需要电压稳定的直流电源供电 小功率稳压电 源的组成可以用图 2 1 表示 它是由变压器 整流 滤波 和稳压电路等 四个部分组成 图2 1直流稳压电源组成框图 1 交流电压变换部分将交流电网提供的交流电压变换到电子电路 所需要的交流电压 同时还可起到直流电源与电网的隔离作用 2 整流部分将变压器变换后的交流电压变为单向脉动电压 脉动 直流 3 滤波部分对整流部分输出的脉动直流进行平滑处理 使之成为 一个含纹波成分很小的直流电压 4 稳压部分将滤波输出的直流电压进行调节 一维持输出电压的 基本稳定 由于滤波后输出直流电压受温度 负载 电网电压波动等因素 的影响很大 所以要设置稳压电路 直流稳压电源的设计 4 电源变压器是将交流电网 220V 的电压变为所需要的电压值 然后通 过整流电路将电压变成脉动的直流电压 由于此脉动的直流电压还含有较 大的纹波 必须通过滤波电路加以滤除 从而得到平滑的支流电压 但这 样的电压还随电网电压波动 一般有正负 10 左右的波动 负载和温度 的变化而变化 因而在整流 滤波电路之后 还需接稳压电路 稳压电路 的作用是当电网电压波动 负载和温度变化时 维持输出直流电压的稳定 当负载要求功率较大 效率较高时 常采用开关稳压电源 第第 3 3 章章 稳压电源整体设计稳压电源整体设计 3 3 1 1 整流电路整流电路 3 1 1 单相半波整流电路单相半波整流电路 单相半波整流电路是最简单的整流电路 图 2 2 是单相半波阻性负载 的整流电路 图2 2单相半波整流电路 电路中 T 为变压器 其作用是将市电 220V 的交流电压变成所需要 的直流电压 VD 是整流二极管 其作用是方向变化的交流电变为单相的 脉动直流 输出直流电压的平均值 即直流电压 V0可按下式求出 22 2 0 0 45 0 sin2 2 1 VttdV V 2 1 半波整流电路的优点是结构简单 使用的元器件少 但缺点是输出的 波形脉动大 直流成分比较低 变压器有半个周期不导电 利用率低 变 压器电流含有直流成分 容易饱和 所以只能用在输出功率较小 负载要 求不高的场合 直流稳压电源的设计 5 3 3 1 2 1 2 单向全波整流电路单向全波整流电路 单向全波整流电路如图 2 3 所示 图2 3单相全波整流电路 全波整流电路接入滤波电容 C 其充放电过程与半波整流相同 但由 于 V21 和 V22 轮流通过 VD1 和 VD2 向电容 C 充电 所以输出电压的脉动 比半波整流时小 3 1 3 桥式整流电路桥式整流电路 桥式整流电路如图 2 4 所示 桥式整流电路的电压可作如下估算 整流元件仍认为是理想的 在纯 电阻负载条件下 电压的顺时值为 20sin2 2 ttVVO 2 2 负载直流电压平均值为 2 9 0 VVO 2 3 直流稳压电源的设计 6 图2 4桥式整流电路 每个二极管截止时的反向电压相同 为 V2 的幅值 即 22VVd 3 4 导通二极管的电流平均值为负载电流平均值的一半 最大值与负载电 流最大值相同 综上 桥式整流电路的特点是 与半波整流电路相比 在 V2 RL 相同 的条件下 输出的直流电压提高了一倍 电流脉动程度减小 变压器正负 半周都有对称电流流过 既得到充分利用 又不存在单向磁化的问题 所 以它的应用较为广泛 但是需要 4 个整流二极管 线路稍复杂 以上简单介绍了几种整流电路 根据其优缺点的判断 所以在我的设 计中采用了桥式整流电路 一方面 能使电能得到充分利用 另一方面 由于有现成的整流桥集成元件 设计起来也比较方便 3 3 2 2 滤波电路滤波电路 交流电经整流电路后可变为脉动直流电流 其中含有较大的交流分量 为了使设备能用上纯净的直流电 还必须用滤波电路滤除脉动电压中的交 流成份 滤波电路一般由电抗元件组成 如在负载电阻两端并联上电容器 C 或在负载中串联上电感器 L 或由电容 电感组合而成的各中复式滤 波电路 3 2 1 电容滤波电路电容滤波电路 电容滤波就是在整流电路后面 用大量的电解电容与负载并联例如以 桥式电路为例 整流滤波电路如图 2 5 所示 图2 5电容滤波电路 直流稳压电源的设计 7 电容滤波电路简单 制作方便 但是它的输出电流不宜太大 而且要 求输出电压的脉动成分较小时 必须增加电容器的容量 因此电路的体积 大也不经济 为此 RC 型滤波电路在实际电路中经常使用 RC 型滤波电路如图 2 6 所示 它实际上就是在电容滤波的基础上再加上 1 级 RC 滤波电路构成的 采用这种滤波电路可以进一步降低输出电压的脉动系数 但是 这种滤波 电路的缺点是在 R 上有直流压降 因而必须提高变压器次级电压 因而整 流管的冲击电流仍然比较大 同时 由于 R 产生压降 外特性比电容滤波 更软 所以这种电路只适用于小电流的场合 图2 6 RC 型滤波电路 3 2 2 电感滤波器电感滤波器 利用电感具有阻止电流变化的特点 在整流电路的负载回路中串联电 感 L 如图 2 7 所示 即构成电感滤波电路 图 2 7 电感滤波电路 当整流后的脉动电流增大时 电感 L 将产生反电势 L di dt 阻止电 流增大 相反 当电流减小时 电感 L 将阻止电流减小 从而使负载电流 脉动成分大大降低 达到滤波的目的 直流稳压电源的设计 8 由于电感交流电阻很大 而直流电阻很小 输出直流分量在电感上损 失很小 所以它适用于负载电流比较大的场合 而且外特性较好 即负载 电流变化时 输出直流电压变化较小 另外 电感滤波的二极管导通角不 会减小 避免了浪涌电流的产生 为了进一步改善滤波效果 可以采用 LC 滤波电路 它是在电感滤波电 路的基础上 再在负载电阻 RL 上并联电容器 C 如图 2 8 所示 图 2 8LC 型滤波电路 不难看出 当 L 值很小 或 RL 很大时 该电路和电容滤波电路很类 似 呈现电容滤波的特点 为了保证整流二极管的导电角仍为 180 度 一 般要求 L 值很大 对基波信号而言应满足 RL 3 LC 滤波电路中输出电压中的基波分量应由 j L 和 RL 1 C 分压得 到 所以输出电压的脉动成分比仅用电感滤波时更小 而负载电流变化时 均能有良好的滤波效果 所以说他对负载的适应性比较强 在大功率输出的电源稳压电路中 由于输出电流较大 为了减少功率 损耗 一般不用电阻做滤波器件 经常使用的是 LC 元件构成的 型滤波 电路 为了增大电感量 一般来说 L 选用铁心电感 C 选用电解电容 如图 2 10 所示 直流稳压电源的设计 9 图 2 10 型 LC 滤波电路 3 3 3 3 稳压电路稳压电路 经过整流和滤波后的直流电压 会由于交流电网电压的波动以及负载 电阻的变动而发生变化 在绝大多数情况下 这种输出电压的变化波动显 得太大 仍需要进一步对其稳定 这就需要采用稳压电路 通常 完整的 稳压电源电路包括有整流 滤波 和稳压电路 下面就稳压电路作一下介 绍 3 3 1稳压电路的指标稳压电路的指标 衡量稳压器的性能有许多指标 例如额定输出电压 电流和电压调节 范围等 这属于特性指标 稳压系数 等效内阻 纹波电压 即交流电压 分量 等属于质量指标 自动化程度 用来说明维护人员离开时 例如 是否具有自动开机 停机性能 故障检测等 经济指标 主要有效率和功 率因数等 下面简单介绍下质量指标 1 稳压系数当负载电流一定时 输出电压的相对变化量与输入电 压的相对变化量之比称为稳压系数 即 Ii OO UU UU L I 额定值 2 5 上式中 为稳压系数 O U为稳压器的额定输出电压 i U为稳压器 额定输入电压 O U 为输出电压的变化量 i U 为输入电压的变化量 L I 为负载电流 另外还有以 的倒数 S 为标准 称 S 1 为稳定系数的 2 等效电阻 O R又称为动态电阻 是包括整流 滤波和稳压在内的 等效电阻 当 i U保持不变时 输出电压增量 O U 与输出电流增量 O I 之比 称为等效内阻 O O O I U R i U 额定值 2 6 上式中 O R为正值 由于电流增加 增量为正 时其两端电压受内阻 影响要下降 增量为负 故上式中加了个 号 使得 O R为正值 通 常稳压器在额定范围内使用时 O R约在 1 5 以下 3 纹波电压纹波电压就是叠加在输出直流电压上的交流电压分 直流稳压电源的设计 10 量 通常经滤波及稳压后 它的数值在几毫伏以内 以不影响电子设备工 作为准 可用一个容量较大的电容器与交流毫伏表串联进行测量 此电容 是隔直流用的 8 3 3 23 3 2 稳压管基本应用电路稳压管基本应用电路 硅稳压管也称为齐纳二极管 其伏安特性如图所示 从伏安特性可以 看到 当流过稳压管的电流在一个较大范围内变化时 稳压管两端的电压 几乎不变 稳压管的这一特性将稳压管和负载并联 若能保证稳压管中的 电流在一定范围内 则负载电压就能在一定程度上得到稳定 因此 稳压 电路的关键就是限定稳压管中的电流 因为如果工作电流太小 则电压随 电流的变化很大 达不到稳压的目的 但工作电流也不能太大 以免超过 管子的额定功率 造成损坏 小功率稳压管的工作电流大致几毫安至几十 毫安 大功率的稳压管可到几安培到十几安培 图 2 12 是由稳压管构成的基本稳压电路 图 2 12 稳压管稳压电路 电路中 R 决定了向稳压管和负载输送电流的总量 起着限流和调压 的作用 稳压管起着调节电流的作用 如负载 L R减小 要求更多的电流流 过 L R时 通过稳压管的电流 Z I将随之减小 使 R I基本不变 以保证输出 电压 o V基本不变 如果 L R不变 但输入电压 i V由于电网电压或元件参数改 变而增加时 则 R I将增加 此时 Z I也随之增加 保证 O I基本不变 即 o V基 本不变 如果 i V和 L R都变化 则 Z I将综合二者的变化加以调整 只要 Z I的 变化在它的允许的工作范围之内 就能保证起到较好的稳压作用 稳压管稳压电路具有线路简单 调试方便等优点 但输出电流受稳压 直流稳压电源的设计 11 管稳定电流的限制 而且输出电压又不能任意调节 稳压性能不高 只适 用于输出电流小 负载变动不到和稳定性能要求不高的场合 或作为辅助 稳压源 若负载经常变动 要求输出电压连续可调 稳定性能好 就要采 用晶体管稳压源 3 3 33 3 3 串联反馈型晶体管稳压电路串联反馈型晶体管稳压电路 串联反馈型稳压电路比稳压管稳压电路要复杂的多 它是一个闭环反 馈系统 所以必须具有执行元件和反馈支路 一般情况下 它包括调整管 取样电路 基准电压源及误差比较放大器等主要部分 调整管是闭环调节 系统的执行机构 其余部分都是反馈控制支路所必需的 原理框图如图2 13 所示 从框图上可以看出输入电压 i U经过调整元件调节之后 变成稳定的 输出电压 O U 图 2 13 串联反馈型稳压电路框图 取样电路和基准电压相比较 并把比较后的误差信号送放大器 增强 反馈控制效果 因为取样得来得是电压信号 所以这种电压源实际上是一 个以电压为调节对象得自动调节系统 其调节模式如图 2 14 所示 图中 O K为调节系统开环时的电压传递函数 也就是系统开环稳压系数 T K为 执行机构在系统闭环时的电压传递函数 也就是调整管电路的电压放大倍 数 K 时误差放大器开环电压放大倍数 n 为取样电路的电压传递系数 也就是取样分压器的分压比 根据调节原理可知 该系统的调节函数为 直流稳压电源的设计 12 nKK K T 1 1 2 9 由此可知 无论输入电压波动还是负载变化对输出电压的影响 反馈系统 是开环系统的 1 1 T K K n 倍 更具体点说 就是反馈调整型稳压电 源在电网电压调整率 负载调整率等主要技术性能方面 都是以硅稳压二 极管稳压电源为代表的参数型稳压电源的 1 T K K n 倍 这就是反馈 调整型稳压电源比参数型稳压电源应用得更普遍得主要原因 图 2 14 串联反馈型稳压电路调节模式 串联反馈型稳压电源稳压原理是调整元件的动态电阻是随着输出电压 的变化而自动改变的 其优点是 输出电压范围不受调整元件本身耐压的 限制而且各项技术指标可以做的很高 其缺点是线路比较复杂 过载能力 差 顺时过载会使调整元件损坏 需要过载保护 因此 串联反馈调整型 稳压电源广泛用在负载变动较大 稳压性能要求较高 输出电压可调等场 合 1 简单的串联反馈型晶体管稳压电路图 2 15 是一个最简单的 串联反馈型晶体管稳压电路 晶体管 VT 做调整元件 VD 做基准电压源 它给晶体管发射结提供一个固定的偏压使其能正常工作 当负载变小或输 入电压 i U变大 使得负载两端的输出电压 O U增大时 由于基准电压 b E不 变 所以晶体管的基极电位 b U也不变 那么集 射极电压 be U be U b U O U 将减小 从而 b I减小 管压降 ce U增大 使输出电压 O U i U ce U减 少 抵消了由于电网电压增加或负载减小引起的 O U的增加 使输出电压 O U 保持基本不变 如果当输入电压减小或负载增大 使得输出电压 O U下降时 调节过程与上述正好相反 直流稳压电源的设计 13 图 2 15 串联反馈型晶体管稳压电路 从上边的稳压过程可以看出 当输入电压增大或负载变小时 这种稳压 电路是通过输出电压的变化反过来控制调整管 VT 的管压降 从而使输出 电压保持不变 以达到自动稳压的作用 这实际是一种负反馈 所以这种 电路叫做串联反馈型稳压电路 该电路存在两个问题 其一 该电路是用输出电压的变化部分直接去 控制调整管的基极 故控制作用小 稳压性能较差 其二 输出电压固定 不可调 2 带有放大器的串联反馈型晶体管稳压电路简单的反馈型晶 体管稳压电路 是直接利用输出电压的变化量来控制调整管的电压 ce U变 化的所以其灵敏度和电压稳定性都不够理想 采用带放大器的稳压电路 可以弥补这些不足 图 2 16 是一个带有放大器的典型电路 图中 VT1是调 整管 接成射极输出器的形式 负载电阻 L R是它的射极电阻 R1 R2 与 L R 并联组成分压器 起到取出输出电压的作用 叫做取样电路 VD 是硅稳 压二极管 它与限流电阻 R3 一起组成基准电压源 VT2是比较放大器 R4 是它的集电极电阻 同时也是 1 VT管的偏流电阻 晶体管 2 VT把从取样 电路送来的输出电压上升或下降的变化信号与基准电压相比较 并把比较 结果产生的差值电压 或者叫做误差电压 加以放大 以此来控制调整管 1 VT的管压降 1ce U 从而使输出电压基本保持稳定 因为放大器的作用 很 小的输出电压的变化 反应到调整管 1ce U上就有比较大的变化 大大提高 直流稳压电源的设计 14 了调整管的灵敏度 提高的输出电压的稳定性 图 2 16 带有放大器的串联反馈型晶体管稳压电路 当输入电压 i U下降或负载增大时 输出电压 O U减小 取样电压 2R U相 应的减小 2 VT管基极电位也随之减小 因为硅稳压管两端的电压基准不 变所以 2 VT管的基 射极之间的电压 2be U 2R U W U 减小 于是 2 VT管 的集电极电流 2c I减小 R4 两端的压降 4R U变小 迫使调整管 1 VT的基 射 极间的电压 1be U i U 4R U O U 增大 1b I增大 1 VT管的压降 1ce U下降 结果使得输出电压 O U i U 1ce U 上升 从而使输出电压基本恢复到原 来的数值 同理 当输入电压上升或负载变小时 O U升高 当经过反馈调 整作用又会使 O U下降 从而使输出电压基本保持不变 以上是对直流稳压电源的核心技术进行的介绍 本次毕设题目是高精 度程控稳压电源 硬件核心就是以上介绍的三个部分 首先 利用变压器 进行市电到所需电压的转变 在设计中采用 220V 24V 的变压器 将市电 电压降低 之后采用桥式整流电路 对电压进行整流 一方面 桥式电路 使用方便简单 另一方面 有现成的集成元件可用 滤波方面采用简单的 型 RC 滤波电路即可 因为设计的电路比较简单 且直流要求较强 所 以选用 型 RC 滤波电路 稳压方面选用串联反馈型稳压电路 在比较放 大方面选用集成运方代替晶体管 使得电路更加方便 简单 而且稳定可 靠 核心电路如图 2 17 所示 直流稳压电源的设计 15 图 2 17 核心电路图 直流稳压电源的设计 16 第第 4 4 章章 硬件部分外围电路设计硬件部分外围电路设计 外围电路包括程控部分 包括 D A 和 A D 数据转换部分 保护电路 部分 数码管显示部分 按键控制部分 其中 程控 D A 和 A D 是系统 的调整核心部分 基准电压的输出和反馈电压的接受与调整都是靠它们来 完成 保护电路是保护硬件部分安全的 确保硬件不会因电流过大而毁掉 显示部分是反馈给人信息的部分 通过它可以用来调整所需电压 而且可 以知道输出的是否是自己的所需 4 4 1 1 程控部分程控部分 本设计采用了 AT89C51 作为系统的核心 通过控制 D A 转换来输出 基准电压 通过控制 A D 转换来读取反馈电压 并自动调整 D A 的输出来 使输出电压稳定 达到程控稳压的目的 4 1 1 8051 单片机单片机 AT89C51 是 一 种 带 4K 字 节 闪 烁 可 编 程 可 擦 除 只 读 存 储 器 FPEROM Flash Programmable and Erasable Read Only Memory 的低电 压 高性能 CMOS8 位微处理器 俗称单片机 单片机的可擦除只读存储 器可以反复擦除 100 次 该器件采用 ATMEL 高密度非易失存储器制造技 术制造 与工业标准的 MCS 51 指令集和输出管脚相兼容 由于将多功能 8 位 CPU 和闪烁存储器组合在单个芯片中 ATMEL 的 AT89C51 是一种高 效微控制器 为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案 4 1 2 D A 和和 A D 芯片芯片 在设计中 需要将数字量转换成模拟量来控制稳压电路的输出 同时 也需要将模拟量转变成数字量来反馈输出的状态 送单片机处理 进行控 制 这就需要 D A 和 A D 芯片 D A 转换器的指标很多 我们最关心的是 分辨率 指输入单位数字 量变化引起的模拟量输出的变化 是对输入量变化敏感程度的描述 建立 时间 是描述转换速度快慢的一个参数 用于表明转换速度 转换精度 理想情况下 精度与分辨率基本一致 位数越多精度越高 但由于电源电 压 参考电压 电阻等各种因素存在误差 严格讲精度与分辨率并不完全 一致 只要位数相同 分辨率则相同 但相同位数的不同转换器精度会有 所不同 直流稳压电源的设计 17 本次设计所使用的 D A 转换器是 MAX508 它是美国美信公司生产的 具有内部参考 电压输出型 2 位 D A 转换器 转换电压具有相同参考极性 允许但电源工作 内部包含一个 BURIED ZENER 参考电源 积分转换器 DAC 电压输出放大器 A D 转换其 ADC 的作用就是把模拟量转换成数字量 以便于计算 机处理进行处理 根据 A D 转换器的原理可将 A D 转换器分为两大类 一类是直接型 A D 转换器 另一类是间接型 A D 转化器 在直接型 A D 转换器中 输入 的模拟电压被直接转换成数字代码 不经任何中间变量 在间接型转换器 中 首先把输入的模拟电压转换成某种中间变量 时间 频率 脉冲宽度 等等 然后在把这个中间变量变换为数字代码输出 尽管 A D 转化器的 种类很多 但目前应用较广泛的主要有以下几种 逐次逼近式转换器 双 积分式转换器 式 A D 转换器和 V F 转换器 本次设计所使用的芯片是MAX197 它是美国美信公司生产的多量程 12 位数据采集 ADC 芯片工作电压仅为 5 伏 即接收高于电源电压的 模拟信号 又可以接收低于地电位的模拟信号 芯片有 8 个独立的模拟输 入通道 对输入的模拟信号提供了四个可编程输入量程 10 伏 5 伏 0 到 5 伏 0 到 10 伏 四个量程将有效的动态输入范围增加到 14 位 为4 20毫安信号和由12 伏或15 供电的传感器到单5伏系统提供了灵活 的接口 变换器的耐压容限达到了5 16 伏 该模 数转换器具有 5MHZ 带宽 100K SPS 的吞吐率 由软件控制选择内 外部时钟 由软件控制内 外部启动采集 8 4 并行数据接口 内部 4 096 伏或外供参考电压 硬件 的 SHDN 脚和两个软件可编程位 STBYPD FULLPD 用来提供转换过 程中的低电流关断模式 MAX197 具有标准的微处理器接口 8 位数据总线构成了三态数据 I O 口 数据存取与总线释放时序特性与常规微处理器芯片兼容 其逻辑输入 输出皆与 TTL 或 CMOS 逻辑电平兼容 本次设计所使用的 MAX197 为 DIP28 引脚的封装形式 其引脚包括数 据输出线 片选控制线 电源以及地端 还有 8 个模拟输入通道 具体引 脚见附录中的总体电路图 本次设计采用 ATC8051 用其 P0 口作为数据的输入输出口 在 D A 转换阶段用于输出 D A 转换的数据 在 A D 转换阶段 用于接收 MAX197 直流稳压电源的设计 18 的输出数据 MAX508 和 MAX197 共用 P0 口 构成数据总线 采用两条 处理语句来分别传送数据的高四位和低八位 P2 口高四位用于控制 MAX508 其低四位用于控制 MAX197 构成地址总线 通过地址的不同 来控制对哪一个芯片进行操作 MAX508 的输出作为基准电压 接在运放 的正端 MAX197 接取样电路 取样为输出的 1 8 转换后作为输出的比 较进行智能调整 以得到稳定的电压输出 MAX197INT端接单片机的 0INT端 单片机中采用查询方式 查询0INT端是否有标准中断信号 来 判断 MAX197 是否转换完成 4 1 3 单片机外围电路单片机外围电路 单片机的外围电路包括复位和时钟电路 这两个电路是单片机正常工 作的保证 复位电路通常采用上电自动复位和按钮复位两种方式 如图所 示 图 3 1 上电复位电路图 3 2 按钮复位电路 最简单的是上电复位点路 本次用的就是上电自动复位 上电自动复 位是通过外部复位电路的电容充电里实现的 只要 Vcc 的上升时间不超过 1ms 就可以实现自动上电复位 当时钟频率选用 6MHz 时 C 取 22uF R 取 1K 时钟电路时钟是单片机的心脏 单片机各功能部件的运行都是以时钟 频率为基准 有条不紊的一拍一拍地工作 因此 时钟频率直接影响单片 机的速度 时钟电路的质量也直接影响单片机系统的稳定性 常用的时钟 电路有两种方式 一种是内部时钟方式 另一种为外部时钟方式 MCS 51 直流稳压电源的设计 19 单片机内部有一个用于构成振荡器的高增益反相放大器 该高增益反相放 大器的输入端为芯片引脚 XTAL1 输出端为引脚 XTAL2 这两引脚跨接 石英晶体振荡器和微调电容 就构成一个稳定的自激振荡器 4 4 2 2 数码管显示电路数码管显示电路 本电路采用的是 LED 显示器发光二极管 LED 由半导体材料磷砷花镓 或碳化硅等制作成 PN 结 当正向偏置时 电流加大 由于电子和空穴复 合释放出热量而发光 LED 的正向工作压降为 1 2 2 6V 发光工作电流在 5mA 到 20mA 之间 发光强度与正向电流成比例 故电路必须串联适当的 限流电阻 最常见的是七段码 LED 数码显示器 有共阴极和共阳极两种连接法 如图 3 3 所示 它有静态显示和动态显示两种 本电路采用动态显示方式 本设计中 采用 LED 动态显示的方法 由串行口输出段选码和位选码 实现显示功能 图 3 3 数码管结构图及接线方法 4 3按键电路按键电路 常用的键盘接口分为独立式按键和矩阵式键盘接口 1 独立式按键接口独立式按键就是各按键相互独立 每个按键各 直流稳压电源的设计 20 接一个输入线 一根输入线上的按键工作状态不会影响其他输入线上的工 作状态 因此 通过检测输入线的电平状态可以很容易判断哪个按键被按 下了 独立式按键电路配置灵活 软件简单 当每个按键需占用一根输入口 线 在按键数量较多时 需要较多的输入口线且电路结构复杂 故此种键 盘适合用于按键较少或者操作速度较高的场合 按键直接与 8031 的 I O 口 线相接 通过读 I O 口 判定各 I O 口线的电平状态 即可识别出按下的 按键 2 按键的确认键的闭合与否 反映在行线输出电压上就是呈现出 高电平或低电平 如果高电平表示断开的话 那么低电平则表示键闭合 所以通过对行线电平的高低状态的检测 便可确定键按下的与否 为了确 保 CPU 对一次按键动作之确认一次按键 必须消除抖动的影响 3 如何消除按键抖动消除按键抖动通常采用硬件 软件两种方法 硬件消除按键抖动一般采用双稳态消抖电路 软件消除按键抖动 如果按键较多 硬件消抖将无法胜任 因此常采用软件的方法进行消 抖 在第一次检测到有按键按下时 执行一段延时 10ms 的子程序后再确 认该案件抖动时否认保持闭合状态电平 如果保持闭合状态电平则确认为 真正有按键按下 从而消除了抖动的影响 4 4 4 4保护电路保护电路 保护功能的作用是 在稳压电路正常工作的情况下 保护电路对稳压 电路基本上没有影响 当电路发生异常时 保护电路起作用 稳压电源的 保护功能基本上有两种 其一 过流或短路保护 这是为防止稳压电源输 出过载或短路时流过调整管的电流过大而造成调整管损坏 其二 过电压 保护 这是为了防止稳压电源出现异常时输出过大电压而损坏伏在 另外 还有过热保护 4 4 1 用稳压管保护用稳压管保护 电路如图 3 1 所示 电路中的 R 为检测电阻 用以检测输出电流的大 小 D 为低压硅稳压管 可以在必要的时候对调整管基极电流起到分流的 和限制的作用 直流稳压电源的设计 21 当输出电流 O I小于一定值时 be U O I R O U 稳压管 D 的外加电压 小于其反向击穿电流 D 截至 对整个电路不起无影响 当输出电流 O I大 于设定值时 be U O I R O U 该稳压管被击穿 起到稳压作用 使得 be U O I R 稳定值 并不再起变化 图 3 1 稳压管保护电路 此时 限制稳压管得最大输出电流为 O I D U be U R 式中 D U为 保护稳压管得稳定值 be U为调整管发射结正电压 R 为检测电阻 对于硅 管 be U约等于 0 7 伏左右 为使 R 不致损耗太大得输出功率 其值不应过 大 可见 D U也不应过大 通常为 1 2 伏左右 4 4 2 二极管组成得过流保护电路二极管组成得过流保护电路 电路如图所示 图 3 2 二极管组成的过流保护电路 b R为保护管的基极电阻 R 为检测电阻 当检测电压 O IR 小于保护管 发射结导通电压时和 b R上的压降时 保护管不工作 OI在安全范围内工作 直流稳压电源的设计 22 当 O I大于一定值时 O IR 将使保护管导通 其集电极电流为调整管的基极 电流分流 使调整管基极电流 集电极电流及输出电流相应减小 从而起 到限制作用 在毕设的电路设计中 取第二种方案 使用过流保护方式 来保护调 整管不会被烧掉 第第 5 5 章章 系统软件设计系统软件设计 5 15 1 系统核心指令系统系统核心指令系统 指令的表示方法成为指令格式 一条指令通常有两部分组成 即操作 码和操作数 操作码用来规定指令进行什么操作 而操作数则是指令操作 的对象 操作数可能是一个具体的数据 也可能是指出到哪里取得数据的 地址或符号 在该指令系统中有单字节指令 双字节指令和三字节指令三 种不同长度的指令 指令长度不同 指令格式也不同 大多数指令执行时 都需要使用操作数 寻址方式就是在指令中说明 操作数所在地址的方法 一般来说 寻址方式越多 功能越强大 灵活性 越大 指令系统也就越复杂 该指令系统具有 7 种寻址方式 寄存器寻址 方式 直接寻址方式 寄存器间接寻址方式 立即寻址方式 基址寄存器 加变址寄存器间接寻址方式 位寻址方式 相对寻址方式等等 该指令系统大致可分为 5 类 数据传送类指令 算术操作类指令 逻 辑运算类指令 控制转移类指令 位操作类指令等等 5 5 2 2 软件系统流程软件系统流程 整个软件系统的核心是D A变化 A D变换和数据的比较及调整方面 大体思路是 首先 由用户通过键盘输入所需要的输出电压 在确定后 系统转换开始 先进行 D A 转换 输出用户所需电压的 1 8 作为基准电压 待系统反应结束后 由取样电路取得输出电压的 1 8 送 A D 转换器 待转 化结束后单片机接受取样数据 并调用智能比较调整程序 来控制MAX508 的输入数据 从而影响基准电压 直流稳压电源的设计 23 主程序流程如图 4 1 所示 图 4 1 主流程图 系统初始化时 屏蔽中断 设置好 MAX197 的程序控制字 采用查询 方式查询0INT端 来判断 A D 转换是否完成 调用 D A 转换时 首先进 行码制转换 将 BCD码转换成二进制码 然后调用除法程序 根据MAX508 的输出电压方式 得到 12 位标准的适合 MAX508 输出的二进制码 由 508 输出基准电压 待 MAX197 转换完成 读取数据到单片机中 调用比较调 整程序 自动调整 508 的输出 使最终的输出结果稳定而且达到用户的需 直流稳压电源的设计 24 要 D A 程序包括了调用 码制转换 调用数据调整 即除法程序 及输出 首先输出地址 选定 MAX508 然后由 P0 口输 出二进制码 分两次输出 先低后高 程序较简单 就不画出流程了 A D 数据接收程序 就是当 A D 转换完成后 由单片机接收转换结果的 程序 首先输出地址信息 通过 MAX197的片选端 选定芯片 分两次通过 P0 口接收数据 存到特定单 元 显示程序 采用动态 显示的方法 由串口输出 段选码和位选码 并调用 延时 显示一段时间 然 后换下一位显示 除法程序 除法可以 由一系列的减法和移位操 作实现 商位是以串行方 式获得的 一次得一位 首先