毕业设计（论文）-智能化高精度简易直流电源的设计--硬件设计.doc

南京工程学院毕业设计说明书（论文） 摘摘 要要 随着科学技术的迅速发展，人们对物质需求也越来越高，特别是一些高新技 术产品。电源 作为当今人们生活中普遍存在的电子商品，对它的要求更加 灵活多样，从上世纪九十年代末起 便迅速发展 。随着对系统更高效率和更低功 耗的需求，电信与数据通讯设备的技术更新推动电源行业中直流/直流电源转 换器向更高灵活性和智能化方向发展。 本课题研究一种以单片机为核心的智能化高精度简易直流电源的设计 硬件设计 , 该电源采用数字调节、闭环实时监控、输出精度高, 特别适用 于各种有较高精度要求的。该设计硬件方面包括单片机、变压器、整流滤波、 串联调整、 D/A、比较放大、取样电路等电路组成。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。 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。 关关键键词词： 稳压电源；高精度；整流；滤波；单片机；D/A；A/D 南京工程学院毕业设计说明书（论文） A AB BS ST TR RA AC CT T With the rapid development of science and technology, people matter more to the high demand, especially some high-tech products. Power - as prevalent in peoples lives today electronic goods,It requires amore flexible and diverse, from the last century, it developed rapidly since the late nineties. With greater efficiency and lower system power requirements, telecommunications and data communications equipment, technology updates in the industry to promote the power DC/DC power converter to a higher flexibility and intelligent direction. This study is based on single chip as the core of a high- precision intelligent design simple DC power supply - hardware design, the digital power supply regulation, closed-loop real-time monitoring, the output of high precision, especially for a variety of higher accuracy requirements. The design of hardware including microcontrollers, transformer, rectifier filter, series adjustment, D / A, compared to enlarge, sampling circuit .220V mains voltage through the transformer into the system, after rectification, filtering into a similar DC voltage, and then through the regulator part of the stable after the DC voltage output. Regulated in part by Darlington as the regulator, the op amp as the feedback amplifying circuit after sampling, the use of amplifier circuit to increase the sensitivity of the response regulator voltage stability. The circuit design of each module is taken into account on the basis of the existing circuit to select the best circuits to achieve design goals. 南京工程学院毕业设计说明书（论文） K Ke ey yw wo or rd ds s ：power supply;accuracy;rectifier;filter;SCM;D/A;A/D 目目 录录 第一章 绪论. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .1 1.1 稳压电源的发展.1 1.2 本文的主要工作.2 第二章 总体设计. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .3 2.1 稳压电源的技术指标及要求.3 2.1.1 稳定性 .4 2.1.2 等效电阻 .4 2.1.3 电压温度系数 .4 2.1.4 输出电压纹波 .5 2.2 整流电路介绍 .5 2.2.1 单相半波整流电路 .5 2.2.2 单相全波整流电路 .7 2.2.3 桥式整流电路 .7 2.3 滤波电路 .9 2.3.1 电容滤波电路 .9 2.3.2 电感滤波电路 .11 2.4 本设计模块图 .13 第三章 模块实现部分. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .15 3.1 基本电压模块 .15 3.1.1 AC220V 到 DC6V 转换 .15 3.1.2 DC6V 到 DC5V 的转换 .15 南京工程学院毕业设计说明书（论文） 3.1.3 DC6V 到 DC3.3V 的转换 .17 3.1.4 基准电压源 .18 3.1.5 电压指示电路 .19 3.1.6 关于接地端的说明 .19 3.2 单片机控制模块.20 3.2.1 单片机的发展历程 .20 3.2.2 AT91SAM7S .21 3.2.3 单片机控制输出 0.5V 电压 .23 3.3 功率放大模块 .24 3.4 反馈控制模块 .25 第四章 原理图和 PCB 图绘制. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .27 4.1 电路板图的绘制 .27 4.2 原理图和 PCB 图 .27 4.2.1 原理图编辑 .27 4.2.2 PCB 图 .28 总结. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .30 参考文献. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .31 致谢. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .33 附录. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .34 附录 A: 总原理图 .34 附录 B: 单片机控制部分 .35 附录 C: 反馈控制部分 .36 附录 D: 运算放大部分 .36 附录 E: PCB 图 .38 南京工程学院毕业设计说明书（论文） 1 第一章 绪 论 1 1. .1 1 稳稳压压电电源源的的发发展展 直流稳压电源是电子技术常用的设备之一 ,广泛的应用于教学、科研等 领域。传统的多功能直流稳压电源功能简单、难控制、可靠性低、干扰大、 精度低且体积大、复杂度高。普通直流稳压电源品种很多, 但均存在以下 二个问题 : 1) 输出电压是通过粗调 (波段开关 ) 及细调(电位器)来调节。 这样, 当输出电压需要精确输出 , 或需要在一个小范围内改变时 (如1. 05 1. 07V ) ,困难就较大。另外 , 随着使用时间的增加 , 波段开关及 电位器难免接触不良 , 对输出会有影响。 2) 稳压方式均是采用串联型稳 压电路, 对过载进行限流或截流型保护 , 电路构成复杂 ,稳压精度也不高。 在家用电器和其他各类电子设备中，通常都需要电压稳定的直流电源供 电。但在实际生活中，都是由 220V 的交流电网供电。这就需要通过变压、 整流、滤波、稳压电路将交流电转换成稳定的直流电。滤波器用于滤去整流 输出电压中的纹波，一般传统电路由滤波扼流圈和电容器组成，若由晶体管 滤波器来替代，则可缩小直流电源的体积，减轻其重量，且晶体管滤波直流 电源不需直流稳压器就能用作家用电器的电源，这既降低了家用电器的成本， 又缩小了其体积，使家用电器小型化。 传统的直流稳压电源通常采用电位器和波段开关来实现电压的调节, 并由电压表指示电压值的大小 . 因此,电压的调整精度不高 ,读数欠直观 , 电位器也易磨损 .而基于单片机控制的直流稳压电源能较好地解决以上传统 稳压电源的不足。 随着科学技术的不断发展 ,特别是计算机技术的突飞猛进 ,现代工业应 用的工控产品均需要有低纹波、宽调整范围的高压电源,特别是在一些高 能物理领域 ,急需电脑或单片机控制的低纹波、宽调整范围的电源。 直流稳压电源是最常用的仪器设备 , 在科研及实验中都是必不可少的。 南京工程学院毕业设计说明书（论文） 2 针对以上问题 , 我们设计了一套以单片机为核心的智能化直流电源。该电 源输出由单片机通过 D/A , 控制驱动模块输出一个稳定电压。同时稳压方 法采用单片机闭环控制 , 单片机通过 A/D 采样输出电压 , 与设定值进行比 较, 若有偏差则调整输出 , 越限则由软件控制自动调整。工作过程中 , 稳压电源的工作状态 (输出电压、电流等各种工作状态 ) 均由单片机输出 驱动LED 显示,多种显示模式间 , 可以由键盘控制进行动态逻辑切换。 随着电子技术的发展，电子系统的应用领域越来越广泛，电子设备的种 类也越来越多，对电源的要求更加灵活多样。电子设备的小型化和低成本化 使电源以轻、薄、小和高效率为发展方向。传统的晶体管串联调整稳压电源， 是连续控制的线性稳压电源，这种传统稳压电源技术比较成熟。并且已有大 量集成化的线性稳压电源模块，具有稳定性能好、输出纹波电压小、使用可 靠等特点。但其通常都需要体积大且笨重的工频变压器和隔离之用，滤波器 的体积和重量也很大。而调整管工作在线性放大状态，为了保证输出电压稳 定，其集电极与发射极之间必须承受较大的电压差，导致调整管功耗较大， 电源效率很低，一般只有 45%左右，另外，由于调整管上消耗较大的功率， 所以需要采用大功率调整管并装有体积很大的散热器，于是它很难满足电子 设备发展的要求。从而促成了高效率、体积小、重量轻的开关电源的迅速发 展。本课题研究一种以单片机为核心的智能化高精度简易直流电源的设计, 该电源采用数字调节、闭环实时监控、输出精度高, 特别适用于各种有 较高精度要求的。 1 1. .2 2 本本文文的的主主要要工工作作 稳压电源作为电路系统高稳定的电压及电流提供者，其工作的稳定性直 接影响电路系统的安全与稳定。稳压电源作为电路系统的基本模块之一， 其应用范围非常广泛。 稳压电源要求具有稳定性高，纹波系数小，温度系 数小，输出电阻小，调整速率快等特点。 通常采用中、小规模集成电路来 实现，尽管这种集成电路具有原理简单、易于实现等优点，但同时存在集成 化不高， 输出电流小 等困难问题。 针对此问题，本文设计了一种基于单片机控制的数字式直流电压源。 南京工程学院毕业设计说明书（论文） 3 第第二二章章 总总体体设设计计 常常用用稳稳压压电电源源的的实实现现方方法法 稳压电源一般由变压器、整流 滤波器和稳压器三大部分组成。变压器 把市电交流电压变为所需要的低压交流电。整流器把交流电变为直流电。经 滤波后，稳压器再把不稳定的直流电压变为稳定的直流电压输出，如图 2.1 图 2.1 稳压电源框图 1电源变压器的作用是将电网220V 的交流电压变换成整流滤波电路 所需要的交流电压。变压器副边与原边的功率比为P2/ P1=，式中 是变压器的效率。 2整流滤波电路：整流电路将交流电压变换成脉动的直流电压。再经 滤波电路滤除较大的纹波成分，输出纹波较小的直流电压。常用的整流滤波 电路有全波整流滤波、桥式整流滤波等。 各滤波电容 C 满足 RLC（35）T/2，或中 T 为输入交流信号周期， RL 为整流滤波电路的等效负载电阻。 2 2. .1 1 稳稳压压电电源源的的技技术术指指标标及及要要求求 稳压电源的技术指标可以分为两大类：一类是特性指标，如输出电压、 输出电流及电压调节范围；另一类是质量指标，反映一个稳压电源的优劣， 包括稳定度、等效内阻（输出电阻） 、纹波电压及温度系数等 。对稳压电 源的性能，主要有以下四个 方面的要求 。 南京工程学院毕业设计说明书（论文） 4 2 2. .1 1. .1 1 稳稳定定性性 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： (=额定值) （2-1） Ii OO UU UU / / L I 上式中， 为稳压系数；为稳压器的额定输出电压；为稳压器 O U i U 额定输入电压；为输出电压的变化量；为输入电压的变化量； O U i U 为负载电流。 L I 另外还有以 的倒数 S 为标准，称 S1/ 为稳定系数的。 其中 S 的大小，反映一个稳压电源克服输入电压变化的能力。在同样的 输入电压变化条件下， S 越小，输出电压的变化越小，电源的稳定度越高。 2 2. .1 1. .2 2 等等效效电电阻阻 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 保持不变时，输出电压增量与输出电流增量之比称为等效内阻： i U O U O I （额定值） （2-2） O O O I U R i U 上式中，为正值，由于电流增加（增量为正）时其两端电压受内阻 O R 影响要下降（增量为负），故上式中加了个 “”号，使得为正值。 性 O R 能优良的稳压电源，输出电阻可小到1 欧，甚至 001 欧。 2 2. .1 1. .3 3 电电压压温温度度系系数数 当环境温度变化时，会引起输出电压的漂移。良好的稳压电源，应在环 境温度变化时，有效地抑制输出电压的漂移，保持输出电压稳定，输出电压 的漂移用温度系数 KT 来表示。 南京工程学院毕业设计说明书（论文） 5 2 2. .1 1. .4 4 输输出出电电压压纹纹波波 所谓纹波电压， 就是指叠加在直流之上的交流部分。 经过稳压作用， 可以使整流滤波后的纹波电压大大降低，降低的倍数反比于稳压系数。 用示波器观测其峰峰值一般为毫伏量级。也可用交流毫伏表测量其有效值， 但因纹波不是正弦波，所以有一定的误差。 (1)最大纹波电压 在额定输出电压和负载电流下，输出电压的纹波（包括噪音）的绝对值 大小，通常以峰 -峰值或有效值表示。 (2)纹波系数（） 在额定负载电流下，输出纹波电压的有效值Urms 与输出直流电压 Uo 之比，即 （2-3） %100 Uo Urms (3)纹波电压抑制比 纹波电压抑制比是指在规定的纹波频率下，输入电压中的纹波电压 Ui与输出电压中的纹波电压 Uo之比，即 纹波电压抑制比 = （2-4） O i U U 2 2. .2 2 整整流流电电路路介介绍绍 2 2. .2 2. .1 1 单单相相半半波波整整流流电电路路 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。 南京工程学院毕业设计说明书（论文） 6 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。 现介绍电路的基本原理。 当交流电源为正半周，即上正下负时。二极管VD 因加正向电压而导 通，V2通过二极管 VD 加至负载电阻 RL 上，负载电压 V0=V2为正弦半波电 压。 当交流电元为负半周，即上负下正时。二极管VD 上加反相电压，故 VD 不导通，若忽略二极管 VD 的反向漏电流，则负载电阻RL 中无电流通 过，负载电压为零。 由此可见，由于二极管的单向导电作用，只有一个方向的电流流过负载 电阻 RL，因此在负载电阻 RL 上的电压 V0是单向的脉动直流电压，以后各 周期情况和第一周期相同。 输出直流电压的平均值，即直流电压V0可按下式求出 V0= V2sinatd(t)=0.45V2 (2-5) 1 2 2 0 2 整流输出的是脉动电压，即包含有直流成分，同时又有交流成分，其中 的脉动程度一般用纹波系数来衡量，即纹波系数输出电压的交流成分有效 值/输出电压直流成分。对于直流电源来说，纹波越小越好。为了得到教平 滑的直流电压就必须进行滤波，对于输出在几安一下的各种单相整流器来说， 常在整流电路输出端并联一个一定电容量的滤波电容C，即为容性负载。 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 南京工程学院毕业设计说明书（论文） 7 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。 2 2. .2 2. .2 2 单单相相全全波波整整流流电电路路 单向全波整流电路如图 2.3 所示。 变压器 T 次级线圈具有中心抽头，即得到幅值相等而相位差的C o 180 电压 V21 和 V22。在未接滤波电容时，当变压器T 的次级线圈的交流电压 上(1)正而下(2)负时，VD1 受正向电压而导通， VD2 受反向电压而截至。 于是电流 iD1 通过 VD1 流过负载 RL。另半个周期，即上 (1)负而下(2)正 时，VD2 受正向电压而导通， VD1 受反向电压而截至。于是电流iD2 通过 VD2 流过负载 RL。在一个周期内负载电流 i0=iD1+iD2 为单向脉动电流。 负载电压为双半波，因此直流输出平均电压为单相半波整流电路的2 倍， 即 V0 0.9V2。 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。 2 2. .2 2. .3 3 桥桥式式整整流流电电路路 桥式整流电路如图 2.4 所示。 南京工程学院毕业设计说明书（论文） 8 工作原理简介如下：在 V2 的正半周内， VD1，VD4 导通，VD2,VD3 截 至，在 RL 上建立起上正下负的脉动电压，如果忽略二极管的管压降及变压 器的内阻，则 V0=V2。而在 V2 的负半周，二极管 VD2,VD3 导通，VD1,VD4 截至，在负载 RL 上仍建立起上正下负的脉动电压，如果忽略二极管的管压 降及变压器的内阻，则 V0=V2。由此可以看出，正负半周都有电流流过负 载电阻 RL，而且流过负载电阻的电流方向是一致的，因而输出电压的直流 成分提高，脉动成分降低。 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： (2-6)20sin2 2 ttVVO 负载直流电压平均值为 (2-7) 2 9 . 0 VVO 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： (2-8)22VVd 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。 南京工程学院毕业设计说明书（论文） 9 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。 2 2. .3 3 滤滤波波电电路路 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。 2 2. .3 3. .1 1 电电容容滤滤波波电电路路 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 并联在负载两端的电容器 C 即起滤波作用。下面以有负载RL 和无负 载 RL 两种情况来分析滤波电路的工作原理。 无负载，即 RL 开路时，电路接通瞬间设电容C 上起始电压为零。电 源接通后，通过整流管及变压器次级给C 充电，因导通的二极管及变压器 次级电源内阻很小，所以充电时间常数很小，充电电流很大。只要合理选择 元件参数，便不会发生过热或烧坏晶体管的现象。当V2 达到最大值时， Vc 也基本上达到最大值。此后， V2 开始减小，导通的二极管由于V2 的绝 对值小于 Vc，处于反偏截至状态。此后，输出电压保持为Vc 而不变， 。当 V2 的负半周到来时，因 Vc 不变，晶体管也不在导电。22VVc 南京工程学院毕业设计说明书（论文） 10 图 2.5 电容滤波电路 当有负载 RL 时，设 RL 为定值，当电源接通且 C 上还有近似峰值电压 时。在 t1t4间隔内，输入电压 V2Vc，VD1,VD2 导电，电容 C 充电，Vc 随充电过程而上升，到 t2以后，V2 按正弦规律下降，当 VcV2时，整流 管 VD1,VD2 处于反向偏置，停止导通；已充电的电容开始对负载电阻RL 放电，即暂时代替电源向负载供电。电容C 的放电电压按指数曲线下降。 在 t3瞬间，V2上升到 Vc；t3以后， V2Vc，电容由放电转换为充电， VD3,VD4 导通，构成电源向负载及电容供电的通路。t4以后， V2Vc，VD3,VD4 截至，电容又处于放电状态，其过程和t2t3间隔内 相同，以后情况如此反复。当电源切断后，需带电容放电完毕，输出电压才 能为零。 电容滤波器的特点如下： (1)加了滤波电容以后，输出电压的直流成分提高，脉动成分减小。这 是利用电容的储能作用来实现的。当二极管导通时，电容充电将能量储存起 来；二极管截至时，再把储存的能量释放给负载，一方面使输出电压波形比 较平滑，同时也增加了输出电压的平均值。 (2) 电容滤波放电的时间常数（）愈大，放电过程愈缓慢，输CRL 出电压愈高，同时脉动成分愈小，滤波效果愈好。当时， （如负CRL 载开路） ，电容没有放电通路，故 VLV2。当不加电容滤波时，桥式整2 流后负载上输出电压的平均值为VL0.9V2。 南京工程学院毕业设计说明书（论文） 11 (3)电容滤波电路的输出电压随输出电流的增大而减小。这是由于滤波 电路的负载电阻 RL 减小时，电容的放电过程加快，输出电流的平均值Io 增大，而输出电压的平均值VL却减小了。通常把输出电压VL 和输出电流 Io 之间的关系曲线称为电源的外特性。电路输出电压随电流的增大而下降 的很快，这种外特性称之为软特性。所以电容滤波电路适合用于负载电流变 化不大的场合。 (4) 电容滤波电路中，整流二极管的导通角小于180 度，而且电容放 电时间常熟越大，导通角越小。二极管在短暂的导电时间内，有很大的浪涌 电流流过，这对管子的寿命不利。所以选用二极管时，应考虑它能承受最大 冲击电流的情况。一般选管子时，要求它承受的正向电流的能力应大于平均 输出电流的 23 倍。 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： 图 2.6 RC- 型滤波电路 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。 2 2. .3 3. .2 2 电电感感滤滤波波电电路路 南京工程学院毕业设计说明书（论文） 12 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。 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 2.8 LC 型电感滤波电路 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RL3。 南京工程学院毕业设计说明书（论文） 13 LC 滤波电路中输出电压中的基波分量应由jL 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 2.9 所示 图 2.9 型 LC 滤波电路 综上所述，结合桥式整流电路和滤波电路，可初步确定稳压电源电路， 如图2.10所示 图2.10 电源电路 2 2. .4 4 本本设设计计模模块块图图 本次设计的工作是用 ARM 系列单片机设计 数控稳压电源 。该稳压电 源的基本要求是： 输出 0.5 V 电压,输出电流 0-1A。精度达到 1mV。且可 以循环使用，只要改变单片机的程序就可以控制输出满足要求的电压。电路 分为基本电压模块，单片机控制模块，电压放大模块，反馈控制模块。 南京工程学院毕业设计说明书（论文） 14 基本电 压模块 单片机控 制模块 功率放 大模块 反馈控 制模块 0.5V 图 2.10 本设计模块图 以下分模块进行介绍 基本电压模块 单片机控制模块 功率放大模块 反馈控制模块 南京工程学院毕业设计说明书（论文） 15 第第三三章章 模模块块实实现现部部分分 3 3. .1 1 基基本本电电压压模模块块 主要给内部芯片的提供基准电源，主要有 3.3V，5V，2.5V，具体的实 现电路如下。 3 3. .1 1. .1 1 A AC C2 22 20 0V V 到到 D DC C6 6V V 转转换换 图 3.1 交流 220V 转换为直流 6V 电路 如上图所示，由 220V 交流通过变压器转换为 8V 交流，再由桥堆进行 全波整流，这样通过稳压芯片7806 可以得到 6V 直流电压，由于此时 6V 直流上还存在纹波，通过电容C2 进行滤波，此时就可以得到比较稳定的 6V 直流电压。 3 3. .1 1. .2 2 D DC C6 6V V 到到 D DC C5 5V V 的的转转换换 LP3875 是国家半导体公司 (National Semiconductor) 推出一系列专 为低压、高电流应用方案而设计的全新低噪音 CMOS 低压降 ( LDO) 开 关稳压器 。LP3875 系列开关稳压器采用先进的设计，即使采用很小的输入 输出滤波电容，也可以有效地抑制由电源供应产生的纹波。在室温环境下 以及不同的负载与线路时， LP3875 系列芯片的输出电压精确度为 +/- 1.5% ，而且在任何情况下都可保证精确度为 +/-3.0%。由于这系列芯片 设有独立式输出感应脚，因此即使部分应用方案的负载远离稳压器，管脚也 可在负载附近进行感测，以补偿印刷电路板走线(trace) 所产生的电阻。 对于需要充分发挥电源效益的应用方案，这系列芯片也极为适用，因为这系 列芯片设有停机模式，停机时静态电流只有 10nA，足可支持睡眠或待机 功能。这系列芯片的每一个型号都有 16 个电压可供选择，另外还有可调 南京工程学院毕业设计说明书（论文） 16 节电压的版本，以满足不同的要求。 LP3875-5.0 为输出电压 5.0V，电流 1.5A 的低压集成稳压器。图 3.2 为其内部结构图。 图 3.2 LP3875-5.0 内部结构图 此稳压源给下一级的运放供电，由于运放可能输出电流很大（由负载 大小决定），如果和其他电路共用一个电源，会影响其他相关电路的正常 工作（电流过大时会拉低电压）。所以给运放单独配置一套电源。 图 3.3 所示电源输出 5V，此电源给 AD，DA，MCU 供电。由于 AD， DA，MCU 等不是功率器件，故可以共用一套电源。 图 3.3 LP3875 电源电路 R46 C62 5V VINVOUT SD SENSE LP3875 6V 南京工程学院毕业设计说明书（论文） 17 3 3. .1 1. .3 3 D DC C6 6V V 到到 D DC C3 3. .3 3V V 的的转转换换 由于选用的 MCU 需要 3.3V 电压，需要设计 6V 3.3V 转换电路。选 用 LINEAR 公司生产的 LT1962 系列芯片， LT1962 系列微电源芯片具有低噪 音，高精准度，可作为基准电压使用。此芯片可最大输出300mA 电流，在 最大输出情况下，输出端电压被下拉270mV。其静态电压只有 30uA 使其 在电源供电系统内被广泛应用。因为其有很多的校准器，所以静态电压可以 很好的被控制。 图 3.4 为 LP1962 的引脚图，及引脚功能说明。 图 3.4 LT1962 TOP VIEW IN Pin Voltage . 20V OUT Pin Voltage . 20V Input to Output Differential Voltage (Note 2) . .20V SENSE Pin Voltage . . 20V ADJ Pin Voltage . 7V BYP Pin Voltage. 0.6V SHDN Pin Voltage . 20V 南京工程学院毕业设计说明书（论文） 18 Operating Junction Temperature Range(Note3) . 40to 125 Storage Temperature Range .65 to 150 Lead Temperature (Soldering, 10 sec). 300 图 3.5 为实际设计的电路图 图 3.5 实际设计电路图 3 3. .1 1. .4 4 基基准准电电压压源源 AD780 是 AD 公司生产的一款高精度的基准电压源。输入电压可在 4.0V-36V 之间变化。输出电压可编程（ 2.5V 或 3.0V）。其引脚图如下所 示： 图 3.6 AD780 引脚图 当 8 脚悬空时， VOUT 输出 2.5V，当 8 脚接地时 VOUT 输出 3.0V。在以 后的介绍中将会使用到 2.5V 基准电压，故设计出如图 3.7 所示电路。 南京工程学院毕业设计说明书（论文） 19 图 3.7 2.5V 电压输出 3 3. .1 1. .5 5 电电压压指指示示电电路路 为了确定所设计的每一个电压都能正常输出，设计了如下图所示的电压 检测电路，如果电压正常输出，则相应的LED 会点亮。 图 3.8 电压指示电路 3 3. .1 1. .6 6 关关于于接接地地端端的的说说明明 由于整个系统存在模拟地和数字地两个接地系统。最终把它们统一的方 法是在模拟地和数字地之间连接一个68uH 的电感。这样可以避免他们之 间的相互干扰。 图 3.9 模拟地和数字地的连接 2.5v 南京工程学院毕业设计说明书（论文） 20 3 3. .2 2 单单片片机机控控制制模模块块 3 3. .2 2. .1 1 单单片片机机的的发发展展历历程程 单片机自 1976 年由 Intel 公司推出 MCS-48 开始，迄今已有二十多年 了。由于单片机集成度高、功能强、可靠性高、体积小、功耗低、使用方便、 价格低廉等一系列优点，目前已经渗入到人们工作和生活的方方面面，几乎 “无处不在，无所不为 ” 。单片机的应用领域已从面向工业控制、通讯、交 通、智能仪表等迅速发展到家用消费产品、办公自动化、汽车电子、PC 机外围以及网络通讯等广大领域。 按照内部数据通道的宽度，单片机可分为4 位、8 位、16 位及 32 位 等。单片机的中央处理器（ CPU）和通用微处理器基本相同，只是增设了 “面向控制 ”的处理功能，例如：位处理、查表、多地址访问方式、多种跳 转、乘除法运算、状态监测、中断处理等，增强了实时性。 单片机有两种基本结构形式：一种是在通用微型计算机中广泛采用的， 将程序存储器和数据存储器合用一个存储器空间结构的，称为普林斯顿 （Princeton）结构。另一种是将程序存储器和数据存储器截然分开，分别 殉职的结构，称为哈佛（ Harvard）结构。考虑到单片机 “面向控制 ”实 际应用的特点，一般需要较大的程序存储器，目前的单片机以采用程序存储 器和数据存储器分开的结构为多。 ARM（Advanced RISC Machines）是微处理器行业的一家知名企业，设 计了大量高性能、廉价、耗能低的RISC 处理器、相关技术及软件。技术具 有性能高、成本低和能耗省的特点。适用于多种领域，比如嵌入控制、消费 /教育类多媒体、 DSP 和移动式应用等。 ARM 将其技术授权给世界上许多 著名的半导体、软件和 OEM 厂商，每个厂商得到的都是一套独一无二的 ARM 相关技术及服务。利用这种合伙关系， ARM 很快成为许多全球性 RISC 标准的缔造者。 目前，总共有 30 家半导体公司与 ARM 签订了硬件技术使用许可协议， 其中包括 Intel、IBM、LG 半导体、 NEC、SONY、菲利浦和国民半导体这样 的大公司。至于软件系统的合伙人，则包括微软、升阳和MRI 等一系列知 南京工程学院毕业设计说明书（论文） 21 名公司。 ARM 架构是面向低预算市场设计的第一款RISC 微处理器。 3 3. .2 2. .2 2 A AT T9 91 1S SA AM M7 7S S6 64 4的的简简介介 AT91SAM7S64是Atmel 32位ARM RISC 处理器小引脚数Flash微处理器 家族的一员。它拥有64K 字节的高速 Flash 和16K 字节的SRAM，丰富的 外设资源，包括一个 USB 2.0设备，使外部器件数 目减至最低的 完整系统 功能集。这个芯片是那些正 在寻求额外处理能力和 更大存储器的 8 位处理 器用户的理想选择。 Flash存储器可以通过 JTAG-ICE 进行编程，或者 是在贴装之前利 用编 程器的并行接口进行编程 。锁定位可以防止 固件不小心被 改写，而安全锁 定位则可以保护 固件的安全 Atmel AT91SAM7S64是基于ARM7TDMI的高性能 32位RISC微控制器集成了 Thumb扩展指令集 ,完全可编程的扩展总线接口 ,高达64MB的寻址空间和 8 个芯片选择 ,16KB内