【正文】 但均存在以下二個問題: 1) 輸出電壓是通過粗調(波段開關) 及細調(電位器)來調節(jié)。這樣, 當輸出電壓需要精確輸出, 或需要在一個小范圍內改變時 (如 1. 05～ 1. 07V ) ,困難就較大。另外, 隨著使用時間的增加, 波段開關及電位器難免接觸不良 , 對輸出會有影響。2) 穩(wěn)壓方式均是采用串聯(lián)型穩(wěn)壓電路, 對過載進行限流或截流型保護 , 電路構成復雜,穩(wěn)壓精度也不高。在家用電器和其他各類電子設備中，通常都需要電壓穩(wěn)定的直流電源供電。但在實際生活中，都是由 220V 的交流電網(wǎng)供電。這就需要通過變壓、整流、濾波、穩(wěn)壓電路將交流電轉換成穩(wěn)定的直流電。濾波器用于濾去整流輸出電壓中的紋波，一般傳統(tǒng)電路由濾波扼流圈和電容器組成，若由晶體管濾波器來替代，則可縮小直流電源的體積，減輕其重量，且晶體管濾波直流電源不需直流穩(wěn)壓器就能用作家用電器的電源，這既降低了家用電器的成本，又縮小了其體積，使家用電器小型化。傳統(tǒng)的直流穩(wěn)壓電源通常采用電位器和波段開關來實現(xiàn)電壓的調節(jié),并由電壓表指示電壓值的大小. 因此,電壓的調整精度不高 ,讀數(shù)欠直觀,電位器也易磨。隨著科學技術的不斷發(fā)展,特別是計算機技術的突飛猛進,現(xiàn)代工業(yè)應用的工控產(chǎn)品均需要有低紋波、寬調整范圍的高壓電源,特別是在一些高能物理領域 ,急需電腦或單片機控制的低紋波、寬調整范圍的電源。從上世紀九十年代末起，隨著對系統(tǒng)更高效率和更低功耗的需求，電信與數(shù)據(jù)通訊設備的技術更新推動電源行業(yè)中直流/直流電源轉換器向更高靈活性和智能化方向發(fā)展。在 80 年代的第一代分布式供電系統(tǒng)開始轉向到 20 世紀末更為先進的第四代分布式供電結構以及中間母線結構，直流/ 直流電源行業(yè)正面臨著新的挑戰(zhàn)，即如何在現(xiàn)有系統(tǒng)加入嵌入式電源智能系統(tǒng)和數(shù)字控制。早在 90 年代中，半導體生產(chǎn)商們就開發(fā)出了數(shù)控電源管理技術，而在當時，這種方案的性價比與當時廣泛使用的模擬控制方案相比處與劣勢，因而無法被廣泛采用。 由于板載電源管理的更廣泛應用和行業(yè)能源節(jié)約和運行最優(yōu)化的關注，電源行業(yè)和半導體生產(chǎn)商們便開始共同開發(fā)這種名為“數(shù)控電源 ”的新產(chǎn)品。 現(xiàn)今隨著直流電源技術的飛躍發(fā)展, 整流系統(tǒng)由以前的分立元件和集成電路控制發(fā)展為微機控制, 從而使直流電源智能化, 具有遙測、遙信、遙控的三遙功能, 基本實現(xiàn)了直流電源的無人值守 設計的數(shù)控直流穩(wěn)壓電源主要由單片機系統(tǒng)、鍵盤、數(shù)碼管顯示器、D/ A 轉換電路、直流穩(wěn)壓電路等幾部分組成。單片機系統(tǒng)選用 89C51 型號單片機, 內含 4 K 的 ROM。 直流穩(wěn)壓電源是最常用的儀器設備, 在科研及實驗中都是必不可少的。針對以上問題, 我設計了一套以單片機為核心的智能化直流電源。該電源采用薄膜輕觸鍵盤, 可對輸出電壓值進行設置 , 輸出由單片機通過 D/A , 控制驅動模塊輸出一個穩(wěn)定電壓。同時穩(wěn)壓方法采用單片機閉環(huán)控制, 單片機通過 A/D 采樣輸出電壓, 與設定值進行比較, 若有偏差則調整輸出。工作過程中 , 穩(wěn)壓電源的工作狀態(tài)(輸出電壓、電流等各種工作狀態(tài)) 均由單片機輸出驅動 LED 顯示,由鍵盤控制進行動態(tài)邏輯切換。本課題研究一種以單片機為核心的智能化高精度簡易直流電源的設計, 該電源采用數(shù)字調節(jié)、閉環(huán)實時監(jiān)控、輸出精度高, 且兼?zhèn)潆p重過載保護功能, 特別適用于各種有較高精度要求的場合。第 1 章 基礎知識介紹 半導體二極管 二極管原理將 PN 結加上相應的引線和管殼，就成為半導體二極管。按結構分，二極管有點接觸型和面接觸型兩類。二極管既然是一個 PN 結，它當然具有單向導電性，當 外加正向電壓很低時，由于外電場還不能克服 PN 結內電場對多載流子（除少量能量較大者外）擴散運動的阻力，故正向電流很小，幾乎為零。當正向電壓超過一定數(shù)值后，內電場大大削弱，電流增長很快。這個一定數(shù)值的正向電壓稱為死區(qū)電壓，通常硅管的死區(qū)電壓為 ，鍺管約為 。導通時的正向壓降，硅管約為 ～，鍺管約為 ～。在二極管上加反向電壓時，由于少數(shù)載流子的漂移運動，形成很小的反向電流。反向電流有兩個特點：一是它隨溫度的上升增長很快；一是在反向電壓不超過某一范圍時，反向電流的大小基本恒定。而與反向電壓的高低無關。故通常稱它為反向飽和電流。而當外加反向電壓過高時，反向電流將突然增大 ，二極管失去單向導電性，這種現(xiàn)象稱為擊穿。二極管被擊穿后，一般不能恢復原來的性能，便失效了。 二極管的主要參數(shù)： 1 最大整流電流最大整流電流是指二極管長時間使用時，允許通過二極管的最大正向平均電流。點接觸型的二極管的最大整流電流在幾十毫安以下。面接觸型二極管的最大整流電流較大。2 反向工作峰值電壓它是保證二極管不被擊穿而給出的反向峰值電壓，一般是反向擊穿電壓的一半或三分之二。3 反向峰值電流它是指在二極管上加反向工作峰值電壓時的反向電流值。 穩(wěn)壓管穩(wěn)壓管是一種特殊的面接觸型半導體硅二極管。由于它在電路中與適當數(shù)值的電阻配合后能起穩(wěn)定電壓的作用，故稱為穩(wěn)壓管。穩(wěn)壓管工作于反向擊穿區(qū)。反向電壓在一定范圍內變化時，反向電流很小。當反向電壓增高到擊穿電壓時，反向電流突然劇增，穩(wěn)壓管反向擊穿。此后，電流雖然在很大范圍內變化，但穩(wěn)壓管兩端的電壓變化很小。利用這一特性，穩(wěn)壓管在電路中能起穩(wěn)壓作用。穩(wěn)壓管與一般二極管不一樣，它的反向擊穿是可逆的。當去掉反向電壓之后，穩(wěn)壓管又恢復正常。但是，如果反向電流超過允許范圍，穩(wěn)壓管將會發(fā)生熱擊穿而損壞。 半導體三極管 三級管工作原理半導體三極管（簡稱晶體管）是最重要的一種半導體器件。目前最常見的有平面型和合金型兩類。硅管只要是平面型，鍺管都是合金型。不論平面型或合金型，都分有 NPN 或 PNP 三層，因此又把晶體管分為 NPN 型和 PNP 型兩類。每一類都分成基區(qū)、發(fā)射區(qū)和集電區(qū)，分別引出基極 B、發(fā)射極 E 和集電極 C。每一類都有兩個 PN 結?；鶇^(qū)和發(fā)射區(qū)之間的結稱為發(fā)射結，基區(qū)和集電區(qū)之間的結稱為集電結。通常把晶體管的輸出特性曲線分為三個工作區(qū)：（1）放大區(qū)輸出特性曲線的近于水平部分是放大區(qū)。在放大區(qū)，Ic=βIB。放大區(qū)也稱為線性區(qū)，因為 Ic 和 IB 成正比關系。當晶體管工作于放大狀態(tài)時，發(fā)射結處于正向偏置，集電結處于反向偏置，即對 NPN 型管而言，應使 UBE＞0，UBC＜0。（2）截止區(qū)IB=0 的曲線以下的區(qū)域稱為截止區(qū)。IB=0 時，Ic=ICEO。對 NPN 型硅管而言，當 UBE＜ 時，即已開始截止，但是為了截止可靠，常使 UBE≤0。截止時集電結也處于反向偏置。（3）飽和區(qū)當 UCE＜UBE 時，集電結處于正向偏置，晶體管工作于飽和狀態(tài)。在飽和區(qū)，IB 的變化對 Ic 的影響較小 ，兩者不成正比，放大區(qū)的 β 不能適用于飽和區(qū)。飽和時，發(fā)射結也處于正向偏置。 三極管的主要參數(shù)電流放大系數(shù) β當晶體管工作在動態(tài)（有輸入信號）時，基極電流的變化量為△IB，它引起集電極電流的變化量為△Ic 。△Ic 與△IB 的比值稱為動態(tài)電流（交流）放大系數(shù)β=△Ic/△IB (公式 11) 集基極反向截止電流 ICBOICBO 是當發(fā)射極開路時由于集電結處于反向偏置，集電區(qū)和基區(qū)中的少數(shù)載流子的漂移運動所形成的電流。集射極反向截止電流 ICEOICEO 是當 IB=0（將基極開路） 、集電結處于反向偏置和發(fā)射結處于正向偏置時的集電極電流。又因為它好象是從集電極直接穿透晶體管而達到發(fā)射極的，所以又稱為穿透電流。集電極最大允許電流 ICM集電極電流 Ic 超過一定值時，晶體管的 β 值要下降，當 β 值下降到正常數(shù)值的三分之二時的集電極電流，稱為集電極最大允許電流 ICM。集電極最大允許耗散功率 PCM由于集電極電流在流經(jīng)集電結時將產(chǎn)生熱量，使結溫聲高，從而會引起晶體管參數(shù)變化。當晶體管因受熱而引起參數(shù)變化不超過允許值時，集電極所消耗的最大功率，稱為集電極最大允許耗散功率 PCM。 集成運算放大器目前廣泛應用的電壓型集成運算放大器是一種高放大倍數(shù)的直接耦合放大器。在該集成電路的輸入與輸出之間接入不同的反饋網(wǎng)絡, 可實現(xiàn)不同用途的電路,例如利用集成運算放大器可非常方便的完成信號放大、信號運算（加、減、乘、除、對數(shù)、反對數(shù)、平方、開方等） 、信號的處理（濾波、調制）以及波形的產(chǎn)生和變換。集成運算放大器的種類非常多,可適用于不同的場合。 集成運放的基本組成集成運放一般由偏置電路、輸入級、中間級和輸出級四部分組成。另外，還有電平移動電路、短路保護電路等部分。（1）偏置電路：采用恒流源，向各級提供穩(wěn)定的靜態(tài)電流。（2）輸入級：采用差動放大器，減小零漂，提高輸入電阻。（3）中間級：采用一至兩級直接耦合放大器，提供足夠的電壓放大倍數(shù)。（4）輸出級：采用功率放大器，提高集成運放的帶負載能力，向負載提供一定的功率。 集成運算放大器的特點集成運算放大器的一些特點與其制造工藝式緊密相關的，主要有以下幾點：一、在集成電路工藝中還難于制造電感元件；制造容量大于 200pF 的電容與比較困難，而且性能很不穩(wěn)定，所以集成電路中要盡量避免使用電容器。而運算放大電路各級之間都采用直接耦合，基本上不采用電容元件，因此適合于集成化的要求。必須使用電容器的場合，也大多采用外接的辦法。二、運算放大器的輸入級都采用差動放大電路，它要求兩管的性能應該相同。而集成電路中的各個晶體管是通過同一工藝過程制作在同一硅片上的，容易獲得特性相近的差動對管。又由于管子在同一硅片上，溫度性能基本上保持一致，因此，容易制成溫度漂移很小的運算放大器。三、在集成電路中，比較適合的阻值大致為 100Ω～30kΩ。制作高阻值的電阻成本高，占用面積大，且阻值偏差大（10%～20%） 。因此，在集成運算放大器中往往用晶體管恒流源代替電阻。必須用直流高阻值電阻時，也常采用外接方式。 正確選擇集成運算放大器集成運算放大器是模擬集成電路中應用最廣泛的一種器件。在由運算放大器組成的各種系統(tǒng)中,由于應用要求不一樣,對運算放大器的性能要求也不一樣。 在沒有特殊要求的場合,盡量選用通用型集成運放,這樣即可降低成本,又容易保證貨源。當一個系統(tǒng)中使用多個運放時,盡可能選用多運放集成電路,例如LM32LF347 等都是將四個運放封裝在一起的集成電路。 實際選擇集成運放時,除優(yōu)值系數(shù)要考慮之外,還應考慮其他因素。例如信號源的性質,是電壓源還是電流源。負載的性質,集成運放輸出電壓和電流的是否滿足要求。環(huán)境條件,集成運放允許工作范圍、工作電壓范圍、功耗與體積等因素是否滿足要求。 四運放集成電路 LM324LM324 是四運放集成電路，它采用 14 腳雙列直插塑料封裝，外形如圖 1－2所示。它的內部包含四組形式完全相同的運算放大器，除電源共用外，四組運放相互獨立。每一組運算放大器可用圖 1－1 所示的符號來表示，它有 5 個引出腳，其中“+” 、 “”為兩個信號輸入端， “V+”、 “V”為正、負電源端， “Vo”為輸出端。兩個信號輸入端中，Vi（）為反相輸入端，表示運放輸出端 Vo 的信號與該輸入端的位相反；Vi+（+）為同相輸入端，表示運放輸出端 Vo 的信號與該輸入端的相位相同。LM324 的引腳排列見圖 12。 圖 11 運算放大器圖示 圖 12 LM324 引腳排列由于 LM324 四運放電路具有電源電壓范圍寬，靜態(tài)功耗小，可單電源使用，價格低廉等優(yōu)點，因此被廣泛應用在各種電路中。 模數(shù)轉換及顯示芯片 ICL7107ICL7107 是一塊應用非常廣泛的集成電路。它包含 3 1/2 位數(shù)字 A/D 轉換器，可直接驅動 LED 數(shù)碼管，內部設有參考電壓、獨立模擬開關、邏輯控制、顯示驅動、自動調零功能等。這里我們介紹一種她的典型應用電路數(shù)字電壓表的制作。其電路如附圖。制作時，數(shù)字顯示用的數(shù)碼管為共陽型，2K 可調電阻最好選用多圈電阻，分壓電阻選用誤差較小的金屬膜電阻，其它器件選用正品即可。該電路稍加改造，還可演變出很多電路，如數(shù)顯電流表、數(shù)顯溫度計等。 ICL7107 引腳及各引腳的功能ICL7107 型 A/D 轉換器是把模擬電路與數(shù)字電路集成在一塊芯片上的大規(guī)模的 CMOS 集成電路，它具有功耗低、輸入阻抗高、躁聲低，能直接驅動共陽極 LED顯示器，不需另加驅動器件，使轉換電路簡化等特點。圖 13 是它的引腳排列及功能，各引出端功能見附表 11。圖 13 ICL7107 引腳功能圖 表 11 ICL710 各引腳功能表端名 功能V+和 V 電源的正極和負極aU～gUaT～gTaH～gH個位、十位、百位筆畫的驅動信號，依次接至個位、十位、百位數(shù)碼管的相應筆畫電極Abk 千位筆畫驅動信號，接千位數(shù)碼管的 a、b 兩個筆畫電極PM 負極性指示的輸出端，接千位數(shù)碼管的 g 段。PM 為低電位時顯示負號INT 積分器輸出端，接積分電容BUF 緩沖放大器的輸出端，接積分電阻AZ 積分器和比較器的反相輸入端，接自動調零電容IN+、IN 模擬量輸入端，分別接輸入信號的正端與負端COM 模擬信號公共端，即模擬地C 外接基準電壓端基準電壓的正端和基準電壓的負端TEST 測試端。該端經(jīng) 500Ω 電阻接至邏輯線路的公共地。當作“測試指示”時，把它與 V+短路后，LED 全部筆畫點亮，顯示數(shù)1888OSC～OSC 時鐘振蕩器的引出端，外接阻容元件組成的多諧振蕩器 由 CC7107 組成的 3189。位