机电毕业论文程控直流稳压电源设计与实现

1、直流稳压电源机电毕业论文：程控直流稳压电源设计与实现摘 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

2、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；D/A；A/D目 录第一章 绪论11.1 课题背景11.1.1 电源技术研究的主要成果11.1.2 电源技术的发展趋势21.1.3 电源技术存在的问题21.2本文的结构和主要内容3第二章 稳压电源整体设计42.1小功率整流电路42.1.1 单相半波整流电路42.

3、1.2单向全波整流电路52.1.3 桥式整流电路62.2 滤波电路72.2.1 电容滤波电路82.2.2电感滤波器102.3 稳压电路112.3.1 稳压电路的指标122.3.2 稳压管基本应用电路132.3.3 串联反馈型晶体管稳压电路152.4本章小结20第三章 硬件部分外围电路设计213.1 程控部分简介213.1.1 8051单片机简介213.1.2 D/A和A/D芯片简介233.1.3 单片机外围电路简介293.2数码管显示电路313.3 按键电路323.4 保护电路333.4.1 用稳压管保护333.4.2 二极管组成得过流保护电路343.5本章小结34第四章 系统软件设计354.

4、1 概述354.2 系统核心指令系统简介354.3 软件系统流程介绍354.4本章小结39第五章 实验步骤及设计不足405.1 概述405.2 实验方法405.3 设计中存在的不足415.4本章小结41结 论42参考文献43附录145附录246附录347致谢48 第一章 绪论1.1 课题背景电子设备都需要良好稳定的电源，而外部提供的能源大多数为交流电源，电源设备担负着把交流电源转换为电子设备所需的各种类别直流电源的任务，转换后的直流电源应具有良好的稳定性，当电网或负载变化时，它能保持稳定的输出电压，并具有较低的纹波。我们通常称这种直流电源为稳压电源2。但有时提供的直流电压不符合设备要求，仍需变

5、换，称为DC/DC变换。常规的稳压电源为串联调整线性稳压电源，它通常由50Hz工频变压器、整流器、滤波器、串联调整线性稳压器组成。调整元件工作在线性放大区，流过的电流是连续的，调整管上损耗较大的功率，需要体积较大的散热器，因此该种电源体积大，且效率低，通常仅为3560。同时承受过载能力较差，但是它具有优良的纹波及动态响应特性。开关电源是利用现代电力电子技术，通过控制开关晶体管开通和关断的时间比率，维持稳定输出电压的一种电源。开关电源处于电源技术的核心地位，它主要分为AC/DC和DC/DC两大类。开关电源去除了笨重的工频变压器，代之以几十kHz、几百kHz甚至数MHz的高频变压器。由于调整管工作

6、在开关状态，因而功率损耗小，效率高。目前，开关电源技术向着轻、小、薄、低噪音、高可靠、抗干扰的方向发展。新器件和新拓扑理论的出现使得开关电源日趋可靠、成熟、经济、适用。1.1.1 电源技术研究的主要成果经过20多年的不断发展，开关电源技术有了重大进步和突破。新型功率器件的开发促进了开关电源的高频化，功率MOSFET和IGBT可使中小型开关电源的工作频率达到400KHZ(AC/DC)或1MHZ(DC/DC)；软开关技术是高频开关电源的实现又了可能，它不仅可以减少电源的体积和重量，而且提高了电源的效率，国产6KHZ通信开关电源，采用软开关技术，效率可达93；控制技术的发展以及专用控制芯片的生产，不

7、仅使电源电路大幅度简化，而且使开关电源的动态性能和可靠性大大提高；有源功率因数校正技术（APFC）的开发，提高了AC/DC开关电源的功率因数，既治理的电网的谐波污染，又提高了开关电源的整体效果。在开关电源的所有应用领域内，通信电源使增长速度最快的一部分。新型磁材料和新型变压器的开发，新型电容器和EMI滤波器技术的进步，以及专用集成控制芯片的研制成功，使开关电源实现了小型化，并提高了EMC性能。微处理器监控技术的应用，提高了电源的可靠性，也适应的市场对其智能化的要求11.1.2 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

8、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

9、。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51.1.3 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

10、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。&#

11、160;  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

12、技人员要解决的第三个问题。1.2本文的结构和主要内容本文分为五章，第一章是绪论。第二章介绍核心硬件部分：整流滤波稳压部分。第三章介绍了外围硬件电路：程控显示按键部分。第四章介绍支持系统工作的软件部分。第五章介绍了实验方法以及设计中存在的不足。第二章 稳压电源整体设计在电子电路中，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

13、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6。2.1 小功率整流电路2.1.1 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。现介绍电路的基本原理。当交流电源为

14、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 (2-1)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

15、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。2.1.2单向全波整流电路 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)

16、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V00.9V2。 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。2.1.3 桥式整流电路 桥式整流电路如图2-4所示。工作

17、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的负办周，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，正负办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： (2-2)负载直流电压平均值为 (2-3) 图2-4 桥式整流电路

18、每个二极管截止时的反向电压相同，为V2的幅值。即： (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。2.2 滤波电路交流电经整流电路后可变为脉动

19、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。2.2.1 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: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

20、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。 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，电压波形如图所示。在t1t4间隔内，输入电压V2>Vc，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Vc>V2时，整流管VD1,VD2处于反向偏置，停

21、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，V2>Vc，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，V2<Vc，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

22、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，输出电压愈高，同时脉动成分愈小，滤波效果愈好。当时，（如负载开路），电容没有放电通路，故VLV2。当不加电容滤波时，桥式整流后负载上输出电压的平均值为VL0.9V2。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

23、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：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

24、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2.2.2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。 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

25、，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

26、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： 图2-10 型LC滤波电路2.3 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。2.3.1 稳压电路的指标 衡

27、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：(=额定值) （2-5） 上式中，为稳压系数；为稳压器的额定输出电压；为稳压器额定输入电压；为输出电压的变化量；为输入电压的变化量；为负载电流。 另外还有以的倒数S为标准，称S1/为稳定系数的。2 等效电阻 又称为动态电阻

28、，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：（额定值） （2-6） 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影响要下降（增量为负），故上式中加了个“”号，使得为正值。通常稳压器在额定范围内使用时，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。2.3.2 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

29、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。如负载减小，要求更多的电流流过时，通过

30、稳压管的电流将随之减小，使基本不变，以保证输出电压基本不变。如果不变，但输入电压由于电网电压或元件参数改变而增加时，则将增加，此时也随之增加，保证基本不变，即基本不变。如果和都变化，则将综合二者的变化加以调整，只要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。 其稳压过程简述如下：若电压升高，而负载不变，则电压降低，而负载不变，则而负载不变，则稳压过程与上诉相反。 若负载电阻减小（负载电流增大），而输入电压不变，则若负载电阻增大，而数输入电压不变，则稳压过程与上诉相反。基本稳压电路中限流电阻R的选用非常重要，若R选的太大，则供应电流不足，当较大时，稳压管的电流将减小到临界值以下，

31、失去稳压作用；若R选的太小，则当变到很大或开路时，都流向稳压管，可能超过允许定额而造成损坏。为此，要合理需用R。 设稳压管的稳定电压为，最大工作电流为，最小工作电流为；市电电压最高时的整流输出电压为，最低时为；负载电流的最小值为，开路时为0，最大值为。要使稳压管能正常工作，必须满足下列条件。1 当市电电压最高和负载电流为0，即负载开路时，应不超过允许最大值，既限流电阻R的最小值应满足： （2-7）2 当市电电压最低和负载电流最大时，应不低于允许最小值，即： （2-8）如上两式不能同时满足，则说明在给定条件下已超过稳压管的工作范围，需限制变化范围或选用较大功率的稳压管。稳压管稳压电路具有线路简单

32、，调试方便等优点，但输出电流受稳压管稳定电流的限制，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。2.3.3 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经过调整元件调节之后，变成稳定的

33、输出电压。 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，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；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： （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+*K*n）倍，

34、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+*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。由以前学习的晶体管工作原

35、理时已经知道，工作在放大区的晶体管，它的集射极之间的电压和集电极电流随基极电流的变化而变化。当基极电流增加时，将减小，将增大，这相当于晶体管集电极与发射极之间的电阻减小；而当基极电流减小时，将增大，将减小，这就相当于晶体管集电极与发射极之间所呈现的电阻增大。由此可见，在线性放大区工作的晶体管，在基极电流的控制下，集射极之间的电阻时可以改变的。所以，晶体管完全可以充当串联反馈型稳压电源中的调整元件，称为调整管。用晶体管作调整管的串联反馈型稳压电源叫做串联反馈型晶体管稳压电源，它是串联反馈型稳压电源中应用最普遍、最有代表性的一种。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

36、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变大，使得负载两端的输出电压增大时，由于基准电压不变，所以晶体管的基极电位也不变，那么集射极电压（）将减小，从而减小，管压降增大，使输出电压减少，抵消了由于电网电压增加或负载减小引起的的增加，使输出电压保持基本不变。如果当输入电压减小或负载增大，使得输出电压下降时，调节过程与上述正好相反。 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

37、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 带有放大器的串联反馈型晶体管稳压电路图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，负载电阻是它的射极电阻。R1、R2与并联组成分压器，起到取出输出电压的

38、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，同时也是管的偏流电阻。晶体管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，以此来控制调整管的管压降，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，反应到调整管上就有比较大的变化，大大提高了调整管的灵敏度，提高的输出电压的稳定性。当输入电压下降或负载增大时，输出电压减小，取样电压相应的减小，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管的基射极之间的电压（-）减小，于是管的

39、集电极电流减小，R4两端的压降变小，迫使调整管的基射极间的电压（-）增大，增大，管的压降下降，结果使得输出电压（-）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，升高，当经过反馈调整作用又会使下降，从而使输出电压基本保持不变。为了提高串联反馈型晶体管稳压电源的技术性能，使用方便，在实用的稳压电源中有许多改进电路： 1 采用辅助电源提高稳压电源的稳定性 当输入电压发生跳变而反馈电压来不及调整时，输出电压同样会发生跳变，为此，采用辅助电源，使得稳压电路的瞬态稳定性得到了很大的改善。 2 比较放大器采用恒流源负载提高稳压电源的稳定性 在串联反馈型晶体管稳压电路中，比较放

40、大器的增益越大，稳压性能就越好。在图2.16中，为了提高放大器的增益，R4的值尽可能选大些，但又不能选的太大，故可采用恒流源代替电阻R4。在恒流源的情况下，对交变电压能产生很大的动态电阻，使得比较放大器有很大的电压增益，从而提高了稳压性能。 3 采用两级直流放大器提高电路的稳定性 提高比较放大器电压增益的另一个方法是增大放大器的级数，在高稳定性电压电路中常采用这种方法。但多级直流放大器的设计和制造比较困难，很容易产生自激振荡，而破坏了稳压器的工作。在实际电路中，多用两级放大，总放大倍数可达几百倍。 4 采用电阻补偿提高稳压电路的稳定性 当输入电压或负载电流发生变化时，一般的串连反馈型晶体管稳压

41、电源不可能使输出电压十分稳定，只是因为它正是利用输出电压的变化来调节的。但若采用电阻补偿，在调整合适的时候，可以使输出电压稳定不变。用输入电压的变化来进行补偿，将输入电压通过一个电阻直接加到取样电路上，这样，取样时能得到更大的变化量，加强了稳压性能，使输出电压更加稳定。 5 采用差动放大器比较放大减小稳压电源的温度漂移 前面介绍的稳压电路，电路简单，但温度稳定性差，利用差动放大器作比较放大级，可以克服这个缺点。 6 基准电压源稳压管恒流供电 提高稳压电路稳定性和温度特性 稳压管的主要特点是流过它的电流在很大范围内变化时，稳压管两端电压变化很小。如果能使稳压管的工作电流保持不变，稳压管两端的电压

42、会更加稳定。采用恒流源为稳压管提供工作电流的基准电压源，稳压电路的稳定性及温度特性将会得到大大的提高。 7 串联反馈型晶体管稳压电流输出电流扩大方法 在带有放大器的串联反馈型晶体管稳压电路中，调整管与放大管电流分配情况是：放大管一般在小电流状态下工作，具体点说，1mA量级，这样的集电极电阻R4才可以取较大的数值，以提高放大倍数。因此，调整管的基极电流必然很小（<）。因为稳压电路的输出电流就是调整管的集电极电流，即，最大只能达几百毫安。因此，大电流稳压电源必须采用复合调整管或并联调整管。 8 扩大串联反馈型晶体管稳压电源输出电压调节范围 为了扩大稳压电源的使用范围，常常要求稳压电源能够在很

43、宽的范围内连续调节，有的甚至要求从零伏起调。 改变取样系数，即改变取样电阻的比值，可以调节电源的输出电压。在实际应用中，在取样电路中多串联一只电位器，把它的中心抽头接在放大管的基极上，改变电位器中心抽头的位置，就能很方便的调节稳压电源的输出电压。但这样也不能图2-17 核心电路图在很宽的范围内调节，当输出电压较低时，差分放大管在输出电压较低时会因供电不足而无法正常工作。利用辅助电源做差分放大管的供电电源，可以使调节电压范围变得很宽。目前流行技术是利用多刀多掷波段开关分段调节输出电压10。 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

44、。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220V24V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217所示：2.4本章小结本章主要简单介绍了直流稳压电源的构成原理，对整流电路、滤波电路、稳压电路都做了详细介绍，对于每一个模块，说明了几种可用电路，其优缺点，这一部分是毕设的核心内

45、容。并结合毕设内容，说明了毕设所选用的设计电路。第3章 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。3.1 程控部分简介本设计采用了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

46、，达到程控稳压的目的。3.1.1 8051单片机简介AT89C51是一种带4K字节闪烁可编程可擦除只读存储器（FPEROMFlash 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。以下对AT89C51做一个简要介绍

47、：第一，主要特性：与MCS-51兼容；4K字节可编程闪烁存储器；寿命：1000次写擦循环；数据保留时间：10年；全静态工作：0Hz-24Hz ；三级程序存储器锁定；1288位内部RAM；32可编程I/O线；两个16位定时器/计数器；5个中断源；可编程串行通道；低功耗的闲置和掉电模式；片内振荡器和时钟电路；第二，管脚说明： 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P0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

48、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，

49、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口将输出电流这是由于上拉的缘故。P3口也可作为AT89C51的一些特殊功能口：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；P

50、3.5 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，AL

51、E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

52、：来自反向振荡器的输出。第三，震荡器特性：XTAL1和XTAL2分别为反向放大器的输入和输出。该反向放大器可以配置为片内振荡器。石英振荡和陶瓷振荡均可采用。如采用外部时钟源驱动器件，XTAL2应不接。有余输入至内部时钟信号要通过一个二分频触发器，因此对外部时钟信号的脉宽无任何要求，但必须保证脉冲的高低电平要求的宽度。第四，芯片擦除：整个PEROM阵列和三个锁定位的电擦除可通过正确的控制信号组合，并保持ALE管脚处于低电平10ms 来完成。在芯片擦操作中，代码阵列全被写“1”且在任何非空存储字节被重复编程以前，该操作必须被执行。此外，AT89C51设有稳态逻辑，可以在低到零频率的条件下静态逻辑，

53、支持两种软件可选的掉电模式。在闲置模式下，CPU停止工作。但RAM，定时器，计数器，串口和中断系统仍在工作。在掉电模式下，保存RAM的内容并且冻结振荡器，禁止所用其他芯片功能，直到下一个硬件复位为止9。 3.1.2 D/A和A/D芯片简介在设计中，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（数模）转换器输入的是数字量，经转换后输出的是模拟量。转换过程是先将各位数码按权值大小转换成相应的模拟分量，然后在以叠加的方法把各模拟分量相加，其和就是D/A转换的结果。D/A转换器有两种输出形式，

54、一种是电压输出形式，即输入为数字量，输出为电压。另一种是电流输出形式，即输出为电流。由于实现模拟量转换是需要一定时间的，在这段时间内D/A转换器的输出应保持稳定，为此应当在数/模转换器数字量输入端的前面设置锁存器。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

55、不同。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BURIEDZENER参考电源，积分转换器（DAC），电压输出放大器。双缓冲逻辑输入易于与微处理器接口，数据输入可由84位格式送入内部寄存器，所有逻辑信号与TTL或CMOS逻辑兼容，接口时序特性可确保与常规微处理器接口。转换器可由单电源或双电源供电，电源电压取12伏或伏。当单电源或双电源供电时，由增益设置寄存器可选择3个电压输出范围：05，010，当双电源供电时，可获得伏的电压输出。输出放大器当输出10伏时可驱动2k的负载。MA

56、X508特性包括：12位电压输出型；内部电压参考；快速微处理器接口；单12或供电；DIP20/24或宽SO封装。其引脚定义说明如下：1脚（VSS）：负电源。单电源时接地，双电源时接-15伏。2脚（ROFS）：满量程输出设置。单极性05伏输出时，ROFS与RFB同时接VOUT；单极性010伏输出时，ROFS接AGND，而RFB接VOUT;双极性-55伏输出时，ROFS接REFOUT,RFB接VOUT。3脚（REFOUT）：内部参考电压+5伏输出。4脚（ACND）：模拟地。58脚（D7D4）：数字输入D7D4位。10脚（DGND）：数字地。9脚、1113脚（D3/D11D0/D8）：在CSLSB有效时，为数据的D3D0位；在CSMSB有效时，为数据的D11D8位。14脚（）：在其有效时，装载数据高4位。15脚（）：在其有效时，装载数据低8位。16脚（）：信号的上升沿锁存数据。17脚（）：