【正文】 圖 11 系統(tǒng)硬件框架圖 電源輸出部分（線性穩(wěn)壓可調(diào)或者開關(guān)穩(wěn)壓可調(diào)芯片） MUC 主控芯片 按鍵輸入部分 調(diào)節(jié)電路（運放，DAC 等） LCD 數(shù)字電壓輸出顯示 電子科技大學(xué)成都學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計論文 4 第２章 方案選擇與論證 總體設(shè)計方案 本設(shè)計方案主控芯片為一 MCU，該 MCU起到對按鍵輸入事件進(jìn)行相應(yīng)處理，同時對 LCD 或數(shù)碼管的輸出顯示數(shù)據(jù)進(jìn)行同步更新，并且控制著 DAC 對輸出電壓進(jìn)行調(diào)節(jié)。大致流程為 MCU 對按鍵輸入進(jìn)行相應(yīng)， MCU 更新 LCD 或者數(shù)碼管顯示，以及控制 DAC 進(jìn)行相應(yīng)的輸出， DAC 輸出量再進(jìn)入運放，進(jìn)行差分放大，放大結(jié)果連接至三端穩(wěn)壓芯片可控輸入端進(jìn)行調(diào)節(jié)，最終達(dá)到電壓控制輸出以及步進(jìn)。由于 以上的總設(shè)計方案可選相關(guān)元器件的范圍相當(dāng)寬泛，考慮再三，最終選定兩種方案進(jìn)行取舍。這兩種方案其實現(xiàn)方法大致相同，但各自又有其獨到之處，以下是二種方案的詳細(xì)介紹。 備選方案一 該方案采用方法是在 LM317 標(biāo)準(zhǔn)的應(yīng)用電路上改進(jìn)而成。圖 21 是 LM317標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)用電路圖： 圖 21 LM317典型應(yīng)用 本電路通過對 R2 電位器的調(diào)節(jié)即可改變電壓輸出，穩(wěn)壓電源的輸出電壓可用下式計算， Vo＝ （ 1＋ R2/R1）。僅僅從公式本身看， R R2 的電阻值可以第 2 章 方案選擇與論證 5 隨意設(shè)定。然而作為穩(wěn)壓電源的輸出電壓計算公 式， R1 和 R2 的阻值是不能隨意設(shè)定的。首先 317 穩(wěn)壓塊的輸出電壓變化范圍是 Vo＝ — 37V（高輸出電壓的 317 穩(wěn)壓塊如 LM317HVA、 LM317HVK 等，其輸出電壓變化范圍是 Vo＝ — 45V），所以 R2/R1 的比值范圍只能是 0— 。同時考慮到題目要求輸出電壓范圍為 0~，所以將 GND 端的電壓設(shè)定為 5V。那么其輸出的最小電壓Vmin==，我們可以通過改變其 R2 的阻值使其輸出電壓達(dá)到 5V，那么 Vmin=55=0V,從而達(dá)到設(shè)計要求。對于對其進(jìn)行可調(diào)控制， 即想到使用數(shù)字電位，以下圖 22 是按照設(shè)計要求繪制的電路原理圖： 圖 22 方案一調(diào)節(jié)電路 圖中數(shù)字電位器選用的是具有 100 個抽頭且阻值為 1K 的數(shù)字電位器CAT5113 (最小步進(jìn)阻值為 10 歐 )。為了實現(xiàn)從 0V 開始步進(jìn)，且步進(jìn)精度達(dá)到 。我們將 LM317 標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)用電路中的 R2 分為 2 部分，分別有數(shù)字電位器和一個固定阻值為 375 歐的電阻，同時 R1 我們選取固定阻值為 125 歐的電阻。這輸出電壓公式可表 示為： Vout=(1+(RX+RW)/R1)* 公式（ 21） 其中 RX=375 歐， RW 為數(shù)字電位器當(dāng)前阻值， R1=125 歐。 ①當(dāng) RW 當(dāng)前阻值為 0歐時， R2=(RX+RW)=375歐，由公式可算的 Vout= ②當(dāng) RW 當(dāng)前阻值為 10 歐時，此時 R2=385 歐，帶入公式可得出 Vout= ③當(dāng) RW 當(dāng)前阻值為 100 歐時，此時 R2=475 歐，帶入公式可得出 Vout= ④當(dāng) RW 當(dāng)前阻值為 990 歐時，此時 R2=1365 歐，帶入公式可得 Vout= 至于數(shù)字電位器控制部分，數(shù)字顯示以及按鍵部分可有單片機統(tǒng)一進(jìn)行控制，該電子科技大學(xué)成都學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計論文 6 部分 可參考附錄系統(tǒng)總原理圖對應(yīng)部分，至于 5V 與 +15V 可由負(fù)輸出三端穩(wěn)壓器 LM7905 和正輸出三端穩(wěn)壓器 LM7815 組成三端穩(wěn)壓電路得到。 備選方案二 該方案采用方法也是在 LM317 標(biāo)準(zhǔn)的應(yīng)用電路上改進(jìn)而成。本方案與方案一相比是不需要采用負(fù)電源做 GND 以調(diào)節(jié)輸出電壓，而是直接對 LM317 電壓可調(diào)端 ADJ 直接進(jìn)行操作。具體的電壓調(diào)節(jié)電路如下圖 23 所示： 圖 23方案二調(diào)節(jié)電路 圖中 L317 的 ADJ 端接至差動放大電路的輸出端，差動放大電路的同向輸入端連接的是 +，該電壓由兩個 1K 的電阻分壓可得。至于反向輸入端則連接至 10 位的數(shù)模轉(zhuǎn)換器 TLC5615 的模擬電壓輸出端，其參考電壓為 +，工作電壓取 +5V，這樣數(shù)模轉(zhuǎn)換器的輸出電壓范圍為 05V。 圖 24 為差動放大電路電路原理圖： 第 2 章 方案選擇與論證 7 圖 24 差分放大電路 由圖可得差動放大電路電壓輸出公式： Vout=(R4/R2)*Vi1+(1+R4/R2)*(R5/(R3+R5))*Vi2 公式（ 22） 當(dāng) Vi1=+5V， Vi2=+5V，要滿足 Vout= 時，經(jīng)過計算 R3 約為 左右，此時 LM317 電壓調(diào)的 電路的電壓在 左右。 Vi2 的電壓值固定為 +5V， Vi1 的電壓值范圍為 05V。所以可得 Vout 的輸出電壓范圍為 到 +。由于數(shù)字電位器為 10 位，完全可達(dá)到輸出電壓精度 的要求，同時再對數(shù)字電位器 TLC5615 的輸入?yún)⒖茧妷弘娐凡糠值?R16電電位器進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)節(jié)，即完全可實現(xiàn) 電壓變化。 至于 DAC TLC5615 控制部分，數(shù)字顯示以及按鍵部分可有單片機統(tǒng)一進(jìn)行控制，該部分可參考附錄系統(tǒng)總原理圖對應(yīng)部分，而正負(fù) 15V，正 5V 的得到可參見線性電源設(shè)計部分。 方案比較與選擇 在對以上兩種方案進(jìn)行認(rèn)真對比與論證之后，最終選定備選方案二作為本次設(shè)計的設(shè)計方案，原因有如下幾點： ① 備選方案一中的電壓步進(jìn)精度調(diào)控范圍過窄，在未知某些情況下可能因其步進(jìn)精度過于接近設(shè)計要求而卻無法達(dá)到設(shè)計要求。而反觀備選方案二，其步進(jìn)電壓的精度比設(shè)計要求精度更小，對于電壓更細(xì)微的變化也以實現(xiàn)。所以綜合考慮覺得選擇備選方案二 ② 備選方案一中采用 5V 作為參考電壓 GND，而三端穩(wěn)壓芯片 LM7905 其輸出電壓本就存在一定的波動性，這對其可調(diào)精度范圍提高了要求。 電子科技大學(xué)成都學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計論文 8 ③ 其三就是 數(shù)字電位器中抽頭的耐壓范圍，以及數(shù)字電位器的 Vdd。參見CAT5113 的 PDF 發(fā)現(xiàn)其抽頭的耐壓范圍最大為 7V，但同時要求 VDD 也要達(dá)到7V，這樣才能大致實現(xiàn) 0~ 的輸出，這些因素都將是造成系統(tǒng)不穩(wěn)定的因素。因此該方案雖然能達(dá)到精度要求，但其控制部分穩(wěn)定性存在一定的問題，所以該方案未能如選。 第 3 章 系統(tǒng)硬件設(shè)計 9 第３章 系統(tǒng)硬件設(shè)計 單片機最小系統(tǒng) 該部分為本電路的核心控制部分，單片機選用的是宏晶公司的 STC89C52，該系列單片機以其加密性強，低功耗，超低價格，高速高可靠，強抗靜電及干擾等特性在微控制領(lǐng)域應(yīng)用相當(dāng) 廣泛。且該單片機程序可直接通過串行通行接口載，十分方便和快捷，下載器電路搭建簡單，下載軟件操作簡單等特點深受好評。以下是該單片機的主要特點及參數(shù)： ● 增強型 6 時鐘 /機器周期， 12 時鐘 /機器周期 8051 CPU ● 工作電壓 （ 5V 單片機） ● 工作頻率范圍： 040MHZ，相當(dāng)于普通 8051 的 080M。實際工作頻率可達(dá)48MHZ ● 用戶應(yīng)用程序空間 8K 字節(jié) ● 片上集成 512 字節(jié) ROM ● 通用 I/O 口（ 32 個）， P0 口做 I/O 口用是需加上拉電阻 ● ISP/IAP，通過串口（ ）直接下載用戶程序 ● EEPROM 功能 ● 3 個 16 位定時器 /計數(shù)器，其中定時器 0 可作為 2 個 8 位定時器使用 ● 外部中斷四路，下降沿中斷或低電平觸發(fā)中斷 ● 通用異步串行口 UART ● 工作溫度范圍 070℃ ● 封裝： PDIP40 圖 31 是根據(jù)以該單片機為核心的最小系統(tǒng)電路圖： 電子科技大學(xué)成都學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計論文 10 圖 31 單片機最小系統(tǒng)電路 線性電源的設(shè)計 本設(shè)計中主控 MCU、 LCD、 TLC5615 以及 LM317 所用的直流電源，是由電網(wǎng)提供的交流電經(jīng)過變壓、整流、濾波和穩(wěn)壓后得到。本線性電源依舊由電 源變壓器、整流電路、濾波電路和穩(wěn)壓電路四部分組成，如圖 32 所示為線性穩(wěn)壓電源電路圖： 第 3 章 系統(tǒng)硬件設(shè)計 11 圖 32 線性電源電路 隨著集成技術(shù)的發(fā)展，穩(wěn)壓電路也迅速實現(xiàn)集成化。目前，集成穩(wěn)壓器已經(jīng)成為模擬集成電路的一個重要組成部分。集成穩(wěn)壓器具有體積小、可靠性高以及溫度特性好等優(yōu)點，而且使用靈活方便、價格低廉，被廣泛的應(yīng)用于儀器、儀表以及其他各種電子設(shè)備中。特別是三端集成穩(wěn)壓器，芯片只引出三個端子，分別接輸入端、輸出端和公共端，基本上不需要外接元件。芯片內(nèi)卻集成可各種保護電路，使使用更安全、可靠。 三端集 成穩(wěn)壓器有固定輸出和可調(diào)輸出兩種不同的類型。其中固定輸出集成穩(wěn)壓器又分為正輸出和負(fù)輸出兩大種類。本線性電源部分設(shè)計采用 ST 公司的固定正輸出三端集成穩(wěn)壓器 L7815 和 L7805，以及固定負(fù)輸出三端集成穩(wěn)壓器L7915。以下是 78XX 系列和 79XX 系列三端穩(wěn)壓器的參數(shù)介紹。 ● LM78XX系列三端穩(wěn)壓器 功能簡介 : 7815 為三端正穩(wěn)壓器電路 ,TO220F 封裝，能提供多種固定的輸出電壓，應(yīng)用范圍廣。內(nèi)含過流、過熱和過載保護電路。帶散熱片時，輸出電流可達(dá) 1A。雖然是固定穩(wěn)壓電路，但 使用外接元件，可獲得不同的電壓和電流。 一般的雙電源（正負(fù)對稱電源）都沒有連續(xù)可調(diào)的功能，給使用帶來不便。用一塊 7815 和一塊 7915 三端穩(wěn)壓器對稱連接，可獲得一組正負(fù)對稱的穩(wěn)壓電源，而且輸出電壓值可各自單獨調(diào)節(jié)，也可同步調(diào)節(jié)。 主要特點 : 過熱保護 ? 短路保護 ? 輸出晶體管 SOA 保護 ? 輸出電壓有： 5V、 6V、 8V、 9V、 10V、 11V、 12V、 15V、 18V、 24V 輸出電流可達(dá) 1A 電子科技大學(xué)成都學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計論文 12 7815 極限值（ Ta=25℃） VI—— 輸入電壓 (VO=5~18V)??????????? 35V (VO=24V)???????????? 40V Rθ JC—— 熱阻（結(jié)到殼）???????????? 5℃ /W Rθ JA—— 熱阻（結(jié)到空氣）?????????? 65℃ /W TOPR—— 工作結(jié)溫范圍??????????? 0~125℃ TSTG—— 貯存溫度范圍?????????? 65~150℃ 封裝以及引腳如圖 33 所示： 圖 33 LM78XX封裝引腳圖 ● LM79XX 系列三端穩(wěn)壓器 功能簡介 : 7915 為三端負(fù)穩(wěn)壓器電路， TO220F 封裝，能提供多種固定的輸出電壓，應(yīng)用范圍廣。內(nèi)含過流、過熱和過載保護電路。帶散熱片時，輸出電流可達(dá) 1A。 一般用 78XX 和一塊 79XX 三端穩(wěn)壓器對稱連接的雙電源（正負(fù)對稱電源）沒有連續(xù)可調(diào)的功能，但是可以外接電阻實現(xiàn)輸出電壓值可各自單獨調(diào)節(jié)。 主要特點 : 過熱保護 短路保護 輸出晶體管 SOA 保護 輸出電壓有： 79XX 系列有 5V、 6V、 8V、 9V、 10V、 11V、 12V、 15V、18V、 24V 輸出電流可達(dá) 1A 7915 極限值（ Ta=25℃） VI—— 輸入電壓 (VO=5~18V)??????????? 35V 第 3 章 系統(tǒng)硬件設(shè)計 13 (VO=24V)???????????? 40V Rθ JC—— 熱阻（結(jié)到殼）???????????? 5℃ /W Rθ JA—— 熱阻（結(jié)到空氣）?????????? 65℃ /W TOPR—— 工作結(jié)溫范圍??????????? 0~125℃ TSTG—— 貯存溫度范圍 ?????????? 65~150℃ 封裝以及引腳如圖 34 所示： 圖 34 LM79XX封裝及引腳圖 電路設(shè)計說明： ⑴整流和濾波電路：整流橋作用是將交流電壓變換成脈動電壓。濾波電路一般由電容組成，其作用是脈動電壓中的大部分紋波加以濾除，以得到較平滑的直流電壓。 ⑵穩(wěn)壓電路：由于得到的輸出電壓受負(fù)載、輸入電壓和溫度的影響不穩(wěn)定，為了得到更為穩(wěn)定電壓添加了穩(wěn)壓電路，從而得到穩(wěn)定的電壓。 ⑶穩(wěn)壓芯片分別采用 LM7815， LM7915， LM7805，同時三端穩(wěn)壓器要加裝散熱器。在 7805 電壓輸出部分安裝上一個發(fā)光二極管作為線性穩(wěn)壓電源指示燈。 電源部分包括： +5V、 ? 15V 兩大部分： ? 15V 電源，其電源電路如圖 32 所示 為了得到較好的濾波效果，一般選擇濾波電容的容量應(yīng)滿足以下關(guān)系式：