专业技能实训报告简易数显稳压电源

------------------------------------专业技能实训报告简易数显稳压电源专业技能实训报告设计题目：简易数显稳压电源系部：电子通信工程系班级：姓名：学号：2012年11月30日专业技能实训任务书1．本设计课题来源及应达到的目的：该设计来自于工程实践，要求学生通过此次实训设计对单片机的结构原理及典型应用电路有更深刻的认识，能够对单片机功能扩展有进一步理解。通过查阅资料，开阔电子应用视野，了解更加先进的现代电子科技的发展方向。2．本设计课题任务的内容和要求（包括原始数据、技术要求、工作要求等）：内容和要求：设计一个基于单片机的数显稳压电源，内容要求如下：1、采用串联反馈式稳压电路2、用单片机控制输出电压3、采用DAC0832将数字信号转换为模拟信号4、采用ICL7107进行模数转换并驱动数码管显示目录设计任务书…………..……….….……….…….I摘要………..……….….……..…...….П绪论……………….….……………...1第1章基础知识介绍………….….……………........21.1半导体二极管.........................……….…………….…..…….....21.1.2稳压管........……….……………..……..............31.2半导体三极管.....................................................................................................31.3.1集成运放的基本组成.........................................................................................41.3.2集成运算放大器的特点....................................................................................41.4ICLT107引脚及各引脚的功能..............................................................................41.5LED数码管显示接口.............................................................................................61.6变压器的基本知识...............................................................................................7第2章单片机知识介绍……..….…………….….........92.1单片机的应用...........………………….……………92.2MCS-51系列单片机主要性能和特点.....................................................................................102.2.1MCS-51系列单片机内部总体结构.......................................................................................102.2.2MCS-51系列单片机的引脚功能.........................................................................................112.2.4MCS-51系列单片机的主要组成部分................................................................................14第3章方案论证.............................................................................................................................153.1.1方案1.......................................................................................................................153.1.1方案2................................................................................................................................163.1.1方案3...............................................................................................................................173.2三种方案的比较....................................................................................18第4章稳压电源的主要模块电路................................................................................................194.1.整流、滤波电路...........................................................................................................................194.2数字显示电路设计......................................................................................................................23第5章总体电路分析.....................................................................................................................245.1稳压电源的总体设计思路.........................................................................................................24结论/展望……………….……..………………..…...28致谢……………….……..………………...………...29参考文献………….…..……..……………….……...29附录………….…..……..……………….……...30摘要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。本次设计主要是从串连稳压、单片机控制、数字显示等方面入手，介绍了单片机AT89C51、数模转换芯片DAC0832、模数转换芯片ICL7107，数码管和一些重要元器件，对整流、滤波的原理、串联稳压的原理、单片机控制的原理、数字显示的原理等方面进行了介绍。本次毕业设计主要是采用单片机8051和数模转换芯片DAC0832组成数控控制系统对窜联稳压电路进行控制，在电路中设置了过流保护、数字显示等功能。直流稳压电源采用串联反馈型稳压电路，反馈放大部分采用电压比较器LM324和三级管组成，基准电压是由单片机提供的数字量后由DAC0832转换为模拟量后经放大后提供。显示部分采用模数转换芯片ICL7107直接驱动数码管显示。此外，输出电压的大小可以通过按键在单片机中进行预制，每次可以步进0.1V。本次设计的数控数显稳压电源的输出电压范围是0～15V，具有很高的使用价值。关键词单片机，DAC0832，ICL7107，数码管绪论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。

由于板载电源管理的更广泛应用和行业能源节约和运行最优化的关注，电源行业和半导体生产商们便开始共同开发这种名为“数控电源”的新产品。

现今随着直流电源技术的飞跃发展,整流系统由以前的分立元件和集成电路控制发展为微机控制,从而使直流电源智能化,具有遥测、遥信、遥控的三遥功能,基本实现了直流电源的无人值守

设计的数控直流稳压电源主要由单片机系统、键盘、数码管显示器、D/A转换电路、直流稳压电路等几部分组成。单片机系统选用89C51型号单片机,内含4K的ROM。

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。针对以上问题,我设计了一套以单片机为核心的智能化直流电源。该电源采用薄膜轻触键盘,可对输出电压值进行设置,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。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,由键盘控制进行动态逻辑切换。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,且兼备双重过载保护功能,特别适用于各种有较高精度要求的场合。第1章基础知识介绍1.1半导体二极管1.1.1二极管原理将PN结加上相应的引线和管壳，就成为半导体二极管。按结构分，二极管有点接触型和面接触型两类。二极管既然是一个PN结，它当然具有单向导电性，当 外加正向电压很低时，由于外电场还不能克服PN结内电场对多载流子（除少量能量较大者外）扩散运动的阻力，故正向电流很小，几乎为零。当正向电压超过一定数值后，内电场大大削弱，电流增长很快。这个一定数值的正向电压称为死区电压，通常硅管的死区电压为0.5V，锗管约为0.1V。导通时的正向压降，硅管约为0.6～0.8V，锗管约为0.2～0.3V。在二极管上加反向电压时，由于少数载流子的漂移运动，形成很小的反向电流。反向电流有两个特点：一是它随温度的上升增长很快；一是在反向电压不超过某一范围时，反向电流的大小基本恒定。而与反向电压的高低无关。故通常称它为反向饱和电流。而当外加反向电压过高时，反向电流将突然增大 ，二极管失去单向导电性，这种现象称为击穿。二极管被击穿后，一般不能恢复原来的性能，便失效了。1.1.2稳压管稳压管是一种特殊的面接触型半导体硅二极管。由于它在电路中与适当数值的电阻配合后能起稳定电压的作用，故称为稳压管。稳压管工作于反向击穿区。反向电压在一定范围内变化时，反向电流很小。当反向电压增高到击穿电压时，反向电流突然剧增，稳压管反向击穿。此后，电流虽然在很大范围内变化，但稳压管两端的电压变化很小。利用这一特性，稳压管在电路中能起稳压作用。稳压管与一般二极管不一样，它的反向击穿是可逆的。当去掉反向电压之后，稳压管又恢复正常。但是，如果反向电流超过允许范围，稳压管将会发生热击穿而损坏。1.2半导体三极管三级管工作原理半导体三极管（简称晶体管）是最重要的一种半导体器件。目前最常见的有平面型和合金型两类。硅管只要是平面型，锗管都是合金型。不论平面型或合金型，都分有NPN或PNP三层，因此又把晶体管分为NPN型和PNP型两类。每一类都分成基区、发射区和集电区，分别引出基极B、发射极E和集电极C。每一类都有两个PN结。基区和发射区之间的结称为发射结，基区和集电区之间的结称为集电结。通常把晶体管的输出特性曲线分为三个工作区：（1）放大区输出特性曲线的近于水平部分是放大区。在放大区，Ic=βIB。放大区也称为线性区，因为Ic和IB成正比关系。当晶体管工作于放大状态时，发射结处于正向偏置，集电结处于反向偏置，即对NPN型管而言，应使UBE＞0，UBC＜0。（2）截止区IB=0的曲线以下的区域称为截止区。IB=0时，Ic=ICEO。对NPN型硅管而言，当UBE＜0.5V时，即已开始截止，但是为了截止可靠，常使UBE≤0。截止时集电结也处于反向偏置。（3）饱和区当UCE＜UBE时，集电结处于正向偏置，晶体管工作于饱和状态。在饱和区，IB的变化对Ic的影响较小，两者不成正比，放大区的β不能适用于饱和区。饱和时，发射结也处于正向偏置。1.3.1集成运放的基本组成集成运放一般由偏置电路、输入级、中间级和输出级四部分组成。另外，还有电平移动电路、短路保护电路等部分。（1）偏置电路：采用恒流源，向各级提供稳定的静态电流。（2）输入级：采用差动放大器，减小零漂，提高输入电阻。（3）中间级：采用一至两级直接耦合放大器，提供足够的电压放大倍数。（4）输出级：采用功率放大器，提高集成运放的带负载能力，向负载提供一定的功率。1.3.2集成运算放大器的特点集成运算放大器的一些特点与其制造工艺式紧密相关的，主要有以下几点：一、在集成电路工艺中还难于制造电感元件；制造容量大于200pF的电容与比较困难，而且性能很不稳定，所以集成电路中要尽量避免使用电容器。而运算放大电路各级之间都采用直接耦合，基本上不采用电容元件，因此适合于集成化的要求。必须使用电容器的场合，也大多采用外接的办法。二、运算放大器的输入级都采用差动放大电路，它要求两管的性能应该相同。而集成电路中的各个晶体管是通过同一工艺过程制作在同一硅片上的，容易获得特性相近的差动对管。又由于管子在同一硅片上，温度性能基本上保持一致，因此，容易制成温度漂移很小的运算放大器。三、在集成电路中，比较适合的阻值大致为100Ω～30kΩ。制作高阻值的电阻成本高，占用面积大，且阻值偏差大（10%～20%）。因此，在集成运算放大器中往往用晶体管恒流源代替电阻。必须用直流高阻值电阻时，也常采用外接方式。1.4.1ICL7107引脚及各引脚的功能ICL7107型A/D转换器是把模拟电路与数字电路集成在一块芯片上的大规模的CMOS集成电路，它具有功耗低、输入阻抗高、躁声低，能直接驱动共阳极LED显示器，不需另加驱动器件，使转换电路简化等特点。图1-3是它的引脚排列及功能，各引出端功能见附表1-1。图1-3ICL7107引脚功能图表1-1ICL710各引脚功能表端名功能V+和V-电源的正极和负极aU～gU个位、十位、百位笔画的驱动信号，依次接至个位、十位、百位数码管的相应笔画电极aT～gTaH～gHAbk千位笔画驱动信号，接千位数码管的a、b两个笔画电极PM负极性指示的输出端，接千位数码管的g段。PM为低电位时显示负号INT积分器输出端，接积分电容BUF缓冲放大器的输出端，接积分电阻AZ积分器和比较器的反相输入端，接自动调零电容IN+、IN-模拟量输入端，分别接输入信号的正端与负端COM模拟信号公共端，即模拟地C外接基准电压端基准电压的正端和基准电压的负端TEST测试端。该端经500Ω电阻接至逻辑线路的公共地。当作“测试指示”时，把它与V+短路后，LED全部笔画点亮，显示数-1888OSC～OSC时钟振荡器的引出端，外接阻容元件组成的多谐振荡器由CC7107组成的3½位直流数字电压表外围元件的作用是：R1、C1为时钟振荡器的RC网络。R2、R3是基准电压的分压电路。R2使基准电压V=1VR4、C3为输入端阻容滤波电路，以提高电压表的抗干扰能力，并能增强它的过载能力。C2、C4分别是基准电容和自动调零电容。R5、C5分别是积分电阻和积分电容。CC7107的第21脚（GND）为逻辑地，第37脚（TEST）经过芯片内部的500Ω电阻与GND接通。芯片本身功耗小于15mW（不包括LED），能直接驱动共阳极的LED显示器，不需要另加驱动器件，在正常亮度下每个数码管的全亮笔画电流大约为40～50mA。CC7107没有专门的小数点驱动信号，使用时可将共阳极数码管的公共阳极接V+，小数点接GND时点亮，接V+时熄灭。1.5LED数码管显示接口LED数码管LED数码管是由发光二极管作为显示字段的数码型显示器件。图1-4a为0.5inLED数码管的外形和引脚图，其中七只发光二极管分别对应a~g笔段构成“”字形另一只发光二极管Dp作为小数点。因此这种LED显示器称为七段数码管或八段数数码。图1-4LED数码管LED数码管按电路中的连接方式可以分为共阴型和共型两大类，如图1-4示b、c所示。共阳型是将各段发光二极管的正极连在一起，作为公共端COM，公共端COM接高电平，a～g、Dp各笔段通过限流电阻接控制端。某笔段控制端低电平时，该笔段发光，高电平时不发光。控制苛几段笔段发光，就能显示出某个数码或字符。共阴型是将各数码发光二极管的负极连在一起，作为公共端COM接地，某笔段通过限流电阻接高电平时发光。LED数码管按其外形尺寸有多种形式，使用较多的是0.5in和0.8in；按显示颜色也有多种形式，主要有红色和绿色；按亮度强弱可分为高亮和普亮，指通过同样的电流显示亮度不一样，这是因发光二极管的材料不一样而引起的。LED数码管的使用与发光二极管相同，根据其材料不同正向压降一般为1.5～2V额定电流为10mA，最大电流为40mA。静态显示时取10mA为宜，动态扫描显示可加大，可脉冲电流，但一般不超过40mA。1.6变压器的基本知识变压器几乎在所有的电子产品中都要用到，它原理简单但根据不同的使用场合（不同的用途）变压器的绕制工艺会有所不同的要求。变压器的功能主要有：电压变换；阻抗变换；隔离；稳压（磁饱和变压器）等，变压器常用的铁心形状一般有E型和C型铁心。变压器的基本原理当一个正弦交流电压U1加在初级线圈两端时，导线中就有交变电流I1并产生交变磁通ф1，它沿着铁心穿过初级线圈和次级线圈形成闭合的磁路。在次级线圈中感应出互感电势U2，同时ф1也会在初级线圈上感应出一个自感电势E1，E1的方向与所加电压U1方向相反而幅度相近，从而限制了I1的大小。为了保持磁通ф1的存在就需要有一定的电能消耗，并且变压器本身也有一定的损耗，尽管此时次级没接负载，初级线圈中仍有一定的电流，这个电流我们称为“空载电流”。如果次级接上负载，次级线圈就产生电流I2，并因此而产生磁通ф2，ф2的方向与ф1相反，起了互相抵消的作用，使铁心中总的磁通量有所减少，从而使初级自感电压E1减少，其结果使I1增大，可见初级电流与次级负载有密切关系。当次级负载电流加大时I1增加，ф1也增加，并且ф1增加部分正好补充了被ф2所抵消的那部分磁通，以保持铁心里总磁通量不变。如果不考虑变压器的损耗，可以认为一个理想的变压器次级负载消耗的功率也就是初级从电源取得的电功率。变压器能根据需要通过改变次级线圈的圈数而改变次级电压，但是不能改变允许负载消耗的功率。 第2章单片机知识介绍2.1.单片机的应用单片机SCM，即MicroController，是把微型计算机主要部分都集成在一个芯片上的单芯片微型计算机。主要包括了微处理器(CPU)、存储器(ROM、RAM)、输入/输出口(1/0口)和定时器/计数器、中断系统等功能部件。单片机自70年代出现以来，已经有了很大的发展，被广泛应用于机械、测量控制、工业自动化、智能接口和智能仪表等许多领域。例如:单片机与传统的机械产品相结合后简化产品结构，实现控制智能化，成为新一代的机、电一体化产品;利用单片机来构成各种工业控制系统、数据采集系统等;在大型工业测控系统中，单片机进行接口的控制与管理，与计算机主机并行工作，可以大大提高系统运行速度。2.2.MCS-51系列单片机的主要性能特点MCS-51系列单片机的典型产品主要为8051、8751、8031。它们的基本组成和基本性能都是相同的。常用的MCS-51这个术语，泛指以8051为内核的单片机。8051是ROM型单片机，内部有4KB的掩膜ROM，即单片机出厂时，程序已由生产厂家固化在程序存储器中；8751片内含有4KB的EPROM，用户可以把编写好的程序用开发机或编程器写如其中，需要修改时，可以先用紫外线擦出器擦出，然后再写入新的程序；8031片内没有ROM，使用时需在片外接EPROM。除此之外，8051、8751和8031的内部结构是完全相同的，都具有如下特性：(1)面向控制的8位CPU。(2)128B的片内数据存储器。(3)可以寻址64KB的片外程序存储器。(4)可以寻址64KB的片外数据存储器。(5)32根双向和可单独寻址的I/O线。(6)一个全双工的异步串行口。(7)两个16位定时器/计数器。(8)5个中断源，两个中断优先级。(9)有片内时钟振荡器。(10)采用高性能的HMOS生产工艺生产。(11)有布尔处理（位操作）能力。(12)含基本指令111条，其中单机器周期指令64条。2.2.1MCS-51系列单片机的内部总体结构MCS-51单片机有8个部件组成，即中央处理器（CPU），片内数据存储器（RAM），片内程序存储器（ROM/EPROM），输入/输出接口（I/O口，分为P0口、P1口、P2口和P3口）。可编程串行口，定时/计数器，中断系统及特殊功能寄存器。各部分通过内部总线连接。MCS-51系列单片机的内部结构框图如图2-1所示。图2-1MCS-51系列单片机的内部总体结构框图2.2.2MCS-51系列单片机的引脚功能如图2-2是MCS-51系列单片机的引脚结构图，是双列直插封装（DIP）方式。下面分别叙述这些引脚的功能。图2-2MCS-51系列单片机引脚图(1)主电源引脚VCC：电源端。GND：接地端。(2)接晶体引脚XTAL1和XTAL2XTAL1：接外部晶体的一个引脚。在单片机内部，它是一个反向放大器的输入端，这个构成片内振荡器。当采用外部振荡器时，对于HMOS单片机，此引脚应接地；对于CHMOS单片机，此引脚作为驱动端。XTAL2：接外部晶体的另一个引脚。在单片机内部，它是上述振荡器的反相放大器的输出端。当采用外部振荡器时，对HMOS单片机，此引脚接收振荡器的信号，即把此信号直接接到内部时钟发生器的输入端；对CHMOS单片机，此引脚应悬浮不连接。(3)或与其他电源复用引脚RESET/VPD，ALE/，，/VPPRESET/VPD：当振荡器运行时，在该引脚上出现两个机器周期的高电平将使单片机复位；VCC掉电期间，此引脚可接备用电源，以保持内部RAM的数据不丢失；当VCC掉到低于规定水平，而VPD在其规定的电压范围（5+0.5V或5-0.5V）内，VPD向内部RAM提供备用电源。ALE/：当访问外部存储器时，MCS-51系列单片机即用P0口作为低8位地址输出口，又作为数据输入/输出口。为了使地址与数据不至于混淆，通常先送地址再传送数据。ALE（地址锁存允许）将P0口输出的低8位地址锁存，从而实现低位地址与数据的分离。即使不访问外部存储器，ALE端仍以不变的频率（此频率为振荡器频率的1/6）周期性地出现正脉冲信号。因此，它可用作对外输出的时钟，或用于定时目的。然而要注意的是：每当访问外部数据存储器时，将跳过一个ALE脉冲。如果需要的话，通过对专用寄存器（SFR）区中8EH单元的D0位置数，可禁止ALE操作。该位置数后，只有在执行一条MOVX或MOVC指令期间，ALE才会被激活。另外，该引脚会被微弱拉高，单片机执行外部程序时，该设定禁止ALE位无效。：程序存储允许（）输出是外部程序存储器的读选通信号。当AT89C51/LV51由外部程序存储器取指令（或常数）时，每个机器周期两次有效（即输出2个脉冲）。但在此期间内，每当访问外部数据存储器时，这两次有效的信号将不出现。/VPP：当端保持高电平（接Vcc端）时，CPU则执行内部程序存储器中的程序。但在PC（程序计数器）值超过0FFFH（对于8051/8751/80C51）或1FFFH（对于8032）时，将自动转向访问外部寄存器。当EA保持低电平时，不管是否有内部程序存储器，则只访问外部程序存储器。(4)输出引脚P0.0～P0.7，P1.0～P1.7，P2.0～P2.7和P3.0～P3.7。P0口（P0.0～P0.7）：P0口是双向8位三态I/O口。在访问外部存储器时，可分时做低8位地址线和8位数据线；在EPROM编程时，它出入指令字节，而在验证程序时，则输出指令字节。P0口能驱动8个LSTTL输入。P1口（P1.0～P1.7）：P1口是一个带有内部上拉电阻的8位双向I/O口。在EPROM编程和程序验证时，它接收低8位地址，能驱动4个LSTTL输入。P2口（P2.0～P2.7）：P2口是一个带有内部上拉电阻的8位双向I/O口。在访问外部存储器时，它送出高8位地址，能驱动4个LSTTL输入。P3口（P3.0～P3.7）：P3口是一个带内部上拉电阻的8位双向I/O口。在MCS-51系列单片机中，这8个引脚都有各自的第二功能，在实际工作中，大多数情况下都使用P3口的第二功能，表2-1列出了P3口的第二功能。表2-1P3口的第二功能端口引脚复用功能P3.0RXD（串行输入口）P3.1TXD（串行输出口）P3.2（外部中断0）P3.3（外部中断1）P3.4T0（定时器0的外部输入）P3.5T1（定时器1的外部输入）P3.6（外部数据存储器写选通）P3.7（外部数据存储器读选通）2.2.4MCS-51系列单片机的主要组成部分无论什么型号的微型计算机，一般都由中央处理器、存储器和I/O接口组成。MCS-51系列单片机也是有由中央处理器、存储器和I/O接口三大部分组成。(1)CPU：是单片机的核心部分，它的作用是读入和分析每条指令，根据每条指令的功能要求，控制各个部件执行相应的操作。MCS-51系列单片机内部有一个8位的CPU，它是由运算器和控制器组成。运算器主要包括算术、逻辑运算部件ALU、累加器ACC、寄存器B、暂存器、程序状态寄存器、布尔处理器及十进制调整电路等。控制器包括时钟发生器、定时控制逻辑、指令寄存器、指令译码器、程序计数器、程序地址寄存器、数据指针寄存器和堆栈指针等。(2)存储器：MCS-51系列单片机在物理上有4个存储空间，片内程序存储器和片外程序存储器，片内数据存储器和片外数据存储器。8051片内有4KB的片内程序存储器和256B的片外数据存储器。除此之外还可以在片外扩展64KB的程序存储器和64KB的数据存储器。(3)并行I/O8051中有4个8位并行输入/输出端口，记作P0、P1、P2和P3，共32根线。实际上它们就是特殊功能寄存器中的4个。每个并行I/O口都能用做输入和输出，所以称它们为双向I/O口。但这4个通道的功能不完全相同，所以它们的结构也设计得不同。在这里将详细地介绍这些I/O口的结构，以便于掌握它们的结构特点，在使用中采取不同的策略。第3章方案论证3.1三种不同的方案3.1.1方案1此方案采用传统的调整管方案，主要特点在于使用一套计数器完成系统的控制功能。其中二进制计数器的输出经过D/A变换后去控制误差放大的基准电压，以控制输出步进。十进制计数器通过译码后驱动数码管显示输出电压值，为了使系统工作正常，必须保证双计数器同步工作。框图如图3-1所示。图3-1方案13.1.2方案2此方案不同于方案一之处在于使用一套十进制计数器，一方面完成电压的译码显示，另一方面其输出作为EPROM的地址输入，而由EPROM的输出经D/A变换后控制误差放大的基准电压来实现输出步进。由于只使用了一套计数器，回避了方案一中必须保证双计数器同步的问题，但由于控制数据烧录在EPROM中，使系统设计灵活性降低。框图如图3-2所示。图3-2方案23.1.3方案3此方案的控制部分采用8051单片机，输出部分是在D/A转换之后，经过稳定的功率放大而得到，因为使用了单片机，整个系统可编程，使得系统灵活性大大增加。框图如图3-3所示。图3-3方案33.2三种方案的比较（1）数控部分方案一、二中采用中小规模器件实现系统的数控部分，使用的芯片较多，造成控制电路内部接口信号繁琐，中间相互关联多，抗干扰能力差（例如方案一中的双计数器一旦出现计数不同步时，会导致显示电压或输出电压不一致）。在方案三中采用了8051单片机完成整个数控部分的功能，同时8051单片机作为一个智能化的可编程器件，便于系统功能的扩展。（2）输出部分方案一、二中采用线形调压电源，以改变其基准电压的方式使输出步进增加/减小。这样不能不考虑整流滤波后的纹波对输出的影响，而方案三中使用运算放大器作为前级的功率放大电路，由于运算放大器具有很大的电源电压抑制化，可以大大减小输出端的纹波电压。 在方案一、二中，为抑制纹波而在线形调压电源输出端并联的大电容降低了系统的响应速度，这样输出电压难以跟踪快变的输入（如频率较高的三角波等），方案三中的输出电压波形与D/A变换输出波形相同，不仅可以输出直流电平，而且只要预先生成波形的量化数据，就可以产生多种波形输出，使系统成为有一定驱动能力的信号源（3）显示部分方案一、二中的显示输出是对电压的量化值直接进行译码显示输出，显示值为D/A变换的输入量。由于D/A变换与功率驱动电路引入的误差，显示值与电源实际输出值之间可能出现较大偏差。方案三中采用三位半的模/数转换芯片ICL7107，直接对输出电压进行采样并显示输出实际电压值，一但系统工作异常出现预置值与输出值偏差过大，设计者可以根据该信号予以处理（4）补充说明如前所述，虽然方案三比前两者有许多优点，但方案一、二对于完成本设计并非不可行，而且在某些方面（比如电路结构简单等）还具有自己的优势。之所以采用方案三，一个很重要的考虑是系统使用了单片机，使得进一步扩展功能较为方便。第4章稳压电源的主要模块电路4.1主要单元电路的设计稳压电源是由不同模块的电路组成的，每个模块的电路可以独立为一个小的单元。整流、滤波电路1、单相桥式整流电路：单相桥式整流电路是由四个二极管接成电桥的形式构成的，如图4-1所示，我们先来分析它的工作情况。图4-1单相桥式整流电路在变压器副边电压u的正半周时，其极性为上正下负（图4-1），即a电位高于b点，二极管D1和D3导通，D2和D4截止，电流i1的通路是a→D1→R2→D3→b。这时，负载电阻R=12\*ALPHABETICL上得到一个半波电压。在电压u的负半周时，变压器副边的极性为上负下正，即b点的电位高于a点。因此，D1和D3截止，D2和D4导通，电流i2的通路是b→D2→RL→D4→a。同样，在负载电阻上得到一个半波电压。2、电容滤波电路：图4-2中与负载并联的电容器就是一个简单的滤波器。电容滤波器是根据电容器的端电压在电路状态改变时不能跃变的道理制成的。下面分析电容滤波器的工作情况。图4-2接有电容滤波器的单相半波整流电路从图4-2中可以看出，在二极管导通时，一方面供电给负载，同时对电容器C充电。在忽略二极管正向压降的情况下，充电电压Uc与上升的正弦电压U一致。电源电压U达到最大值，Uc也达到最大值。而后U和Uc都开始下降，U按正弦规律下降，当U<Uc时，二极管承受反向电压而截止，电容器对负载电阻RL放电，负载中仍有电流，而Uc按电容放电曲线下降。在U的下一个正半周内，当U>Uc时，二极管再行导通，电容器再被充电，重复上述过程。电容器两端电压Uc即为输出电压Uo，其输出电压的脉动与没有电容器滤波想比较大为减小，并且电压较高。在空载（RL=∞）和忽略二极管正向压降的情况下，Uo=1.414U，U是图中变压器副边电压的有效值。但是随着负载的增加（RL减小，Io增大），放电时间常数RLC减小，放电加快，Uo也就下降。整流电路的输出电压Uo与输出电流Io（即负载电流）的变化关系曲线称为整流电路的外特性曲线，有此可见，与无电容滤波时比较，输出电压随负载电阻的变化有较大的变化，即外特性较差，或者说带负载能力较差。通常我们取Uo=1.2U采用电容滤波时，输出电压的脉动程度与电容器的放电时间常数RLC有关系。RLC大一些，脉动就小一些。为了得到比较平直的输出电压，一般要求RL≥（10～15）1/ωc，即RLC≥（3～5）T/2。式中T是电源交流电压的周期。此外，由于二极管的导通时间短（导通角小于180°），但在一个周期内电容器的充电电荷等于放电电荷，即通过电容器的电流平均值为零，可见在二极管导通期间其电流iD的平均近似等于负载电流的平均值Io，因此iD的峰值必然较大，产生电流冲击，容易使管子损坏，因而在选择二极管时要考虑到这点。总之，电容滤波电路简单，输出电压Uo较高，脉动也较小；但是外特性较差，且有电流冲击。因此，电容滤波器一般用于要求输出电压较高，负载电流较小并且变化也较小的场合。通常都采用极性电容器。串联稳压电路直流稳压电源由电源变压器、整流、滤波和稳压电路四部分组成。电网供给的交流电压u1（220V，50Hz）经电源变压器降压后，得到符合电路需要的交流电压u2，然后由整流电路变换成方向不变、大小随时间变化的脉动电压u3，再用滤波器滤去其交流分量，就可得到比较平直的直流电压u1。但这样的直流输出电压，还会随交流电网电压的波动或负载的变化而变化。在对直流供电要求较高的场合，还需要使用稳压电路，以保证输出直流电压更加稳定。直流稳压电源其整流部分为单相桥式整流，电容滤波电路。稳压部分为串联型稳压电路，它由调整元件；比较放大器；取样电路；基准电压和过流保护电路晶体管及电阻等组成。整个稳压电路是一个具有电压串联负反馈的闭环系统，其稳压过程为：当电网电压波动或负载变动引起输出直流电压发生变化时，取样电路取出输出电压的一部分送入比较放大器，并与基准电压进行比较，产生的误差信号经晶体管放大后送至调整管的基极，使调整管改变其管压降，以补偿输出电压的变化，从而达到稳定输出电压的目的。由于在稳压电路中，调整管与负载串联，因此流过它的电流与负载电流一样大。当输出电流过大或发生短路时，调整管会因电流过大或电压过高而损坏，所以需要对调整管加以保护。串联反馈调整型晶体管稳压电路较参数型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须的，原理图如下图图4-3所示。图4-3串联反馈调整型稳压电源框图从方框图中可以看出，输入电压经过调整元件调节之后，变成稳定的输出电压，其执行动作是在误差比较放大器的控制下进行的。取样电路和基准电压相比较，并把比较后的误差信号送入放大器，增强反馈控制效果。参考型稳压电路的稳压原理，是通过改变调整元件的动态电阻，增大或减小流过调整元件的电流引起限流电阻上压降变化，致使输出电压基本上保持稳定。串联反馈调整型稳压电路压原理则是调整元件的动态电阻，它是随着输出电压的变化而自动改变的。假如由于负载电阻减小，使输出电压有所降低，调整元件的动态电阻便会自动变小，从而使调整元件两端的压降降低，确保输出电压趋于原来的数值。如果由于电网电压升高或负载变大使输出电压偏高时，调整原理及其过程正好相反。电源电路设计1、+5V电源电路设计如图4-4所示，本次设计的0→15V串联稳压电源中单片机、DAC0832、ICL7107的电源则由以上电路供给。图4-47805构成的+5V电源电路W7805系列稳压器的内部电路也是串联型晶体管稳压电路。这种稳压器只有输入端1、输出端2和公共端3三个引出端，故也称为三端集成稳压器。使用时只需在其输入端和输出端与公共端之间各并联一个电容即可。Ci用以抵消输入端较长接线的电感效应，防止产生自激振荡，接线不长时也可不用。Co是为了瞬时增减负载电流时不致引起输出电压有较大的波动。Ci一般在0.1～1uF之间；Co可用1uF。W7800系列输出固定的正电压有5V，8V，12V，15V，18V，24V多种。2、±12V产生电路图4-5运放电源电路由图3-5中可以看出±12V产生电路主要是由LM7812和LM7912组成的，其中LM7812可以产生+12V的电压、LM7912可以产生-12V的电压，其中的电容的作用和+5V电路中的电容的作用是一样的。此电路所产生的电压主要是给运放供电的。4.2数字显示电路设计图4-6显示取样电路由图4-6（a）可知，输出电压与输入电压之间的关系是：Uo=0.1Ui（公式4-1）所以要选择0.1V的电压表表头。而图4-6（b）是串联在电路中，则其分压电压很小，但流过的电流很大，所以要选择1V的电流表表头。图4-7表头显示电路数字显示电路采用单片CMOS双积分型A/D转换器ICL7107，可以实现模拟到数字的转换，并可以直接驱动数码管显示如图3-7所示。ICL7107有很高的输入阻抗，而且可用单电源供电，内部除设有双积分式A/D转换等整套的数字电路外，还设有稳定性很高的基准电压，提供积分电路的比较电压和测量电压，并设有脉冲振荡及分频电路，用于积分模拟开关和数字电路控制及显示。显示电路由ICL7107、四个七端共阳极数码管及少量外围元件组成。该电路采用单电源+5V供电（由7805稳压块提供），由于为小电流电路，采用两个二极管稳压，取得Uref=1V.这样满量程为2V.当输入Input(31脚)与COM（30脚）电压为2V时，显示为1999。在实际电路中Rw1和Rw2分压得到小于2V电压电流通过稳压源中的限流采样电阻转换成电压显示，用数码管显示31/2位。在次电路中要特别注意的是：一般来说ICL7107所显示的满量程是200mV，但也可以显示2V以内的数值，所以在此电路设计之前我们先把输出电压衰减十倍后在接入到ICL7107的模拟输入端。这样的话ICL7107的外围电路的接法也是有所区别的其主要去别是：芯片27,28,29引脚的元件数值，更换为0.22uF,470K,0.047uF阻容网络，并且把36脚基准调整到1.000V这样就可以实满刻度是2V的量程了。第5章总体电路分析5.1稳压电源的总体设计思路稳压电电源是由整流、滤波、串连稳压、取样反馈、单片机取得参考电压经ICL7107显示最终输出稳定的直流电。其总体设计的框图如下图6-1所示：图6-1稳压电源总体设计方框图稳压原理分析图6-2中T1是调整管，T1和T2构成达林顿复合管。T1通过R7接成射级输出器的形式。R10和R11并联组成分压器，起到了取出输出电压的作用，叫做取样电路取样来的电压和基准电压通过LM324进行比较，然后经R21，T2放大以次来控制调整管的T1的管压降，从而使输出电压基本稳定。因为放大器的作用，很小的输出电压的变化，反映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，提高了输出电压的稳定性。图6-2串联稳压原理图当输入电压下降或负载增大时，输出电压减小,T2管基级电位也随之减小，因为单片机提供的基准电压不变，所以T2管基—射级之间的电压减小，于是T2管的集电级电流减小,T2两端压降变小，迫使调整管T1的基—射级之间的电压增大，增大，T1管的压降下降，结果使输出电压上升，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，但经过负反馈调整作用又会使下降，从而使输出电压基本保持不变。软截止保护的实现若输出端短路，此时上升，导致Db导通，T4被导通，这样对T2和T3起到保护作用，T4经放大到饱和再到截止，此时，故障若排除后，整个电路又恢复正常，所以称其为软截止保护，若流过T4的大电流时间过长，T4被烧毁，而T2和T3也将被烧毁。稳压源调试说明（1）指标：1、0V档最小值小于0.06V，最大位于10.2V－11V间；输出加负载0.7A；起控电流0.7A；具有短路软截止保护，短路电流10V档小于250；2、电压偏大或偏小，可改变输出取样环节4.7K与1.2K的比值（输出偏小可在1.2K电阻上并50K左右的普通电阻）；其中一档偏大或偏小可改变基准电压出三个电阻的阻值。3、2N5551损坏的机率较大。4、T3开路、T1CE两极短路则输出接近整流值且不可调、T3短路输出接近零；T4CE短路输出随机值也不可调，T4坏则输出保护不起作用。（2）计算选型已知：Io≥2A，Uo=30V所以：RL=Uo/Io=15Ω（1）选择整流二极管流过二极管的电流ID=Io/2=1/2*2=1A（公式6-1）取Uo=1.2U，所以变压器副边过电压的有效值为：U=Uo/1.2=30/1.2V=25V（公式6-2）考虑到变压器副绕组及管子上的压降，变压器的副边电压大约要高出10%，即25*1.1=27.5V。于是UDRM=1.414*27.5V=38.89V、（公式6-3）因此可以选用二极管1N5408。（2）选择滤波电容器根据RLC=5*T/2，所以RLC=5*1/50/2s=0.05s（公式6-4）已知RL=15Ω，所以C=0.05/RL=0.05/15F=3300uF选用C=3300uF，耐压为50V的极性电容器（3）变压器的选择变压器的变化：K=220/27.5=8变压器副边电流的有效值为：I=Io/1.2=2/1.2A=1.67A（公式6-5）变压器的容量：S=UI=27.5*1.67VA=45.925VA可选用BK70（70VA），220/27.5V的变压器（4）根据电路的反馈原理以及放大系数、价格等综合因素考虑，在设计中可选用LM324型集成运算放大器。（5）大功率调整管的选择考虑到变压器副边绕组及管子上的电流损耗，变压器的副边电流大约要高出10%，即2*1.1=2.2A，于是PT1′=27.5*2.2W=60.5W（公式6-6）在电路中，大功率调整管的功率应大于电路所需功率的30%，即PT1=PT1′*1.3=60.5*1.3W=78.65W（公式6-7）可选用3DF10B型大功率管调整管（6）其它元件的选择集成运放和双向稳压管：根据实际工作中的温度变化、材料质量、价格因素等综合考虑，在电路中可选用LM324型运算放大器，以及2DW231型双向稳压管，其限流电阻通过计算可求得：Rm=6/0.12Ω=500Ω（公式6-8）可选用电阻为510Ω的限流电阻结论/展望在近三个星期的实训报告设计中我感受到了很多，也深刻感受到光学理论知识而不去和实践联系的教训，也坚定了我要更好的学好这门专业课的决心。通过这一次的毕业设计培养了我如何去运用所学过的知识，以及如何把所学过的知识运用到实践中的能力；是自己对我这四年来所学的一切有了一个整体的认识，对我以后的学习都是大有帮助的。这次实训报告设计也使我学会了如何很好的写一份专业的论文的能力，给我以后的工作和学习增添了一份自信。这次的实训报告是我们把所学的理论知识如何联系实践的一次锻炼。我们在学习期间，大多学的是理论知识。但实训报告则不同，它不是单一地对我们进行某一学科已学知识的考核，而是着重考查学生运用所学知识对某一问题进行探讨和研究的能力。写好一篇实训报告，既要系统地掌握和运用专业知识，还要有较宽的知识面和一定的逻辑思维能力以及写作功底。这就要求我们既要具备良好的专业知识，又要有深厚的基础课和公共课知识。通过这次实训的写作，使我们发现自己还有许多欠缺的地方，以便在今后的学习中有针对性地克服缺点。这次的实训报告我感到我还有很多的不足，在毕业设计中我深知道了自己在硬件方面的不足，但通过这次的理论联系实际不仅仅增加了我们的动手能力，而且让我们对书本的理解又有了