【正文】 電源的發(fā)展提供了有利的條件。新的變換技術(shù)和控制理論的不斷發(fā)展，各種類型專用集成電路、數(shù)字信號處理器件的研制應(yīng)用，到 90 年代，己出現(xiàn)了數(shù)控精度達(dá)到 的數(shù)控電源，功率密度達(dá)到每立方英寸 50W的數(shù)控電源。從組成上，數(shù)控電源可分成器件、主電路與控制等三部分。目前在電力電子器件方面， 幾乎都為旋紐開關(guān)調(diào)節(jié)電壓，調(diào)節(jié)精度不高，而且經(jīng)常跳變，使用麻煩 。 2 研究內(nèi)容 直流穩(wěn)流電源在工程技術(shù)和測量領(lǐng)域 , 有重要的實(shí)際運(yùn)用。目前 ,市面上出售的大 都是穩(wěn)壓電源 , 而研究和生產(chǎn)穩(wěn)流電源的則比較少 ,且已有的穩(wěn)流電源價格十分昂貴。因此 , 發(fā)展適用、經(jīng)濟(jì)、性能可靠的直流穩(wěn)流電源 , 有較為廣闊的市場前景和應(yīng)用價值。本設(shè)計(jì)給出了一種輸出電流范圍在 200mA～ 2020mA 之間 , 且輸出與給定值偏差不大于給定的 1%的直流穩(wěn)壓、直流穩(wěn)流電源。 本次畢業(yè)設(shè)計(jì)主要是 以單片機(jī) AT89C51為核心 , 結(jié)合 DAC0832芯片的功能，實(shí)現(xiàn)對輸出電壓的數(shù)字控制。為實(shí)現(xiàn)對輸出電壓的控制 : 一方面 , 通過 D/A 輸出實(shí)現(xiàn)電壓的預(yù)置 , 再通過運(yùn)算放大器控制晶體管的輸出電壓 。另一方面 , 再將輸出的電壓的采樣值送入單片機(jī) , 與預(yù)置值進(jìn)行比較 , 將誤差值通過 D/A 轉(zhuǎn)換芯片添加到調(diào)整電路 , 從而進(jìn)一步降低了輸出電流的紋波。經(jīng)過測試 , 該數(shù)控穩(wěn)壓 電源的實(shí)際輸出與顯示值之間的誤差小于 1%, 達(dá)到設(shè)計(jì)要求。 數(shù)字電壓源要求實(shí)現(xiàn)以下功能： (1)用數(shù)碼管直接顯示讀數(shù)、顯示清晰直觀。 (2)可通過按鍵實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)電壓大小 ， 步進(jìn) (3)電壓調(diào)整范圍大 ， 電壓調(diào)整范圍為 2 到 20V (4)穩(wěn)定性好； 設(shè)計(jì)中的重點(diǎn)與難點(diǎn) (1)調(diào)整的范圍：各個電子電路所要求的電壓通常有所區(qū)別，因此，所設(shè)計(jì)的電壓源要求可 調(diào)整的范圍盡量大； (2)穩(wěn)定性：各電子電路對電壓源的穩(wěn)定要求很高，這也是本設(shè)計(jì)的關(guān)鍵和難點(diǎn)； 3 第 2 章 總體設(shè)計(jì) 進(jìn)入 21 世紀(jì)以來，開關(guān)電源正朝著智能化，數(shù)字化的方向發(fā)展 .數(shù)控電源提供了智能化的適應(yīng)性與靈活性，能滿足復(fù)雜的電源要求。傳統(tǒng)的電源雖然能滿足部分電路的電壓要求，但在自動控制領(lǐng)域中經(jīng)常需要一種輸出可調(diào)的電壓源，用來控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)的動作，要求 電壓源的步進(jìn)量很?。ɡ?），而電壓調(diào)節(jié)的范圍很寬（如 0～ ），這些傳統(tǒng)的電源就無法做到了 。而數(shù)控電源是具有數(shù)字控制功能的開關(guān)電源，它能 調(diào)節(jié)電壓或電源 的啟動、關(guān)斷，并且步進(jìn)量可以做到很小，從而滿足了自動控制領(lǐng)域的電壓源的要求?？紤]到一般情況下用到的電壓都在 2V以上，所以本次設(shè)計(jì)的數(shù)控穩(wěn)壓源的電壓輸出范圍值就設(shè)定在 2～ 20V。 采用傳統(tǒng)的調(diào)整管，使用一套十進(jìn)制計(jì)數(shù)器完成系統(tǒng)的控制功能，一方面完成電壓的譯碼顯示，另一方面使其輸出作為 EPROM 的地址輸入 ，而由 EPROM的輸出經(jīng) D/A 變換后去控制誤差放大的基準(zhǔn)電壓，以控制輸出步進(jìn)。此方案雖然也能實(shí)現(xiàn)數(shù)控穩(wěn)壓源的功能，但是這種方案的結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜。 另一種方案是以單片機(jī)作為整個電路的控制單元， 通過改變輸入數(shù)字量來 改變輸出電壓值，從而使輸出功率管的基極電壓發(fā)生變化，間接的改變輸出電壓的大小。采用軟件方法來解決數(shù)據(jù)的預(yù)置以及電流的步進(jìn)控制，從而使得系統(tǒng)的硬件更加的簡潔。 利用單片機(jī)為主控制器，通過按鍵來設(shè)置數(shù)輸出電流，來設(shè)置步進(jìn)的等級。而實(shí)際電路中所需要的電壓是模擬信號，所以要加上數(shù)模轉(zhuǎn)換器來實(shí)現(xiàn)數(shù)模轉(zhuǎn)換器，這樣單片機(jī)程控輸出數(shù)字信號，經(jīng)過 D/A 轉(zhuǎn)換器（ DAC0832）后就可以實(shí)現(xiàn)輸出模擬量 ，而此時 DAC0832 的 模擬 輸出端輸出的模擬電流我們要將它轉(zhuǎn)化成 電壓，因此我們必須加一個器件來完成電流轉(zhuǎn)換到電壓 ，我選用了 741運(yùn)算放大器來實(shí)現(xiàn)電流轉(zhuǎn)換成電壓這一過程， 通過 741 運(yùn)算放大器轉(zhuǎn)換的電壓信號很小，因此要再加個運(yùn)算發(fā)大器來實(shí)現(xiàn)對信號的放大功能，通過數(shù)據(jù)形式的反饋環(huán)節(jié)，使得電壓更加穩(wěn)定，構(gòu)成數(shù)控穩(wěn)壓源。 通過以上兩種方案的比較，我選取了第二種方案，使用單片機(jī)來實(shí)現(xiàn)。 原理電路示意圖如下圖 21 所示： 4 圖 21 原理電路示意圖 單片機(jī) AT89C51 按鍵電路 數(shù)碼管顯示 數(shù)模轉(zhuǎn)換器 DAC0832 741 運(yùn)算放大器 實(shí)現(xiàn)電流轉(zhuǎn)換電壓 741 運(yùn)算放大器 實(shí)現(xiàn)放大功能 5 第 3 章 硬件設(shè)計(jì) 設(shè)計(jì)思路 系統(tǒng)硬件的設(shè)計(jì)思想是力求結(jié) 構(gòu)簡單、工作可靠、適應(yīng)教學(xué)要求、性能價格比高。 本次設(shè)計(jì)是以單片機(jī)來控制運(yùn)行狀態(tài)的數(shù)字電壓源控制系統(tǒng)。根據(jù)要求采用C 語言編制程序，通過單片機(jī)控制數(shù)字電壓源的運(yùn)行。 本系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)由單片機(jī)（ AT89c51） 模塊、 DAC083 LM74四聯(lián)七段共陰數(shù)碼管 模塊 等 4個 模塊 所組成 。 本次設(shè)計(jì)采用單片機(jī) AT89C51 作為整機(jī)的控制單元，通過改變輸入數(shù)字量來改變輸出電壓值，從而使輸出功率管的基極電壓發(fā)生變化，間接地改變輸出電壓的大小。如果要使系統(tǒng)具備檢測實(shí)際輸出電壓值的大小，可以經(jīng)過 ADC0809 進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，間接用 單片機(jī)實(shí)時對電壓進(jìn)行采樣，然后進(jìn)行數(shù)據(jù)處理及顯示。采用軟件方法來解決數(shù)據(jù)的預(yù)置以及電流的步進(jìn)控制，使系統(tǒng)硬件更加簡潔，各類功能易于實(shí)現(xiàn)本系統(tǒng)以直流電源為核心，利用 51系列單片機(jī)為主控制器，通過鍵盤來設(shè)置直流電源的輸出電流，設(shè)置步進(jìn)等級可達(dá) 1V，并可由數(shù)碼管顯示 出 實(shí)際輸出電壓值和電壓設(shè)定值。利用單片機(jī)程控輸出數(shù)字信號，經(jīng)過 D/A 轉(zhuǎn)換器（ DA0832）輸出模擬量，再經(jīng)過運(yùn)算放大器隔離放大，控制輸出功率管的基極，隨著功率管基極電流的變化而輸出不同的電壓。 AT89C51 模塊電路 由于在 FLASH 編程時， P0 口作為原碼輸入口，當(dāng) FLASH 進(jìn)行校驗(yàn)時， P0輸出 原碼，此時 P0 外部電壓必須被拉高。 P0 端口接上拉電阻后 ， 再與 DAC0832 的數(shù)字輸入信號口相連， 與 DI0 相連、 與 DI1 相連、 與 DI2 相連 、 與 DI3 相連、 與 DI4 相連、 與 DI5 相連、 與 DI6 相連、 相連 DI7。 加上上拉電阻從而使得輸出電壓為 AT89C51 的 P0口的電壓加上上拉電阻的壓降，從而使得輸出電壓 得到提高。具體連接如下圖 21所示： 6 圖 31 AT89C51 P0口連線 顯示模塊 電路 ： 如下圖 32 所示： 圖 32 數(shù)碼管 以上的第 0 段到第 6 段也就是對應(yīng)的的 a到 g。 AT89C51 的 口與數(shù)碼管a端 相連， 與 b 端 相連， 與 c 端 相連， 與 d 端 相連， 與 e端相連， 與 f 端 相連， 與 g 端 相連，以上的連接實(shí)現(xiàn)數(shù)碼管的數(shù) 行條的 顯示。例如要顯示數(shù)字 2，也就是對應(yīng)的 a、 b、 g、 e、 d 的發(fā)光二極管亮。同理可以推出數(shù)字 0、 9 的數(shù)字顯示。 dp端是控制數(shù)碼管的 小數(shù)點(diǎn)位， s s s3 是用來控制數(shù)碼管的位的開關(guān) ， 分別與 AT89C51 的 、 、 端口相連， 通過對開關(guān)的控制 實(shí)現(xiàn) 數(shù)碼管對位的選擇， 實(shí)現(xiàn)數(shù)碼管的位的選擇。 7 741 運(yùn)算放大器外圍電路： 本次設(shè)計(jì)用到兩個 741 運(yùn)算放大器，分別用來電流轉(zhuǎn)換電壓和電壓放大功能。 ． 1 電流電壓轉(zhuǎn)換部分： 如下圖 22 電路圖所示 ： 圖 32 741 運(yùn)算 放大器 電流轉(zhuǎn)換電壓部分 電路 由 上圖 32 可知，放大器的輸入端 2端口和 3端口分別接 DAC0832 的 模擬電流輸出端 I OUT1 和 I OUT2，同時我們可以看到 3 端口接地， 6 端口與 DAC0832的 RFB 端口相連，也就是電路中引入了負(fù)反饋，由運(yùn)算放大器的虛斷虛短原理可知 ， 6 端口的輸出值為 I OUT1*RFB，也就實(shí)現(xiàn)了電流到電壓的轉(zhuǎn)換。而由上面的得到的電壓值往往很小，不符合本電路的電壓數(shù)值的要求，此時我們必須再次引入一個 741 運(yùn)算放大器用來實(shí)現(xiàn)電壓的放大，從而得到我們所需要的電壓。如下圖 33所示： 8 圖 33 運(yùn)算放大器 圖中的兩個電壓表只是為了檢測運(yùn)算放大器的放大倍數(shù)的精度問題，我們就撇開它們。 3 端口與上圖那個 6 端口相連，我們就把它 的電壓值定 為 V3， 2 端口接 10K 的電阻后再接地，我們把它的電壓定 為 V2， 輸出端 6 端口的電壓我們將它定為 V6 ， 從電路圖上看，該運(yùn)算放大器引入了 40K 的負(fù)反饋電阻，同樣根據(jù)虛斷虛短的原理 ，我們可知： V3=V2，由于 2 端口接地，根據(jù)虛斷原理則我們可以得出： (V30)/10K=(V60)/(40K+10k) 經(jīng)化解，可得出 V6=5*V3 這也就實(shí)現(xiàn)了電壓的放大功能。 ． 2 數(shù)模轉(zhuǎn)換部分： 選取 DAC0832 作為模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片 ， DAC0832 是采用 CMOS 工藝制成的單片直流輸出型 8 位數(shù) /模轉(zhuǎn)換器。 DAC 數(shù)模轉(zhuǎn)換原理： 如下圖 34 所示