数控直流电源的设计.doc

电子设计报告题目：简易数控直流电压源的设计 组号：12C 组长：柯俊吉 组员：陈星宇、刘鹏 完成日期：2012-4-5摘要在各种电子电路实验及日常生活中，电源是一种必不可少的仪器，目前所用的电源大多是只有固定电压输出(例如常用的有：5V、12V或15V) 。其缺点是输出电压不可人为的改变；输出精度和稳定性都不高，在测量上传统的电源一般采用指针式或数字式来显示电压或电流，需要搭配电位器来调整所要的电压及电流输出值，然而电位器的阻值特性非线性，在调整时又要花费一定的时间，且会产生漂移。关键词：数控直流电源单片机最小系统DAC0832数模转换目录第一章 概述1.1直流稳压电源的发展方向1.2 国内发展现状1.3 系统研究方向第二章设计任务分析2.1 设计任务要求2.2 问题分析第三章系统概述3.1 系统设计框图3.2 系统设计思路3.3 系统设计原理第四章 主要器件介绍4.1 STC89C52简介4.2晶振的使用4.3 DAC0832工作原理4.4译码器74LS474.5数码管显示原理4.6三端稳压集成电路L7805,L7815,L79154.7双电源供电集成运放OP074.8功率放大三极管D882和B772第五章 系统硬件设计方案5.1 自制电源电路设计5.2单片机控制电路5.3 DAC0832数模转换及功放的工作原理5.4键盘控制设计5.5数码显示控制设计第六章 系统软件设计方案6.1系统总程序设计6.2系统程序流程图第七章 结果分析结束语参考文献附录一 系统电路全图附录二系统程序源代码 概述1. 1直流稳压电源的发展方向1.1.1智能化目前在研制高精度、高性能、多功能的测量控制仪表时，几乎没有不考虑采用单片机的。以单片机最小系统为主体取代传统仪器的常规电子线路，将软件程序与硬件电路相结合，组成新一代的所谓“智能化测量控制仪表”。直流稳压电源一方面为仪器仪表提供电能量，是仪器仪表的“动力源”，另一面它本身就是仪器仪表，因此，它有可能而且应当智能化。具体地说，智能化的直流稳压电源电源应当具有以下功能特点: 操作自动化。系统的整个测量过程如量程选择、数据的采集、传输与处理以等都用单片机来控制操作，实现测量过程的全部自动化。具有自检测功能，包括自动调零、自动故障检测与状态检验、自动校准、自诊断及量程自动转换等。具有友好的人机对话能力。智能化的直流稳压电源使用键盘代替传统直流稳压电源中的切换开关，操作人员只需通过键盘输入命令，就能实现某种测量功能。1.1.2数字化在传统直流稳压电源中，控制部分是按模拟信号来设计和工作的。在六、七十年代，电力电子技术完全是建立在模拟电路基础上的。但是，现在数字信号、数字电路显得越来越重要，数字信号处理技术日趋善成熟，显示出越来越多的优点。 1.1.3模块化电源的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。模块化的目的不仅在于使用方便，缩小整机体积，更重要的是取消传统连线，把寄生参数降到最小，从而把器件承受的电应力降至最低，提高系统的可靠性。 1.1.4 绿色化电源系统的绿色化有两层含义：首先是显著节电，这意味着发电容量的节约，而发电是造成环境污染的重要原因，所以节电就可以减少对环境的污染；其次这些电源不能(或少)对电网产生污染，国际电工委员会(IEC对此制定了一系列标准，如工EC555, IEC917,IECI000等。20世纪末，各种有源滤波器和有源补偿器的方案诞生，为21世纪批量生产各种绿色直流稳压电源产品奠定了基础。1.2 国内发展现状在我国，以电力电子学为核心技术的电源产业，从二十世纪60年代中期开始形成，到了90年代以来，电源产业进入快速发展时期。一方面， 电源产业规模的发展在加快；另一方面，在国家自然科学基金的资助下或创新意识指导下，我国电力电子技术的研究从吸收消化和一般跟踪发展到前沿跟踪和基础创新，电源产业界涌现了一些技术难度较大，具有国际先进水平的产品，而且还产生了一大批具有代表性的研究成果和产品；目前国内还开展了跟踪国际多方面前沿性课题的研究或基础创新研究。但是我国电源产业与发达国家相比，存在着很大的差距和不足:在电源产品的质量、可靠性、开发投入、生产规模、工艺水平、先进检测设备、智能化、网络化、持续创新能力等方面的差距为10-15年，尤其在实现直流稳压电源的智能化、网络化方面的研究不是很多。目前国内在这两方面研究比较多的是成都电子科技大学和广州华南理工大学，主要是利用单片机和可编程系统器件(PSD)来控制开关直流稳压电源或数制化电压单元达到数控的目的，但和国外的比较起来，效果不是很理想，还有很大的差距。国内厂家生产的直流稳压电源虽然也在向数字化方向发展，但多限于对输出显示实现数码显示，或实现多组数值预置。总体说来，国内直流稳压电源技术在实现智能化等方面相对落后，面对激烈的国际竞争，是个严重的挑战。1.3 系统研究方向本系统研究的直流稳压电源主要是符合智能化、数字化以及模块化的特点。智能化主要是指系统有可编程模块可以对系统进行智能控制。数字化主要是指系统输出电压通过7段数码管显示，并且可以通过按键对输出电压进行连续步进数字化调节。模块化是指系统由各个相关模块组成，提高了系统的可靠性。 任务要求分析2.1.1、设计任务设计出有一定输出电压范围和功能的数控电源。其原理示意图如下：2.1.2、设计要求1基本要求 （1）输出电压：范围09.9V，步进0.1V，纹波不大于10mV；（2）输出电流：500mA； （3）输出电压值由数码管显示； （4）由“”、“”两键分别控制输出电压步进增减； （5）为实现上述几部件工作，自制一稳压直流电源，输出15V，5V。2发挥部分 （1）可通过一个扫描式矩阵键盘对输出电压进行预置在09.9V之间的任意一个值； （2）用按键可进行加减电压值，实现输出电压变化（步进0.1V不变）； （3）扩展输出电压种类（比如三角波，方波）。2.2、 问题分析1、电压输出范围09.9V,步长0.1V,共有100种状态,8位字长的D/A转换器具有256种状态,能满足要求。设计中用2个电压控制字代表0.1V,当电压控制字从0,2,4,到198时,电源输出电压为0.0,0.1, ,9.9。电路选出用的D/A转换芯片是DAC0832，该芯片价廉且精度较高。DAC0832属于电流输出型D/A，输出的电流随输入的电压控制字线性变化。为了得到电压，还需外接一片运放来实现电流到电压的转换。2、当DAC0832采用5V基准电压时，D/A转换电路的满幅输出为5.0V（电压控制字为255时），由于实际最大用到电压控制字198，因此D/A部分最大输出电压U1=（198/255）*5.0=3.882。3、D/A转换部分输出的电压作为稳压输出电路的参考电压。稳压输出电路的输出与参考电压成比例,范围是09.9V，负载能力大于500mA,纹波小10mA.稳压输出电路采用典型的串联反馈稳压电路，也可以看成是以参考电压作为输入的直流功率放大器。 4、过流保护电路。5、自制正负15V和正5V电源的制作原理 系统概述3.1、系统设计框图自制稳压电源模块D/A转换模块单片机控制电路模块按键控制模块功率放大模块数字显示模块3.2、系统设计思路首先根据设计要求确定系统的六大模块。将一个系统的设计划分成一系列模块，然后进行各部分电路的设计。然后经过方案比较确定了各个模块的基本电路：按键控制模块输入某个信号给单片机最小系统，单片机通过程序产生不同的电压值，利用DAC0832数模转换，实现不同电压值的输出及稳定；通过按键来进行电压值的设定；利用单片机对数码管显示进行控制；控制电路由单片机最小系统及外围电路组成，单片机采用STC89C52，通过I/O口进行对系统的控制；自制电压电源为系统提供需要的工作电压。系统程序用C语言在KEIL环境下编写。程序共分为四个部分：主函数、按键扫描函数、延时子函数、数码显示子函数。编写完成并编译无误后由串口下载电路下载到单片机中进行调试。3.3、系统工作原理D/A转换器（DAC）输入的是数字量，经转换输出的是模拟量。DAC的技术指标很多，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。 分辨率：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。如：8位DAC的满刻度输出电压为5V，则其分辨率为 。建立时间：是描述DAC转换速度快慢的参数。其定义为从输入数字量变化到输出达到终值误差 LSB（最低有效位）所需的时间。高速DAC的建立时间可达1us。 接口形式：在DAC输入/输出特性之一。包括输入数字量的形式，十六进制式BCD，输入是否带有锁存器等。 DAC0832为8位D/A转换器。单电源供电，范围为+5V +15V，基准电压范围为 。电流的建立时间为1us。CMOS工艺功耗20 mw。 输入设有两级缓冲锁存器。 电压的计算方式： 设计要求单极性可调精密直流稳压电源，步进分别为20mV、100mV、1V，因此要准确选择D/A的参考电压 =5V，计算方法如下： 数字量取Dn取0 255， 取5V,即数字量每步进1，达到步进20mV，数字量每步进5，达到步进100mV，数字量每步进50，达到步进1V。 主要器件介绍4.1、STCC89C52简介 STC89C52是一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有 8K 在系统可编程Flash 存储器。在单芯片上，拥有灵巧的8 位CPU 和在系统可编程Flash，使得STC89C52为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效的解决方案。 具有以下标准功能： 8k字节Flash，512字节RAM， 32 位I/O 口线，看门狗定时器，内置4KB EEPROM，MAX810复位电路，三个16 位 定时器/计数器，一个6向量2级中断结构，全双工串行口。另外 STC89X52 可降至0Hz 静态逻辑操作，支持2种软件可选择节电模式。空闲模式下，CPU 停止工作，允许RAM、定时器/计数器、串口、中断继续工作。掉电保护方式下，RAM内容被保存，振荡器被冻结，单片机一切工作停止，直到下一个中断或硬件复位为止。最高运作频率35Mhz，6T/12T可选。其引脚图如下：图3.1STC89C52引脚图4.2 晶振的使用晶振的作用是为系统提供基本的时钟信号。通常一个系统共用一个晶振，便于各部分保持同步。有些通讯系统的基频和射频使用不同的晶振，而通过电子调整频率的方法保持同步。晶振通常与锁相环电路配合使用，以提供系统所需的时钟频率。如果不同子系统需要不同频率的时钟信号，可以用与同一个晶振相连的不同锁相环来提供。单片机工作,就是靠晶振起振才能工作。图3.2晶振原理图这种电路是单片机内部振荡电路，由只需要在单片机的XTAL1和XTAL2引脚边接一个晶体振荡器或一个陶瓷振荡器，并通过两个电容后接地即可， XTAL1 和XTAL2分别为单片机片内反相器的输入和输出端口，因为单片机内部工作 需要时钟，产生机器周期，振荡电容一般选取10-30PF，振荡电路的频率要满足单片机的工作频率要求，单片机才能正常工作，如89S52,其工作频率为0-33MHz 每个晶振都会有它的参数：中心频率：Hz 。晶振的频率稳定度： PPM。温度对晶振频率的影响 这个数字越大晶振就越稳定可调范围：PPM。晶振频率的可调范围 这个数字越大那晶振频率的可调范围就越小负载电容：PF 。晶振在中心频率下所要求的电容值谐振电阻：欧姆 。晶振的交流电阻震荡方式：基频和泛音。基频的震荡方式一般都不会高于25MHz 。如果要更高的频率就可以用泛音晶振。泛音的次数一般是单数如3次泛音、5次泛音、7次泛音。 当晶振接到震荡电路上，在震荡电路所引入的电容不符合晶振的负载电容的容量要求时，震荡电路所出的频率就会和晶振所标的频率不同。例如：一个4.0000MHz +-20PPN 负载电容是16PF 的晶振当负载电容是10PF时，震荡电路所出的频率就可能会是4.0003MHz；当负载电容是20PF时，震荡电路所出的频率就可能会是3.9997MHz。晶振负载电容有2种接法：并联在晶振上或串联在晶振上 4.3 DAC0832工作原理直流稳压电源的数模转换采用通用芯片DAC0832。DAC0832的原理框图如图4.2.1所示。DAC0832主要由8位输入寄存器、8位DAC寄存器、8位D/A转换器以及输入控制电路四部分组成。8 位输入寄存器用于存放主机送来的数字量，使输入数字量得到缓冲和锁存，由加以控制；8位DAC寄存器用于存放待转换的数字量，由加以控制；8位D/A转换器输出与数字量成正比的模拟电流；由与门、非与门组成的输入控制电路来控制2个寄存器的选通或锁存状态。图3.3 DAC0832原理框图当WR2和XFER同时有效时，8位DAC寄存器端为高电平“1”，此时DAC寄存器的输出端Q跟随输入端D也就是输入寄存器Q端的电平变化；反之，当端为低电平“0”时，第一级8位输入寄存器Q端的状态则锁存到第二级8位DAC寄存器中，以便第三级8位DAC转换器进行D/A转换。4.4 74LS164工作原理74HC164、74HCT164 是高速硅门 CMOS 器件，与低功耗肖特基型 TTL (LSTTL) 器件的引脚兼容。74HC164、74HCT164 是 8 位边沿触发式移位寄存器，串行输入数据，然后并行输出。数据通过两个输入端（DSA 或 DSB）之一串行输入；任一输入端可以用作高电平使能端，控制另一输入端的数据输入。两个输入端或者连接在一起，或者把不用的输入端接高电平，一定不要悬空。 时钟 (CP) 每次由低变高时，数据右移一位，输入到 Q0， Q0 是两个数据输入端（DSA和 DSB）的逻辑与，它将上升时钟沿之前保持一个建立时间的长度。 主复位 (MR) 输入端上的一个低电平将使其它所有输入端都无效，同时非同步地清除寄存器，强制所有的输出为低电平。 符号引脚说明DSA1数据输入DSB2数据输入Q0Q336输出GND7 地 (0 V)CP8时钟输入（低电平到高电平边沿触发）/M/R9中央复位输入（低电平有效）Q4Q71013输出VCC14正电源4.5 数码管结构4.5.1数码管结构输出电压采用7段数码管进行显示。数码管由8个发光二极管（以下简称字段）构成，通过不同的组合可用来显示数字0 9、字符A F、H、L、P、R、U、Y、符号“”及小数点“”。数码管的外型结构如4.5.1（a）所示。数码管又分为共阴极和共阳极两种结构，分别如图4.5.1（b）和图3.4（c）所示。（a） 外型结构 （b） 共阴极 （c）共阳极图3.5.1 数码管结构图4.5.2数码管工作原理 共阳极数码管的8个发光二极管的阳极（二极管正端）连接在一起，通常，公共阳极接高电平（一般接电源），其它管脚接段驱动电路输出端。当某段驱动电路的输出端为低电平时，则该端所连接的字段导通并点亮，根据发光字段的不同组合可显示出各种数字或字符。此时，要求段驱动电路能吸收额定的段导通电流，还需根据外接电源及额定段导通电流来确定相应的限流电阻。共阴极数码管的8个发光二极管的阴极（二极管负端）连接在一起，通常，公共阴极接低电平（一般接地），其它管脚接段驱动电路输出端，当某段驱动电路的输出端为高电平时，则该端所连接的字段导通并点亮，根据发光字段的不同组合可显示出各种数字或字符。此时，要求段驱动电路能提供额定的段导通电流，还需根据外接电源及额定段导通电流来确定相应的限流电阻。4.5.3数码管字形编码要使数码管显示出相应的数字或字符必须使段数据口输出相应的字形编码。对照图7.10（a），字型码各位定义如下：数据线D0与a字段对应，D1字段与b字段对应，依此类推。如使用共阳极数码管，数据为0表示对应字段亮，数据为1表示对应字段暗；如使用共阴极数码管，数据为0表示对应字段暗，数据为1表示对应字段亮。如要显示“0”，共阳极数码管的字型编码应为：11000000B（即C0H）；共阴极数码管的字型编码应为：00111111B（即3FH）。依此类推可求得数码管字形编码如表3.5.3所示。表3.5.3 数码管字型编码表显示字符字形共 阳 极共 阴 极dpgfedcba字型码dpgfedcba字形码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熄灭灭11111111FFH0000000000H4.6三端稳压集成电路L7805,L7815,L79154.7双电源供电集成运放OP07op07的功能介绍：Op07芯片是一种低噪声，非斩波稳零的双极性运算放大器集成电路。由于OP07具有非常低的输入失调电压（对于OP07A最大为25V），所以OP07在很多应用场合不需要额外的调零措施。OP07同时具有输入偏置电流低（OP07A为2nA）和开环增益高（对于OP07A为300V/mV）的特点，这种低失调、高开环增益的特性使得OP07特别适用于高增益的测量设备和放大传感器的微弱信号等方面。特点：超低偏移： 150V最大 。 低输入偏置电流： 1.8nA 。 低失调电压漂移： 0.5V/ 。 超稳定，时间： 2V/month最大 高电源电压范围： 3V至22V工作电源电压范围是3V18V；OP07完全可以用单电源供电，你说的5V,-5V绝对没有问题，用单5V也可以供电，但是线性区间太小，单电源供电，模拟地在1/2 VCC. 建议电源最好8V，否则线性区实在太小，放大倍数无法做大，一不小心，就充顶饱和了。我一直用+12V，-12V双电源供电。 图1 OP07外型图片 图2 OP07 管脚图OP07芯片引脚功能说明： 1和8为偏置平衡(调零端)，2为反向输入端，3为正向输入端，4接地，5空脚 6为输出，7接电源+ 图3 OP07内部电路图ABSOLUTE MAXIMUM RATINGS 最大额定值Symbol符号Parameter参数Value数值Unit 单位 VCCSupply Voltage 电源电压22VVidDifferential Input Voltage差分输入电压30VViInput Voltage 输入电压22VToperOperating Temperature 工作温度-40 to +105TstgStorage Temperature 贮藏温度-65 to +150电气特性虚拟通道连接= 15V ， Tamb = 25 （除非另有说明）Symbol符号Parameter 参数及测试条件最小典型最大Unit 单位VioInput Offset Voltage 输入失调电压0 Tamb +70-60150 250V Long Term Input Offset Voltage Stability-(note 1) 长期输入偏置电压的稳定性-0.42V/MoDVioInput Offset Voltage Drift 输入失调电压漂移-0.51.8V/IioInput Offset Current输入失调电流 0Tamb +70-0.86 8nADIioInput Offset Current Drift 输入失调电流漂移-1550pA/IibInput Bias Current输入偏置电流 0Tamb +70-1.87 9nADIibInput Bias Current Drift 输入偏置电流漂移-1550pA/RoOpen Loop Output Resistance 开环输出电阻-60-RidDifferential Input Resistance 差分输入电阻-33-MRicCommon Mode Input Resistance 共模输入电阻-120-GRicCommon Mode Input Resistance 共模输入电阻-120-GVicmInput Common Mode Voltage Range输入共模电压范围 0 Tamb +7013 1313.5-VCMRCommon Mode Rejection Ratio (Vi =Vicm min)共模抑制比 0 Tamb +70100 97120-dBSVRSupply Voltage Rejection Ratio 电源电压抑制比(VCC = 3to 18V) 0 Tamb +7090 86104-dBAvdLarge Signal Voltage Gain 大信号电压增益VCC = 15, RL =2K,VO = 10V,120400-V/mV0 Tamb +105100 -VCC = 3V, RL = 500W,VO = 0.5V100400-VoppOutput Voltage Swing 输出电压摆幅RL = 10K1213-VRL= 2k 11.512.8RL= 1K 120 Tamb +70 RL =2K11-SRSlew Rate 转换率(RL =2K,CL = 100pF)-0.17-V/SGBPGain Bandwidth Product 带宽增益(RL =2K,CL = 100pF, f = 100kHz)-0.5-MHzIccSupply Current -(no load) 电源电流（无负载） 0 Tamb +70 VCC = 3V-2.7 0.675 6 1.3mAenEquivalent Input Noise Voltage等效输入噪声电压f = 10Hz -1120 nV Hzf = 100Hz- 10.513.5f = 1kHz-1011.5inEquivalent Input Noise Current 等效输入噪声电流f = 10Hz-0.3 0.9 PA Hzf = 100Hz-0.20.3f = 1kHz-0.10.24.8功率放大三极管D882和B772第五章 系统硬件设计方案5.1自制电压源电路设计图5.1自制电压源电路该电路用了7805、7815和7905、7915制成了两组稳压直流电源电路分别得到15V和5V的电源。为了防止恒流源电路中的较大电流对控制部分产生干扰，将控制部分的电源和恒流源电路电源分成独立的两部分，分别由两组变压器供电，并且，在电源的输出极加上LC滤波电路。通过实际测量发现加LC滤波器之前的纹波高达5060mV，但是通过滤波之后，电压输出，有了明显的改善，纹波只有10mV左右了。5.2单片机控制电路作为控制系统核心的单片机采用STC89C52，其最小系统由主控芯片、复位电路、时钟振荡电路组成，如图5.1.1所示。图5.2单片机最小系统原理图STC89C52是单一+5V供电，包括CPU、存储器（ROM、RAM）、I/O接口等计算机的基本组成。该单片机有4个8位并行