1、畢業設計（論文）直流穩壓電源設計 系 別： 電子信息工程系 班 級： 2012 姓 名： 吳鵬 輔導老師：楊靜 摘 要在各種電子實驗中，電源是最基本的需要。設計出一種高精度的可調輸出的電源不但能滿足不同電子實驗的要求，而且能滿足在同一實驗中需要使用不同的電壓值來測試的要求。本文設計了一種高精度程控穩壓電源。該電源的功能由硬件和軟件兩方面來實現。硬件方面包括變壓器、整流電路、濾波電路、穩壓電路、反饋電路、保護電路、程控電路、顯示電路以及支持單片機運行的復位和時鐘電路。市電220V電壓通過變壓器流入系統，經過整流、濾波后變成近似的直流電壓，再經過穩壓部分穩壓后獲得穩定的直流輸出。穩壓部分由達林頓管

2、作為調整管，由運放作為反饋取樣之后的放大電路，利用放大電路來提高調整管的反應靈敏度電壓穩定性。軟件方面，使用單片機語言編程，控制程控部分，即：單片機，D/A、A/D部分。該部分作用是控制穩壓電路部分的基準電壓的輸出與調整，同時實現高精度的輸出，并且控制數碼管顯示輸出電壓。整個電路的設計就是在綜合考慮各個模塊現有的電路的基礎上，選擇最佳電路來實現設計目標的。關鍵詞直流穩定電源；整流；濾波；程控；D/A；A/D目 錄摘 要IAbstractII第1章 緒論11.1 課題背景11.2電源技術的發展趨勢11.3 電源技術存在的問題2第2章 穩壓電源整體設計32.1整流電路32.1.1 單相半波整流電路

3、3單向全波整流電路42.1.3 橋式整流電路42.2 濾波電路52.2.1 電容濾波電路6電感濾波器72.3 穩壓電路82.3.1 穩壓電路的指標82.3.2 穩壓管基本應用電路92.3.3 串聯反饋型晶體管穩壓電路10第3章 硬件部分外圍電路設計153.1 程控部分153.1.1 8051單片機153.1.2 D/A和A/D芯片153.1.3 單片機外圍電路173.2數碼管顯示電路183.3 按鍵電路193.4 保護電路193.4.1 用穩壓管保護193.4.2 二極管組成得過流保護電路20第4章 系統軟件設計2141 系統核心指令系統214.2 軟件系統流程21第5章 實驗設計中的不足25

4、結 論26參考文獻27附錄128附錄229附錄330致謝31第1章 緒論1.1 課題背景電子設備都需要良好穩定的電源，而外部提供的能源大多數為交流電源，電源設備擔負著把交流電源轉換為電子設備所需的各種類別直流電源的任務，轉換后的直流電源應具有良好的穩定性，當電網或負載變化時，它能保持穩定的輸出電壓，并具有較低的紋波。我們通常稱這種直流電源為穩壓電源2。但有時提供的直流電壓不符合設備要求，仍需變換，稱為DC/DC變換。常規的穩壓電源為串聯調整線性穩壓電源，它通常由50Hz工頻變壓器、整流器、濾波器、串聯調整線性穩壓器組成。調整元件工作在線性放大區，流過的電流是連續的，調整管上損耗較大的功率，需要

5、體積較大的散熱器，因此該種電源體積大，且效率低，通常僅為3560。同時承受過載能力較差，但是它具有優良的紋波及動態響應特性。開關電源是利用現代電力電子技術，通過控制開關晶體管開通和關斷的時間比率，維持穩定輸出電壓的一種電源。開關電源處于電源技術的核心地位，它主要分為AC/DC和DC/DC兩大類。開關電源去除了笨重的工頻變壓器，代之以幾十kHz、幾百kHz甚至數MHz的高頻變壓器。由于調整管工作在開關狀態，因而功率損耗小，效率高。目前，開關電源技術向著輕、小、薄、低噪音、高可靠、抗干擾的方向發展。新器件和新拓撲理論的出現使得開關電源日趨可靠、成熟、經濟、適用。1.2電源技術的發展趨勢新型半導體器

6、件的發展使開關電源技術進步的龍頭。目前正在研究高性能的碳化硅半導體器件，一旦開發成功，對電源技術的影響將是革命性的。此外，平面變壓器，壓電變壓器及新型電容器等元件的發展，也將對電源技術的發展起到重要作用。集成化是電源技術的一個重要的發展方向。通過控制電路的集成，驅動電路的集成以及保護電路的集成，最后達到整機的集成化生產。集成化和模塊化減少了外部連線和焊接，提高了設備的可靠性，縮小了電源的體積，減輕了重量。高頻開關電源的發展趨勢更是向著高頻化、模塊化、數字化、綠色化的方向發展。開關電源技術因應用需求不斷向前發展,新技術的出現又會使許多應用產品更新換代,還會開拓更多更新的應用領域。開關電源高頻化、

7、模塊化、數字化、綠色化等的實現,將標志著這些技術的成熟,實現高效率用電和高品質用電相結合。這幾年,隨著通信行業的發展,以開關電源技術為核心的通信用開關電源,僅國內有20多億人民幣的市場需求,吸引了國內外一大批科技人員對其進行開發研究。開關電源代替線性電源和相控電源是大勢所趨,因此,同樣具有幾十億產值需求的電力操作電源系統的國內市場正在啟動,并將很快發展起來。還有其它許多以開關電源技術為核心的專用電源、工業電源正在等待著人們去開發51.3 電源技術存在的問題隨著半導體技術和微電子技術的高速發展，集成度高、功能強大的大規模集成電路的不斷出現，使得電子設備的體積在不斷地縮小，重量在不斷地減輕，所以從

8、事這方面研究和生產的人們對開關穩壓電源中的開關變壓器還感到不是十分理想，他們正致力于研制出效率更高、體積更小、重量更輕的開關變壓器或者通過別的途經取代開關變壓器，使之能夠滿足電子儀器和設備微小型化的需要，這是從事開關穩壓電源研制的科技人員目前正在克服的一個困難。 開關穩壓電源的效率是與開關管的變換速度成正比的，并且開關穩壓電源中由于采用了開關變壓器以后，才能使之由一組輸入得到極性、大小各不相同的多組輸出。要進一步提高開關穩壓電源的效率，就必須提高電源的工作頻率。但是，當頻率提高以后，對整個電路中的元器件又有了新的要求。例如，高頻電容、開關管、開關變壓器、儲能電感等都會出現新的問題。進一步研制適

9、應高頻率工作的有關電路元器件，是從事開關穩壓電源研制科技人員要解決的第二個問題。   工作在線性狀態的線性穩壓電源，具有穩壓和濾波的雙重作用，因而串聯線性穩壓電源不產生開關干擾，且波紋電壓輸出較小。但是在開關穩壓電源中的開關管工作在開關狀態，其交變電壓和電流會通過電路中的元件產生較強的尖峰干擾和諧振干擾。這些干擾就會污染市電電網，影響鄰近的電子儀器及設備的正常工作。隨著開關穩壓電源電路和抑制干擾措施的不斷改進，開關穩壓電源的這一缺點得到了一定的克服，可以達到不妨礙一般的電子儀器、家用電器的正常工作的程度。但是在一些精密電子儀器中，由于開關穩壓電源的這一缺點，卻使它得不到使用

10、。所以，克服開關穩壓電源的這一缺點，進一步提高它的使用范圍，是從事開關穩壓電源研制科技人員要解決的第三個問題。第2章 穩壓電源整體設計在電子電路中，通常都需要電壓穩定的直流電源供電。小功率穩壓電源的組成可以用圖2-1表示，它是由變壓器，整流，濾波，和穩壓電路等四個部分組成。圖 2-1直流穩壓電源組成框圖電源變壓器是將交流電網220V的電壓變為所需要的電壓值，然后通過整流電路將電壓變成脈動的直流電壓。由于此脈動的直流電壓還含有較大的紋波，必須通過濾波電路加以濾除，從而得到平滑的支流電壓。但這樣的電壓還隨電網電壓波動（一般有正負10%左右的波動），負載和溫度的變化而變化。因而在整流、濾波電路之后，

11、還需接穩壓電路。穩壓電路的作用是當電網電壓波動、負載和溫度變化時，維持輸出直流電壓的穩定。當負載要求功率較大，效率較高時，常采用開關穩壓電源6。2.1整流電路 單相半波整流電路 單相半波整流電路是最簡單的整流電路，圖2-2是單相半波阻性負載的整流電路。 圖2-2 單相半波整流電路電路中，T為變壓器，其作用是將市電220V的交流電壓變成所需要的直流電壓，VD是整流二極管，其作用是方向變化的交流電變為單相的脈動直流。 輸出直流電壓的平均值，即直流電壓V0可按下式求出 (2-1)半波整流電路的優點是結構簡單，使用的元器件少。但缺點是輸出的波形脈動大，直流成分比較低；變壓器有半個周期不導電，利用率低；

12、變壓器電流含有直流成分，容易飽和。所以只能用在輸出功率較小、負載要求不高的場合。單向全波整流電路 單向全波整流電路如圖2-3所示。 圖2-3 單相全波整流電路全波整流電路接入濾波電容C，其充放電過程與半波整流相同，但由于V21和V22輪流通過VD1和VD2向電容C充電，所以輸出電壓的脈動比半波整流時小。 橋式整流電路 橋式整流電路如圖2-4所示。橋式整流電路的電壓可作如下估算。整流元件仍認為是理想的，在純電阻負載條件下，電壓的順時值為： (2-2)負載直流電壓平均值為 (2-3) 圖2-4 橋式整流電路每個二極管截止時的反向電壓相同，為V2的幅值。即： (3-4)導通二極管的電流平均值為負載電

13、流平均值的一半，最大值與負載電流最大值相同。綜上，橋式整流電路的特點是：與半波整流電路相比，在V2,RL相同的條件下，輸出的直流電壓提高了一倍；電流脈動程度減小；變壓器正負半周都有對稱電流流過，既得到充分利用，又不存在單向磁化的問題。所以它的應用較為廣泛。但是需要4個整流二極管，線路稍復雜。以上簡單介紹了幾種整流電路，根據其優缺點的判斷，所以在我的設計中采用了橋式整流電路。一方面，能使電能得到充分利用，另一方面，由于有現成的整流橋集成元件，設計起來也比較方便。2.2 濾波電路交流電經整流電路后可變為脈動直流電流，其中含有較大的交流分量，為了使設備能用上純凈的直流電，還必須用濾波電路濾除脈動電壓

14、中的交流成份。濾波電路一般由電抗元件組成，如在負載電阻兩端并聯上電容器C，或在負載中串聯上電感器L，或由電容，電感組合而成的各中復式濾波電路。 電容濾波電路 電容濾波就是在整流電路后面,用大量的電解電容與負載并聯例如以橋式電路為例,整流濾波電路如圖2-5所示: 圖2-5電容濾波電路電容濾波電路簡單，制作方便。但是它的輸出電流不宜太大，而且要求輸出電壓的脈動成分較小時，必須增加電容器的容量，因此電路的體積大也不經濟。為此，RC-型濾波電路在實際電路中經常使用。RC-型濾波電路如圖2-6所示：它實際上就是在電容濾波的基礎上再加上1級RC濾波電路構成的。采用這種濾波電路可以進一步降低輸出電壓的脈動系

15、數。但是，這種濾波電路的缺點是在R上有直流壓降，因而必須提高變壓器次級電壓；因而整流管的沖擊電流仍然比較大；同時，由于R產生壓降，外特性比電容濾波更軟。所以這種電路只適用于小電流的場合。圖2-6 RC-型濾波電路電感濾波器 利用電感具有阻止電流變化的特點，在整流電路的負載回路中串聯電感L，如圖2-7所示，即構成電感濾波電路。 圖2-7 電感濾波電路當整流后的脈動電流增大時，電感L將產生反電勢L(di/dt)，阻止電流增大；相反，當電流減小時，電感L將阻止電流減小，從而使負載電流脈動成分大大降低，達到濾波的目的。 由于電感交流電阻很大，而直流電阻很小，輸出直流分量在電感上損失很小，所以它適用于負

16、載電流比較大的場合，而且外特性較好，即負載電流變化時，輸出直流電壓變化較小，另外，電感濾波的二極管導通角不會減小，避免了浪涌電流的產生。為了進一步改善濾波效果，可以采用LC濾波電路，它是在電感濾波電路的基礎上，再在負載電阻RL上并聯電容器C，如圖2-8所示 圖2-8 LC型濾波電路不難看出，當L 值很小，或RL很大時，該電路和電容濾波電路很類似，呈現電容濾波的特點，為了保證整流二極管的導電角仍為180度，一般要求L值很大，對基波信號而言應滿足RL<3。 LC濾波電路中輸出電壓中的基波分量應由jL和RL/(1/C)分壓得到，所以輸出電壓的脈動成分比僅用電感濾波時更小；而負載電流變化時均能有

17、良好的濾波效果，所以說他對負載的適應性比較強。 在大功率輸出的電源穩壓電路中，由于輸出電流較大，為了減少功率損耗，一般不用電阻做濾波器件，經常使用的是LC元件構成的型濾波電路。為了增大電感量，一般來說，L選用鐵心電感，C選用電解電容，如圖2.10所示： 圖2-10 型LC濾波電路2.3 穩壓電路 經過整流和濾波后的直流電壓，會由于交流電網電壓的波動以及負載電阻的變動而發生變化。在絕大多數情況下，這種輸出電壓的變化波動顯得太大，仍需要進一步對其穩定，這就需要采用穩壓電路。通常，完整的穩壓電源電路包括有整流、濾波、和穩壓電路。下面就穩壓電路作一下介紹。 穩壓電路的指標 衡量穩壓器的性能有許多指標，

18、例如額定輸出電壓、電流和電壓調節范圍等，這屬于特性指標；穩壓系數、等效內阻、紋波電壓（即交流電壓分量）等屬于質量指標。自動化程度，用來說明維護人員離開時，例如，是否具有自動開機、停機性能，故障檢測等。經濟指標，主要有效率和功率因數等。下面簡單介紹下質量指標。 1 穩壓系數 當負載電流一定時，輸出電壓的相對變化量與輸入電壓的相對變化量之比稱為穩壓系數，即：(=額定值) （2-5） 上式中，為穩壓系數；為穩壓器的額定輸出電壓；為穩壓器額定輸入電壓；為輸出電壓的變化量；為輸入電壓的變化量；為負載電流。 另外還有以的倒數S為標準，稱S1/為穩定系數的。 2 等效電阻 又稱為動態電阻，是包括整流、濾波和

19、穩壓在內的等效電阻。當保持不變時，輸出電壓增量與輸出電流增量之比稱為等效內阻：（額定值） （2-6） 上式中，為正值，由于電流增加（增量為正）時其兩端電壓受內阻影響要下降（增量為負），故上式中加了個“”號，使得為正值。通常穩壓器在額定范圍內使用時，約在1.5以下。 3 紋波電壓 紋波電壓就是疊加在輸出直流電壓上的交流電壓分量，通常經濾波及穩壓后，它的數值在幾毫伏以內，以不影響電子設備工作為準。可用一個容量較大的電容器與交流毫伏表串聯進行測量，此電容是隔直流用的8。2.3.2 穩壓管基本應用電路硅穩壓管也稱為齊納二極管，其伏安特性如圖所示。從伏安特性可以看到，當流過穩壓管的電流在一個較大范圍內變

20、化時，穩壓管兩端的電壓幾乎不變。穩壓管的這一特性將穩壓管和負載并聯，若能保證穩壓管中的電流在一定范圍內，則負載電壓就能在一定程度上得到穩定，因此，穩壓電路的關鍵就是限定穩壓管中的電流。因為如果工作電流太小，則電壓隨電流的變化很大，達不到穩壓的目的；但工作電流也不能太大，以免超過管子的額定功率，造成損壞。小功率穩壓管的工作電流大致幾毫安至幾十毫安，大功率的穩壓管可到幾安培到十幾安培。 圖2-12是由穩壓管構成的基本穩壓電路：圖2-12 穩壓管穩壓電路電路中，R決定了向穩壓管和負載輸送電流的總量，起著限流和調壓的作用，穩壓管起著調節電流的作用。如負載減小，要求更多的電流流過時，通過穩壓管的電流將隨

21、之減小，使基本不變，以保證輸出電壓基本不變。如果不變，但輸入電壓由于電網電壓或元件參數改變而增加時，則將增加，此時也隨之增加，保證基本不變，即基本不變。如果和都變化，則將綜合二者的變化加以調整，只要的變化在它的允許的工作范圍之內，就能保證起到較好的穩壓作用。穩壓管穩壓電路具有線路簡單，調試方便等優點，但輸出電流受穩壓管穩定電流的限制，而且輸出電壓又不能任意調節，穩壓性能不高，只適用于輸出電流小，負載變動不到和穩定性能要求不高的場合，或作為輔助穩壓源。若負載經常變動，要求輸出電壓連續可調，穩定性能好，就要采用晶體管穩壓源。2.3.3 串聯反饋型晶體管穩壓電路串聯反饋型穩壓電路比穩壓管穩壓電路要復

22、雜的多，它是一個閉環反饋系統。所以必須具有執行元件和反饋支路。一般情況下，它包括調整管、取樣電路、基準電壓源及誤差比較放大器等主要部分。調整管是閉環調節系統的執行機構，其余部分都是反饋控制支路所必需的，原理框圖如圖2-13所示。從框圖上可以看出輸入電壓經過調整元件調節之后，變成穩定的輸出電壓。 圖2-13 串聯反饋型穩壓電路框圖取樣電路和基準電壓相比較，并把比較后的誤差信號送放大器，增強反饋控制效果，因為取樣得來得是電壓信號，所以這種電壓源實際上是一個以電壓為調節對象得自動調節系統，其調節模式如圖2.14所示。圖中，為調節系統開環時的電壓傳遞函數，也就是系統開環穩壓系數；為執行機構在系統閉環時

23、的電壓傳遞函數，也就是調整管電路的電壓放大倍數；K時誤差放大器開環電壓放大倍數；n為取樣電路的電壓傳遞系數，也就是取樣分壓器的分壓比。根據調節原理可知，該系統的調節函數為： （2-9）由此可知，無論輸入電壓波動還是負載變化對輸出電壓的影響，反饋系統是開環系統的1/（1+*K*n）倍，更具體點說，就是反饋調整型穩壓電源在電網電壓調整率、負載調整率等主要技術性能方面，都是以硅穩壓二極管穩壓電源為代表的參數型穩壓電源的（1+*K*n）倍，這就是反饋調整型穩壓電源比參數型穩壓電源應用得更普遍得主要原因。 圖2-14 串聯反饋型穩壓電路調節模式串聯反饋型穩壓電源穩壓原理是調整元件的動態電阻是隨著輸出電壓

24、的變化而自動改變的。其優點是，輸出電壓范圍不受調整元件本身耐壓的限制而且各項技術指標可以做的很高。其缺點是線路比較復雜，過載能力差，順時過載會使調整元件損壞，需要過載保護。因此，串聯反饋調整型穩壓電源廣泛用在負載變動較大，穩壓性能要求較高，輸出電壓可調等場合。（1）簡單的串聯反饋型晶體管穩壓電路 圖2-15是一個最簡單的串聯反饋型晶體管穩壓電路。晶體管VT做調整元件，VD做基準電壓源，它給晶體管發射結提供一個固定的偏壓使其能正常工作。當負載變小或輸入電壓變大，使得負載兩端的輸出電壓增大時，由于基準電壓不變，所以晶體管的基極電位也不變，那么集射極電壓（）將減小，從而減小，管壓降增大，使輸出電壓減

25、少，抵消了由于電網電壓增加或負載減小引起的的增加，使輸出電壓保持基本不變。如果當輸入電壓減小或負載增大，使得輸出電壓下降時，調節過程與上述正好相反。 圖2-15 串聯反饋型晶體管穩壓電路從上邊的穩壓過程可以看出，當輸入電壓增大或負載變小時，這種穩壓電路是通過輸出電壓的變化反過來控制調整管VT的管壓降，從而使輸出電壓保持不變，以達到自動穩壓的作用，這實際是一種負反饋，所以這種電路叫做串聯反饋型穩壓電路。 該電路存在兩個問題：其一，該電路是用輸出電壓的變化部分直接去控制調整管的基極，故控制作用小，穩壓性能較差；其二，輸出電壓固定不可調。（2） 帶有放大器的串聯反饋型晶體管穩壓電路 簡單的反饋型晶體

26、管穩壓電路，是直接利用輸出電壓的變化量來控制調整管的電壓變化的所以其靈敏度和電壓穩定性都不夠理想。采用帶放大器的穩壓電路，可以彌補這些不足。圖2.16是一個帶有放大器的典型電路，圖中VT1是調整管，接成射極輸出器的形式，負載電阻是它的射極電阻。R1、R2與并聯組成分壓器，起到取出輸出電壓的作用，叫做取樣電路。VD是硅穩壓二極管，它與限流電阻R3一起組成基準電壓源。VT2是比較放大器，R4是它的集電極電阻，同時也是管的偏流電阻。晶體管把從取樣電路送來的輸出電壓上升或下降的變化信號與基準電壓相比較，并把比較結果產生的差值電壓（或者叫做誤差電壓）加以放大，以此來控制調整管的管壓降，從而使輸出電壓基本

27、保持穩定。因為放大器的作用，很小的輸出電壓的變化，反應到調整管上就有比較大的變化，大大提高了調整管的靈敏度，提高的輸出電壓的穩定性。 圖2-16 帶有放大器的串聯反饋型晶體管穩壓電路當輸入電壓下降或負載增大時，輸出電壓減小，取樣電壓相應的減小，管基極電位也隨之減小，因為硅穩壓管兩端的電壓基準不變所以管的基射極之間的電壓（-）減小，于是管的集電極電流減小，R4兩端的壓降變小，迫使調整管的基射極間的電壓（-）增大，增大，管的壓降下降，結果使得輸出電壓（-）上升，從而使輸出電壓基本恢復到原來的數值。同理，當輸入電壓上升或負載變小時，升高，當經過反饋調整作用又會使下降，從而使輸出電壓基本保持不變。 以

28、上是對直流穩壓電源的核心技術進行的介紹。本次畢設題目是高精度程控穩壓電源，硬件核心就是以上介紹的三個部分。首先，利用變壓器進行市電到所需電壓的轉變，在設計中采用220V24V的變壓器，將市電電壓降低，之后采用橋式整流電路，對電壓進行整流。一方面，橋式電路使用方便簡單，另一方面，有現成的集成元件可用。濾波方面采用簡單的型RC濾波電路即可。因為設計的電路比較簡單，且直流要求較強，所以選用型RC濾波電路。穩壓方面選用串聯反饋型穩壓電路，在比較放大方面選用集成運方代替晶體管，使得電路更加方便，簡單，而且穩定可靠。核心電路如圖217所示：圖2-17 核心電路圖第3章 硬件部分外圍電路設計外圍電路包括程控

29、部分（包括D/A和A/D數據轉換部分），保護電路部分，數碼管顯示部分，按鍵控制部分。其中，程控，D/A和A/D是系統的調整核心部分，基準電壓的輸出和反饋電壓的接受與調整都是靠它們來完成。保護電路是保護硬件部分安全的，確保硬件不會因電流過大而毀掉。顯示部分是反饋給人信息的部分，通過它可以用來調整所需電壓，而且可以知道輸出的是否是自己的所需。3.1 程控部分本設計采用了AT89C51作為系統的核心。通過控制D/A轉換來輸出基準電壓，通過控制A/D轉換來讀取反饋電壓，并自動調整D/A的輸出來使輸出電壓穩定，達到程控穩壓的目的。3.1.1 8051單片機AT89C51是一種帶4K字節閃爍可編程可擦除只

30、讀存儲器（FPEROMFlash Programmable and Erasable Read Only Memory）的低電壓，高性能CMOS8位微處理器，俗稱單片機。單片機的可擦除只讀存儲器可以反復擦除100次。該器件采用ATMEL高密度非易失存儲器制造技術制造，與工業標準的MCS-51指令集和輸出管腳相兼容。由于將多功能8位CPU和閃爍存儲器組合在單個芯片中，ATMEL的AT89C51是一種高效微控制器，為很多嵌入式控制系統提供了一種靈活性高且價廉的方案。3.1.2 D/A和A/D芯片在設計中，需要將數字量轉換成模擬量來控制穩壓電路的輸出，同時，也需要將模擬量轉變成數字量來反饋輸出的狀態

31、，送單片機處理，進行控制。這就需要D/A和A/D芯片。D/A轉換器的指標很多，我們最關心的是 ：分辨率，指輸入單位數字量變化引起的模擬量輸出的變化，是對輸入量變化敏感程度的描述；建立時間，是描述轉換速度快慢的一個參數，用于表明轉換速度；轉換精度，理想情況下，精度與分辨率基本一致，位數越多精度越高。但由于電源電壓、參考電壓、電阻等各種因素存在誤差。嚴格講精度與分辨率并不完全一致，只要位數相同，分辨率則相同，但相同位數的不同轉換器精度會有所不同。本次設計所使用的D/A轉換器是MAX508，它是美國美信公司生產的具有內部參考，電壓輸出型2位D/A轉換器。轉換電壓具有相同參考極性，允許但電源工作，內部

32、包含一個BURIEDZENER參考電源，積分轉換器（DAC），電壓輸出放大器。 A/D轉換其（ADC）的作用就是把模擬量轉換成數字量，以便于計算機處理進行處理。根據A/D轉換器的原理可將A/D轉換器分為兩大類。一類是直接型A/D轉換器，另一類是間接型A/D轉化器。在直接型A/D轉換器中，輸入的模擬電壓被直接轉換成數字代碼，不經任何中間變量；在間接型轉換器中，首先把輸入的模擬電壓轉換成某種中間變量（時間、頻率、脈沖寬度等等），然后在把這個中間變量變換為數字代碼輸出。盡管A/D轉化器的種類很多，但目前應用較廣泛的主要有以下幾種：逐次逼近式轉換器、雙積分式轉換器、式A/D轉換器和V/F轉換器。本次設

33、計所使用的芯片是MAX197，它是美國美信公司生產的多量程、12位數據采集（ADC）,芯片工作電壓僅為5伏；即接收高于電源電壓的模擬信號，又可以接收低于地電位的模擬信號；芯片有8個獨立的模擬輸入通道；對輸入的模擬信號提供了四個可編程輸入量程；伏，伏，0到5伏，0到10伏，四個量程將有效的動態輸入范圍增加到14位；為420毫安信號和由伏或供電的傳感器到單5伏系統提供了靈活的接口；變換器的耐壓容限達到了 伏、該模/數轉換器具有5MHZ帶寬，100K SPS的吞吐率，由軟件控制選擇內/外部時鐘，由軟件控制內/外部啟動采集，84并行數據接口，內部4.096伏或外供參考電壓。硬件的SHDN腳和兩個軟件可

34、編程位（STBYPD、FULLPD）用來提供轉換過程中的低電流關斷模式。MAX197具有標準的微處理器接口，8位數據總線構成了三態數據I/O口，數據存取與總線釋放時序特性與常規微處理器芯片兼容，其邏輯輸入輸出皆與TTL或CMOS邏輯電平兼容。本次設計所使用的MAX197為DIP28引腳的封裝形式，其引腳包括數據輸出線，片選控制線，電源以及地端，還有8個模擬輸入通道，具體引腳見附錄中的總體電路圖。本次設計采用ATC8051，用其P0口作為數據的輸入輸出口，在D/A轉換階段用于輸出D/A轉換的數據，在A/D轉換階段，用于接收MAX197的輸出數據。MAX508和MAX197共用P0口，構成數據總線

35、。采用兩條處理語句來分別傳送數據的高四位和低八位。P2口高四位用于控制MAX508，其低四位用于控制MAX197，構成地址總線。通過地址的不同來控制對哪一個芯片進行操作。MAX508的輸出作為基準電壓，接在運放的正端，MAX197接取樣電路，取樣為輸出的1/8，轉換后作為輸出的比較進行智能調整，以得到穩定的電壓輸出。MAX197端接單片機的端，單片機中采用查詢方式，查詢端是否有標準中斷信號，來判斷MAX197是否轉換完成。3.1.3 單片機外圍電路單片機的外圍電路包括復位和時鐘電路，這兩個電路是單片機正常工作的保證。復位電路通常采用上電自動復位和按鈕復位兩種方式。如圖所示圖3-1 上電復位電路

36、 圖3-2 按鈕復位電路最簡單的是上電復位點路，本次用的就是上電自動復位。上電自動復位是通過外部復位電路的電容充電里實現的。只要Vcc的上升時間不超過1ms,，就可以實現自動上電復位。當時鐘頻率選用6MHz時，C取22uF，R取1K。時鐘電路時鐘是單片機的心臟，單片機各功能部件的運行都是以時鐘頻率為基準，有條不紊的一拍一拍地工作。因此，時鐘頻率直接影響單片機的速度，時鐘電路的質量也直接影響單片機系統的穩定性。常用的時鐘電路有兩種方式：一種是內部時鐘方式，另一種為外部時鐘方式。MCS-51單片機內部有一個用于構成振蕩器的高增益反相放大器，該高增益反相放大器的輸入端為芯片引腳XTAL1，輸出端為引

37、腳XTAL2。這兩引腳跨接石英晶體振蕩器和微調電容，就構成一個穩定的自激振蕩器。3.2數碼管顯示電路本電路采用的是LED顯示器發光二極管LED由半導體材料磷砷花鎵或碳化硅等制作成PN結，當正向偏置時，電流加大，由于電子和空穴復合釋放出熱量而發光。LED的正向工作壓降為1.22.6V，發光工作電流在5mA到20mA之間，發光強度與正向電流成比例，故電路必須串聯適當的限流電阻。最常見的是七段碼LED數碼顯示器，有共陰極和共陽極兩種連接法，如圖3-3所示，它有靜態顯示和動態顯示兩種，本電路采用動態顯示方式。本設計中，采用LED動態顯示的方法，由串行口輸出段選碼和位選碼。實現顯示功能。圖3-3 數碼管

38、結構圖及接線方法3.3 按鍵電路常用的鍵盤接口分為獨立式按鍵和矩陣式鍵盤接口。1.獨立式按鍵接口 獨立式按鍵就是各按鍵相互獨立，每個按鍵各接一個輸入線，一根輸入線上的按鍵工作狀態不會影響其他輸入線上的工作狀態。因此，通過檢測輸入線的電平狀態可以很容易判斷哪個按鍵被按下了。獨立式按鍵電路配置靈活，軟件簡單。當每個按鍵需占用一根輸入口線，在按鍵數量較多時，需要較多的輸入口線且電路結構復雜，故此種鍵盤適合用于按鍵較少或者操作速度較高的場合。按鍵直接與8031的I/O口線相接，通過讀I/O口，判定各I/O口線的電平狀態，即可識別出按下的按鍵。2.按鍵的確認 鍵的閉合與否，反映在行線輸出電壓上就是呈現出

39、高電平或低電平，如果高電平表示斷開的話，那么低電平則表示鍵閉合，所以通過對行線電平的高低狀態的檢測，便可確定鍵按下的與否。為了確保CPU對一次按鍵動作之確認一次按鍵，必須消除抖動的影響。3如何消除按鍵抖動 消除按鍵抖動通常采用硬件、軟件兩種方法：硬件消除按鍵抖動一般采用雙穩態消抖電路；軟件消除按鍵抖動如果按鍵較多，硬件消抖將無法勝任，因此常采用軟件的方法進行消抖。在第一次檢測到有按鍵按下時，執行一段延時10ms的子程序后再確認該案件抖動時否認保持閉合狀態電平，如果保持閉合狀態電平則確認為真正有按鍵按下，從而消除了抖動的影響。3.4 保護電路保護功能的作用是：在穩壓電路正常工作的情況下，保護電路

40、對穩壓電路基本上沒有影響。當電路發生異常時，保護電路起作用。穩壓電源的保護功能基本上有兩種，其一，過流或短路保護，這是為防止穩壓電源輸出過載或短路時流過調整管的電流過大而造成調整管損壞。其二，過電壓保護，這是為了防止穩壓電源出現異常時輸出過大電壓而損壞伏在。另外，還有過熱保護。3.4.1 用穩壓管保護電路如圖3.1所示：電路中的R為檢測電阻，用以檢測輸出電流的大小，D為低壓硅穩壓管，可以在必要的時候對調整管基極電流起到分流的和限制的作用。當輸出電流小于一定值時，*R<,穩壓管D的外加電壓小于其反向擊穿電流，D截至，對整個電路不起無影響；當輸出電流大于設定值時，*R，該穩壓管被擊穿，起到穩

41、壓作用，使得 *R穩定值，并不再起變化。 圖3-1 穩壓管保護電路此時，限制穩壓管得最大輸出電流為（-）/R.。式中為保護穩壓管得穩定值，為調整管發射結正電壓，R為檢測電阻。對于硅管，約等于0.7伏左右，為使R不致損耗太大得輸出功率，其值不應過大，可見也不應過大，通常為12伏左右。3.4.2 二極管組成得過流保護電路電路如圖所示： 圖3-2 二極管組成的過流保護電路為保護管的基極電阻，R為檢測電阻，當檢測電壓R小于保護管發射結導通電壓時和上的壓降時，保護管不工作，在安全范圍內工作；當大于一定值時，R將使保護管導通，其集電極電流為調整管的基極電流分流，使調整管基極電流、集電極電流及輸出電流相應減

42、小，從而起到限制作用。在畢設的電路設計中，取第二種方案，使用過流保護方式，來保護調整管不會被燒掉。第4章 系統軟件設計41 系統核心指令系統指令的表示方法成為指令格式，一條指令通常有兩部分組成，即操作碼和操作數。操作碼用來規定指令進行什么操作，而操作數則是指令操作的對象。操作數可能是一個具體的數據，也可能是指出到哪里取得數據的地址或符號。在該指令系統中有單字節指令、雙字節指令和三字節指令三種不同長度的指令，指令長度不同，指令格式也不同。大多數指令執行時，都需要使用操作數。尋址方式就是在指令中說明操作數所在地址的方法。一般來說，尋址方式越多，功能越強大，靈活性越大，指令系統也就越復雜。該指令系統

43、具有7種尋址方式：寄存器尋址方式；直接尋址方式；寄存器間接尋址方式；立即尋址方式；基址寄存器加變址寄存器間接尋址方式；位尋址方式；相對尋址方式等等。該指令系統大致可分為5類：數據傳送類指令；算術操作類指令；邏輯運算類指令；控制轉移類指令；位操作類指令等等。4.2 軟件系統流程整個軟件系統的核心是D/A變化、A/D變換和數據的比較及調整方面。大體思路是：首先，由用戶通過鍵盤輸入所需要的輸出電壓，在確定后，系統轉換開始，先進行D/A轉換，輸出用戶所需電壓的1/8作為基準電壓，待系統反應結束后，由取樣電路取得輸出電壓的1/8送A/D轉換器，待轉化結束后單片機接受取樣數據，并調用智能比較調整程序，來控

44、制MAX508的輸入數據，從而影響基準電壓。主程序流程如圖4-1所示：圖4-1 主流程圖系統初始化時，屏蔽中斷，設置好MAX197的程序控制字，采用查詢方式查詢端，來判斷A/D轉換是否完成。調用D/A轉換時，首先進行碼制轉換，將BCD碼轉換成二進制碼，然后調用除法程序，根據MAX508的輸出電壓方式，得到12位標準的適合MAX508輸出的二進制碼。由508輸出基準電壓。待MAX197轉換完成，讀取數據到單片機中，調用比較調整程序，自動調整508的輸出，使最終的輸出結果穩定而且達到用戶的需要。D/A程序包括了調用碼制轉換，調用數據調整（即除法程序）及輸出。首先輸出地址，選定MAX508，然后由P

45、0口輸出二進制碼，分兩次輸出，先低后高。程序較簡單，就不畫出流程了。A/D數據接收程序，就是當A/D轉換完成后，由單片機接收轉換結果的程序。首先輸出地址信息，通過MAX197的片選端選定芯片，分兩次通過P0口接收數據，存到特定單元顯示程序，采用動態顯示的方法，由串口輸出段選碼和位選碼，并調用延時，顯示一段時間，然后換下一位顯示。除法程序，除法可以由一系列的減法和移位操作實現，商位是以串行方式獲得的，一次得一位。首先，把被除數得高位與除數相比較，如被除數高位大于除數，則商為1，并從被除數中減去除數，形成一個部分余數；否則商位為0，不執行減法。然后把新得部分余數左移一位，并與除數再次進行比較。循環

46、此步驟，直到被除數的所有位都處理完為止，一般商的字長為n，則需要循環n次這種除法上商前，先比較被除數與除數，根據比較結果決定上商1或0，并且只有在商為1時，才執行減法，所以稱之為比較法。流程如圖4-2所示：除法在本程序中的作用就是用來計算輸出的D/A轉換碼是多少的。就是用戶所需電壓的1/8在MAX508的5伏電壓的量程下，用什么樣的12位二進制數才能表示。 比較調整程序，就是當單片機接收到A/D轉換完成后所送來的反饋結果后，進行比較判斷，來進一步調整D/A的輸出，從而使電壓更加穩定的程序。流程如圖4-3所示：之后，判斷結果是否理想，來決定下一步是返回還是繼續進行D/A變換，繼續調整輸出電壓。第5章 實驗設計中的不足硬件部分采用了多個芯片，但沒找到合適的要求供電一致的芯片，故而使用了多個78系列穩壓芯片為單片機、D/A、A/D等供電，使得系統散熱大，不易于集成化，而且費用較高。改進方法是試著尋找供電一致的芯片或試著由系統自己供電，減少78系列芯片的使用。軟件方面采用查詢方式相應按鍵，會產成相應不及時的問題。在D/A和A/D數據處理時采用了除法子程序，處理時間比較長。在數據處理方面占用的大量的數據存儲空間，而且程序編寫出來比較復雜。同時匯編語言編譯器的糾錯功能不是很強大，造成了軟件調試困難。以后再開發硬件系統時，除要求對硬件操