毕业设计（论文）
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直流稳压电源设计
系 别： 电子信息工程系 班 级：2012 姓 名：吴鹏 辅导老师：杨静
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
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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；D/A；A/D
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摘要1
Abstract错误!未定义书签。 第1章绪论5 1.1 课题背景5
1.2电源技术的发展趋势5 1.3 电源技术存在的问题6 第2章稳压电源整体设计7 2.1整流电路8
2.1.1 单相半波整流电路8 2.1.2单向全波整流电路8 2.1.3 桥式整流电路9 2.2 滤波电路10
2.2.1 电容滤波电路10 2.2.2电感滤波器11 2.3 稳压电路13
2.3.1 稳压电路的指标13 2.3.2 稳压管基本应用电路14
2.3.3 串联反馈型晶体管稳压电路15 第3章硬件部分外围电路设计21 3.1 程控部分21
3.1.1 8051单片机21
3.1.2 D/A和A/D芯片21 3.1.3 单片机外围电路23 3.2数码管显示电路24 3.3 按键电路25 3.4 保护电路26
3.4.1 用稳压管保护26
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3.4.2 二极管组成得过流保护电路27 第4章系统软件设计28 41 系统核心指令系统28 4.2 软件系统流程28 第5章实验设计中的不足32 结论33 参考文献34 附录136 附录236 附录338 致谢39
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第1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35％～60％。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。
1.2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
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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]
1.3 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
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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2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。
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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。
输出直流电压的平均值，即直流电压V0可按下式求出
21 V0 2V2sintd(t)0.45V2(2-1) 02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。
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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。
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：
VO2V2sint0t2 (2-2)
负载直流电压平均值为
VO0.9V2(2-3)
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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： Vd2V2(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:
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图2-5电容滤波电路
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-π型滤波电路在实际电路中经常使用。
RC-π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-π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。
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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<3Ω。
LC滤波电路中输出电压中的基波分量应由jωL和RL//(1/ωC)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
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元件构成的π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 π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：
（2-5）
UO/UOUi/UI(
IL=额定值)
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上式中，γ为稳压系数；UO为稳压器的额定输出电压；Ui为稳压器额定输入电压；UO为输出电压的变化量；Ui为输入电压的变化量；IL为负载电流。
另外还有以γ的倒数S为标准，称S＝1/γ为稳定系数的。 2 等效电阻RO 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Ui保持不变时，输出电压增量UO与输出电流增量IO之比称为等效内阻：
RO（2-6）
UOIO（Ui＝额定值）
上式中，RO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，
RO约在1.5Ω使得RO为正值。通常稳压器在额定范围内使用时，
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[8]。
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：
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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RL减小，要求更多的电流流过RL时，通过稳压管的电流IZ将随之减小，使IR基本不变，以保证输出电压Vo基本不变。如果RL不变，但输入电压Vi由于电网电压或元件参数改变而增加时，则IR将增加，此时IZ也随之增加，保证IO基本不变，即Vo基本不变。如果Vi和RL都变化，则IZ将综合二者的变化加以调整，只要IZ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Ui经过调整元件调节之后，变成稳定的
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输出电压UO。
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，KO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；KT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：
K1 （2-9）
1KT•K•n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+KT*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+KT*K*n）倍，这就是反馈调整型稳压电源比
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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Ui变大，使得负载两端的输出电压UO增大时，由于基准电压Eb不变，所以晶体管的基极电位Ub也不变，那么集—射极电压Ube（Ube＝Ub－UO）将减小，从而Ib减小，管压降Uce增大，使输出电压UO＝Ui－Uce减少，抵消了由于电网电压增加或负载减小引起的UO的增加，使输出电压UO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UO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，
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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Uce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RL是它的射极电阻。R1、R2与RL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VT1管的偏流电阻。晶体管VT2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VT1的管压降Uce1，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Uce1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。
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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Ui下降或负载增大时，输出电压UO减小，取样电压UR2相应的减小，VT2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VT2管的基—射极之间的电压Ube2＝（UR2-UW）减小，于是VT2管的集电极电流Ic2减小，R4两端的压降UR4变小，迫使调整管VT1的基—射极间的电压Ube1＝（Ui-UR4-UO）增大，Ib1增大，VT1管的压降Uce1下降，结果使得输出电压UO＝（Ui-Uce1）上升，从而使输出电压基
UO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UO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π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π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：
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图2-17 核心电路图
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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
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。
3.1.1 8051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。
3.1.2 D/A和A/D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
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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。
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、Σ－Δ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 16.5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
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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INT0端，单片机中采用查询方式，查询INT0端是否有标准中断信号，来判断MAX197是否转换完成。
3.1.3 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
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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。
3.2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
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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
3.3 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，
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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。
3.4 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。
3.4.1 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。
当输出电流IO小于一定值时，Ube＋IO*R 令狐采学 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IO＝（UD-Ube）/R.。式中UD为保护稳压管得稳定值，Ube为调整管发射结正电压，R为检测电阻。对于硅管，Ube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UD也不应过大，通常为1～2伏左右。 3.4.2 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 Rb为保护管的基极电阻，R为检测电阻，当检测电压IOR小于保护管发射结导通电压时和Rb上的压降时，保护管不工作，IO在安全范围内工作；当IO大于一定值时，IOR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。 令狐采学 令狐采学 第4章系统软件设计 41 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。 4.2 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。 令狐采学 令狐采学 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INT0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 令狐采学 令狐采学 户的需要。 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，把被除数得高位与除数相比较，如被除数高位大于除数，则商为1，并从被除数中减去除数， 形成一个部分余数；否则商位为0，不执行减法。然后把新得部分余数左移一位，并与除数再次进行比较。循环此步骤，直 令狐采学 令狐采学 到被除数的所有位都处理完为止，一般商的字长为n，则需要循环n次这种除法上商前，先比较被除数与除数，根据比较结果决定上商1或0，并且只有在商为1时，才执行减法，所以称之为比较法。流程如图4-2所示： 除法在本程序中的作用就是用来计算输出的D/A转换码是多少的。就是用户所需电压的1/8在MAX508的5伏电压的量程下，用什么样的12 位二进制数才能表示。 令狐采学 令狐采学 比较调整程序，就是当单片机接收到A/D转换完成后所送来的反馈结果后，进行比较判断，来进一步调整D/A的输出，从而使电压更加稳定的程序。流程如图4-3所示： 之后，判断结果是否理想，来决定下一步是返回还是继续进行D/A变换，继续调整输出电压。 第5章实验设计中的不足 硬件部分采用了多个芯片，但没找到合适的要求供电一致的芯片，故而使用了多个78系列稳压芯片为单片机、D/A、A/D等供电，使得系统散热大，不易于集成化，而且费用较高。改进方法是试着寻找供电一致的芯片或试着由系统自己供电，减少78系列芯片的使用。 软件方面采用查询方式相应按键，会产成相应不及时的问题。在D/A和A/D数据处理时采用了除法子程序，处理时间比较长。在数据处理方面占用的大量的数据存储空间，而且程序编写出来比较复杂。同时汇编语言编译器的纠错功能不是很强大，造成了软件调试困难。以后再开发硬件系统时，除要求对硬件操作很高的场合外，会使用单片机C语言进行编程，以简化设计过程等等 令狐采学 令狐采学 结 论 本文给出了一个高精度程控稳压电源的解决方案，初步设计了能够人为控制输出，输出范围在0～25V之间的，稳定精度能达到要求的程控稳压电源。 该系统由硬件和软件部分组成，在查阅并学习现有的模块电路之后，选合适的电路进行组合。硬件部分由220V输入，24V输出变压器、桥式整流电路、π型RC滤波电路、带有运放的串联调整型晶体管稳压电路组出核心模拟电路部分，由单片机、D/A芯片MAX508、A/D芯片MAX197组成数控电路，外围电路包括数码管显示部分、按键部分、保护电路部分。软件部分利用单片机语言编程，控制D/A数据输出和A/D转换数据的接收，通过接收反馈电压，对输出进行调整并显示输出电压。 系统功能的实现主要由稳压调整部分和单片机控制部分。运放LM324的正端接D/A输出的基准电压，负端接反馈电压，单片机控制基准电压的输出，同时根据反馈电压来调整基准电压的大小。基本过程：用户输入所需电压，根据所需电压计算D/A的输出，通过稳压电路稳定输出，同时反馈输出电压给单片机。单片机根据反馈电压的大小，与基准电压比较并调整，同时判断输出是否达到要求。 系统在芯片供电方面和软件设计方面存在不足，造成费用较高，系统反应时间较长。 令狐采学 令狐采学 参考文献 1 黄珍贵.基于D/A转换器的程控电源设计.沈阳工业学院学报,2004.3, 12～16 2 周加超.直流稳压电源的演变过程.科技情报开发与经济,2005.3, 25～27 3 贺洪江.一种高精度数控直流电源的设计.河北建筑科技学院学报, 2000.1,33～39 4 程晓玲,数字给定式稳压电源的设计,天津轻工业学院学报 ,2003.2 45～46 5 程杰宝,实用高效率直流稳压电源.实用电子制作,2003.5,25～26 6 陈希.可网络化管理的高精度多路数控直流电源.浙江师范大学学报, 2005.3,23～26 7 樊俊峰.新型分布式直流电源系统（硕士学位论文）.河海大学, 2003.3,5～11 8 朱艳萍.软开关高功率因数“绿色”开关电源研究（硕士学位论文）. 燕山大学,2003.3,31～34 9 张毅刚，彭喜元，姜守达. 新编MCS-51单片机应用设计. 哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社，2003，25~26,29~50,53~67,203~213,322~376 10 周志敏，周纪海. 开关电源实用技术设计与应用.人民邮电出版社，2003，1～16 11 康华光,陈大钦,电子技术基础模拟部分.高等教育出版社,1999，443-467 12 曲学基，王增福，曲敬凯.稳定电源基本原理与工艺设计，电子工业出版社，2004，142～200 13 何希才，张名莉.新型稳压电源及应用实例，电子工业出版 令狐采学 令狐采学 社，2004.5，1～54 14 段九州.电源电路实用设计手册，辽宁科学技术出版社，2002.8，1～41 令狐采学 令狐采学 附录1 MAX508引脚图如图： 附录2 令狐采学 令狐采学 整体电路图： 令狐采学 令狐采学 附录3 LM324引脚图： MAX197 引脚图： 令狐采学 令狐采学 致谢 在我的毕业论文将要完成的时候，想要说的感谢很多。这篇并不太长的论文，不仅使我想到近半年来的艰辛工作，三年来的寒窗苦读，更是我人生最重要的一段时间的一个句号 首先要感谢杨静老师。课题在选题及研究过程中得到杨老师的悉心指导。杨老师多次为我指点迷津，帮助我开拓研究思路，精心点拨、热忱鼓励。杨老师一丝不苟的作风，严谨求实的态度，踏踏实实的精神，不仅授我以文，而且教我做人，使我终生受益无穷。对杨老师的感激之情是无法用言语表达的。 其次，我要感谢在座的各位老师。在座的各位老师的各位老师不但在大学三年里教会了很多知识和技能，使我顺利完成了毕业设计任务，而且更重要的是教会了我怎样做人，我想这些都会让我受益终身。在此我表示衷心的感谢！ 最后，我要感谢我的母校,感谢她这三年来的培育! 令狐采学 因篇幅问题不能全部显示，请点此查看更多更全内容