【正文】 第一章 前言 研究的目的和意義 電源是 給所有電子設(shè)備電路系統(tǒng)提供能源的部件，是必不可少的 。 5V、177。 15V， 可調(diào)部分由高性能單片機(jī)為控制核心， 通過(guò)調(diào)節(jié) LM2576ADJ 端 ，實(shí)現(xiàn)輸出電壓的數(shù)字化可調(diào)，輸入采用鍵盤(pán)方式，輸出電壓采用 LCD 顯示， 實(shí)現(xiàn)指標(biāo)紋波系數(shù) Um≤ 5mU，穩(wěn)定度△ V0/ V0100％≤ 1％，步進(jìn) ， 該系統(tǒng)穩(wěn)定性好、精度高、成本低、效率高、其性能遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于傳統(tǒng)的線性可 調(diào)穩(wěn)壓電源，大大改善了傳統(tǒng)的穩(wěn)壓電源的性能，簡(jiǎn)單易用，非常適合一般的教學(xué)和科研使用。目前使用的穩(wěn)壓電源大部分是線性電源，利用分立器件組成，其體積大，效率低，可靠性差，操作使用起來(lái)不方便，自我的保護(hù)功能不夠，因而發(fā)生故障的幾率高。線性電源成本在某一輸出功率點(diǎn)上，反而高于開(kāi)關(guān)電 源，這一點(diǎn)稱(chēng)為成本反轉(zhuǎn)點(diǎn)。 2 線性電源分 類(lèi) 線性電源一般可分為串聯(lián)型和并聯(lián)型，按穩(wěn)壓方式分，有參數(shù)穩(wěn)壓電源和反饋調(diào)整型電源。缺點(diǎn)是體積大，效率低 [2]。DC/DC 變換類(lèi)型是開(kāi)關(guān)電源變換的基本類(lèi)型，它通過(guò)控制開(kāi)關(guān)通、斷時(shí)間的比例，用電抗器與電容器上蓄積的能量對(duì)開(kāi)關(guān)波形進(jìn)行微分平滑處理，從而更有效地調(diào)整脈沖的寬帶及頻率。 （ 3） BuckBoost 電路 — 降壓或升壓斬波器，其輸出平均電壓 Uo 大于或小于輸入電壓 Ui，極性相反，電感傳輸。 AC/DC 變換是將交流變換為直流，其功率流向可以是雙向的，功率流由電源流向負(fù)載的稱(chēng)為 “ 整流 ” ，功率流由負(fù)載返回電源的稱(chēng)為 “ 有源逆變 ” 。按電路工作象限又可分為一象限、二象限、三象限、四象限。 4 （ 3）效率穩(wěn)壓電源本身就是個(gè)變換器，在能量轉(zhuǎn)換時(shí)有能量損耗，這就存在轉(zhuǎn)換效率問(wèn)題。而穩(wěn)壓電源就應(yīng)盡量減小這種變化。 0001 0 0????? I iUUSOOU (11) 式 (11)中 Su值越小，表示穩(wěn)壓性能越好。 （ 3）電流調(diào)整率（ SI） 電流調(diào)整率是指輸入電壓 Ui 恒定的情況下，負(fù)載電流 IL從零變到最大時(shí)，輸出電壓 UO的相對(duì)變化量的百分?jǐn)?shù)，即 智能穩(wěn)壓電源設(shè)計(jì) 5 0001 0 0?????U iUUSOOI （ 13） 從（ 13） 可以看出， SI越小，說(shuō)明電流的調(diào)整率越好。 由式（ 14） 可知， So越小說(shuō)明紋波干擾越小。任何電子設(shè)備都 6 離不開(kāi)可靠的電源，它們對(duì)電源的要求也越來(lái)越高。但其通常都需要體積大且笨重的工頻變壓器與體積和重量都很大的濾波器。在近半個(gè)多世紀(jì)的發(fā)展過(guò)程中，開(kāi)關(guān)電源因具有體積小、重量輕、效率高、發(fā)熱量低、性能穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)而逐漸取 代傳統(tǒng)技術(shù)制造的連續(xù)工作電源，并廣泛應(yīng)用于電子整機(jī)與設(shè)備中。以功率晶體管（ GTR）為例，當(dāng)開(kāi)關(guān)管飽和導(dǎo)通時(shí)，集電極和發(fā)射極兩端的壓降接近零；當(dāng)開(kāi)關(guān)管截止時(shí)，其集電極電流為零。此外，開(kāi)關(guān)工作頻率為幾十千赫，濾波電容器、電感器數(shù)值較小。10％，而開(kāi)關(guān)型穩(wěn)壓電源在電網(wǎng)電壓在 110－ 260 伏范圍內(nèi)變化時(shí)，都可獲得穩(wěn)定的輸出電壓。為提高開(kāi)關(guān)頻率，必須采用高速開(kāi)關(guān)器件。 5V 177。這部分電路目前已集成化，制成了各種開(kāi)關(guān)電源用集成電路。 智能穩(wěn)壓電源設(shè)計(jì) 9 圖 22 調(diào)寬式開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源的基本原理 對(duì)于單極性矩形脈沖來(lái)說(shuō)，其直流平均電壓 Uo 取決于矩形脈沖的寬度，脈沖越寬，其直流平均電壓值就越高。這樣，只要我們?cè)O(shè)法使脈沖寬度隨穩(wěn)壓電源輸出電壓的增高而變窄，就可以達(dá)到穩(wěn)定電壓的目的。電路輸出直流電壓的高低由加在 VT1 基極上的脈沖寬度確定 [6]。當(dāng)開(kāi)關(guān)管 VT1 截止時(shí)，電感Ｌ感應(yīng)出左負(fù)右正的電壓，該電壓疊加在輸人電壓上，經(jīng)二極管 VD1 向負(fù)載供電，使輸出電壓大于輸人電壓，形成升壓式開(kāi)關(guān)電源。與此同時(shí)，感應(yīng)電壓給 C1 充電，隨著 C1 充電電壓的增高， VT1 基極電位逐漸變低，致使 VT1 退出飽和區(qū)， Ic 開(kāi)始減小，在 L2 中感應(yīng)出使 VT1 基極為負(fù)、發(fā)射極為正的電壓，使 VT1 迅速截止，這時(shí)二極管 VD1 導(dǎo)通，高頻變壓器Ｔ初級(jí)繞組中的儲(chǔ)能釋放給負(fù)載。電路中由于負(fù)載位于變壓器的次級(jí)且工作在反激狀態(tài)，具有輸人和輸出相互隔離的優(yōu)點(diǎn)。電路使用兩個(gè)開(kāi)關(guān)管 VT1 和 VT2，兩個(gè)開(kāi)關(guān)管在外激勵(lì)方波信號(hào)的控制下交替的導(dǎo)通與截止，在變壓器Ｔ次級(jí)統(tǒng)組得到方波電壓，經(jīng)整流濾波變?yōu)樗枰闹?流電壓 。這種電路又稱(chēng)為升降壓式開(kāi)關(guān)電源。 開(kāi)關(guān)電源器件 開(kāi)關(guān)晶體管 開(kāi)關(guān)晶體管內(nèi)部含有兩個(gè) PN 結(jié) ，外部通常為三個(gè)引出電極的 半導(dǎo)體 器件。半導(dǎo)體三極管是電路中應(yīng)用最廣泛的器件之一，在電路中用“ V”或“ VT”（舊文字符號(hào)為“ Q”、“ GB”等）表示。最常用的用途應(yīng)該是屬于訊號(hào)放大這一方面，其次是 阻抗匹配 、訊號(hào)轉(zhuǎn)換等，晶體管在電路中是個(gè)很重要的組 件，許多精密的組件主要都是由晶體管制成的。 90年代以來(lái)，國(guó)外又研制出開(kāi)關(guān)頻率達(dá) 1MHZ的高速 PWM、 PFM90（脈沖頻率調(diào)制）芯片，典型產(chǎn)品有 UC182 UC1864。數(shù)字化的 PWM 控制芯片相對(duì)模擬 PWM 控制芯片 (如 TL494,SG3525,UC3844 等 )，因其抗干擾、抗溫漂等方面的優(yōu)點(diǎn)成為主流產(chǎn)品 [7]。如 Mullard 公司的 HEF4752,無(wú)須微處理器配合，屬于純硬件實(shí)現(xiàn)方法，使用簡(jiǎn)單，省去編寫(xiě)軟件的麻煩，開(kāi)發(fā)周期短，但欠靈活性，難以實(shí)現(xiàn)更多的功能。這類(lèi)芯片很多，如東芝公司的八位單片機(jī) TMP88CK49/CM49,Motorola 公司的八位單片機(jī) MC68HC708MP16,Intel 公司的 16 位微處理器 8XC196MC。 方案二：采用開(kāi)關(guān)電源作為主電路，效率高，體積小，能夠處理較高的電源密度，拓?fù)鋵W(xué)結(jié)構(gòu)可用于傳遞單個(gè)或多個(gè)輸出電壓。 接著通過(guò)濾波穩(wěn)壓電路分別得到 15V/+15V 和 5V/+5V 兩組固定輸出電壓，可調(diào)輸出電路是通過(guò)鍵盤(pán)輸入，經(jīng)過(guò)單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理后控制 DA 轉(zhuǎn)換器輸出對(duì)應(yīng)的電壓信號(hào)，因?yàn)?LM2576ADJ 輸出 Vo=（ 1+Vadj） *。 整流濾波 電路 整流就是把交流電變成脈動(dòng)的直流電的過(guò)程，整流的基本器件是二極管，利用二極管的單向?qū)щ娦约纯砂呀涣麟娹D(zhuǎn)換成脈動(dòng)的直流電，橋式整流電路如圖220V 輸入 整流濾波 PWM 調(diào)制 過(guò)流保護(hù) 功率推動(dòng)電路 (MOSFET) 開(kāi)關(guān)變壓器 濾波穩(wěn)壓 177。電容是一個(gè)能儲(chǔ)存電荷的元件。 PWM 控制電路 PWM 控制電路設(shè)計(jì) 本設(shè)計(jì) PWM 控制電路主要由 UC3842 和一些基本元件組成， 220V 交流電壓經(jīng)過(guò) 上述橋式整流電路 整流， 濾波后輸出 310V 直流電壓，經(jīng)過(guò) UC3842調(diào)整及穩(wěn)壓濾波后 得到一個(gè)穩(wěn)定的 18V/+18V 的工作電壓。電壓調(diào)整率可達(dá)到 104 量級(jí)。而電路的關(guān)斷閥值為 10V。 振蕩器的振蕩頻率由引腳 8 和引腳 4之間的電阻器 R402，引腳 4到地的電容器 C404來(lái)決定。電阻器 R413和電容器 C411構(gòu)成軟啟動(dòng)電路，當(dāng) C411上的充電電壓達(dá)到啟動(dòng)電壓時(shí)，電路啟動(dòng)，啟動(dòng)電流緊為 1mA。若要使輸出關(guān)斷，可以將引腳 3上的電壓升到 1V以上，通過(guò)電流測(cè)定比較器將輸出關(guān)斷。 UC3842簡(jiǎn)介 為了精確控制開(kāi)關(guān)電路的電壓輸出，系統(tǒng)采用脈寬調(diào)制的控制方式調(diào)節(jié)開(kāi)關(guān)管的工作狀態(tài)。假如由于某種原因使輸出電壓升高時(shí)，脈寬調(diào)制器就會(huì)改變驅(qū)動(dòng)信號(hào)的脈沖寬度，亦即占空比 D，使斬波后的平均值電壓下降，從而達(dá)到穩(wěn)壓目的 ，反之亦然。 采用 PWM 控制的優(yōu)點(diǎn)是 : 簡(jiǎn)化了硬件電路 ,降低了硬件成本 。 UC3842 還包括過(guò)壓、欠壓保護(hù)電路，當(dāng)供電電源電壓低于 10V 時(shí)，芯片停止 工作。此處選用耐壓值為 25V/100uF或 35V/100uF的極性電解電容。二級(jí)管 D20 D202 的額定電 22 流值應(yīng)大于負(fù)載電流的 倍，考慮到負(fù)載短路的情況，二級(jí)管的額定電流值應(yīng)大于 LM2576 的最大電流限制，二極管反向電壓應(yīng)大于最大輸入電壓 倍，所以此處選用 SB540。 : （ 1） N— 輸入電壓端，為減小輸入瞬間電壓和給調(diào)節(jié)器提供開(kāi)關(guān)電流，此接腳應(yīng)智能穩(wěn)壓電源設(shè)計(jì) 23 接旁路電容 CIN； （ 2） PUT— 穩(wěn)壓輸出端，輸出高電壓為（ VIN－ VSAT），輸出低電壓為 。 24 AD 轉(zhuǎn)換中可能出現(xiàn)誤差，為了使系統(tǒng)更加穩(wěn)定，該部分電路采用閉環(huán)控制方式，對(duì)輸出進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。其引腳圖引腳功能如圖 37 所示： 圖 37 LM258 引腳圖引腳功能圖 LM358 主要特性 (Features)如下： ? 內(nèi)部頻率補(bǔ)償。 一177。 ? 低輸入失調(diào)電壓和失調(diào)電流。 主要參數(shù)如下： ? 輸入偏置電流 45 nA ? 輸入失調(diào)電流 50 nA ? 輸入失調(diào)電壓 ? 輸入共模電壓最大值 VCC~ V ? 共模抑制比 80dB ? 電源抑制比 100dB DAC0832 模塊電路 D/A 轉(zhuǎn)化器的作用是 將數(shù)字量轉(zhuǎn)化成模擬信號(hào)，經(jīng)放大及驅(qū)動(dòng)加到執(zhí)行機(jī)構(gòu)上，對(duì)被控制對(duì)象實(shí)施控制。 8 位輸入寄存器用于存放主機(jī)送來(lái)的數(shù)字量，使輸入數(shù)字量得到緩沖和鎖存，由加以控制； 8 位 DAC 寄存器用于存放待轉(zhuǎn)換的數(shù)字量，由加以控制； 8 位 D/A 轉(zhuǎn)換器輸出與數(shù)字量成正比的模擬電流；由與門(mén)、非與門(mén)組成的輸入控制電路來(lái)控制 2 個(gè)寄存器的選通或鎖存狀態(tài) [13]。ILECSWR1WR2XFERLE1 LE2Iout1Iout2VrefRfbAGNDDGNDVCC 圖 38 DAC0832 原理框圖 當(dāng) WR2 和 XFER 同時(shí)有效時(shí)， 8 位 DAC 寄存器端為高電平“ 1”，此時(shí) DAC寄存器的輸出端 Q 跟隨輸入端 D 也就是輸入寄存器 Q 端的電平變化；反之，當(dāng)端為低電平“ 0”時(shí)，第一級(jí) 8 位輸入寄存器 Q 端的狀態(tài)則鎖存到第二級(jí) 8 位DAC 寄存器中，以便第三級(jí) 8 位 DAC 轉(zhuǎn)換器進(jìn)行 D/A 轉(zhuǎn)換 [9]。當(dāng)進(jìn)行 DA 轉(zhuǎn)換時(shí)，將數(shù)據(jù)輸入 74LS573，并將其鎖存，以保證AD 轉(zhuǎn)換輸出不影響 DA 轉(zhuǎn)換。該器件采用 ATMEL 高密度非易失存儲(chǔ)器制造技術(shù)制造，與工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的MCS51指令集和輸出管腳相兼容。輸出控制 不影響鎖存器 的內(nèi)部工作，即老數(shù)據(jù)可以保持，甚至當(dāng)輸出被關(guān)閉時(shí)，新的數(shù)據(jù)也可以置入 [13]。 1. 雙積分 A/D 轉(zhuǎn)換器工 作原理 雙積分 A/D 轉(zhuǎn)換器采用間接測(cè)量的方法，它將被測(cè)電壓轉(zhuǎn)換成時(shí)間常數(shù) T，雙積分 A/D 轉(zhuǎn)換器由電子開(kāi)關(guān)，積分器，比較器，計(jì)數(shù)器和控制邏輯等部分組成 [14]。特點(diǎn)：可以有效的消除干擾和電源噪聲，轉(zhuǎn)換精度高，但是轉(zhuǎn)換速度慢。 LCD 液晶顯示電路 智能穩(wěn)壓電源設(shè)計(jì) 31 LCD 液晶顯示電路設(shè)計(jì) 從圖 312 可看出， LCD 中 1 腳和 16 腳接地， 2腳電源接 5V,15 腳背光電源接5V，如果需節(jié)能可不接背光電源。對(duì)于畫(huà)面穩(wěn)定、無(wú)閃爍感的液晶顯示器，刷新率不高但圖像也很穩(wěn)定。體積小、能耗低也是 CRT 顯示器無(wú)法比擬的，一般一臺(tái) 15寸 LCD 顯示器的耗電量也就相當(dāng)于 17 寸純平 CRT 顯示器的三分之一。鍵盤(pán)分兩大類(lèi) :編碼鍵盤(pán)和非編碼鍵盤(pán)。 (2)非編碼鍵盤(pán) :只簡(jiǎn)單地提供鍵盤(pán)的行列與矩陣，其他操作如 :鍵的識(shí)別，決定按鍵的讀數(shù)等僅靠軟件完成，故硬件較為簡(jiǎn)單，但占用 CPU 較多時(shí)間。為了確保 CPU 對(duì)一次按鍵動(dòng)作只確認(rèn)一次按鍵，必須消除抖動(dòng)的影響。這樣，一個(gè)端口（如 P1 口）就可以構(gòu)成 4*4=16 個(gè)按鍵，比之直接將端口線用于鍵盤(pán)多出了一倍，而且線數(shù)越多，區(qū)智能穩(wěn)壓電源設(shè)計(jì) 33 別越明顯，比如再多加一條線就可以構(gòu)成 20 鍵的鍵盤(pán)，而直接用端口線則只能多出一鍵（ 9 鍵）。 主體流程圖 主程序主要完成相關(guān)中斷初始化、調(diào)用顯示、判斷中斷類(lèi)型和執(zhí)行相應(yīng)中斷服務(wù)程序等功能，其結(jié)構(gòu)如圖 41所示 : 圖 41 系統(tǒng)主體流程圖 開(kāi)始 系統(tǒng)初始化 是否有鍵按下？ 讀鍵 D/A 轉(zhuǎn)換 控制輸出電壓 采樣輸出電壓 誤差調(diào)整 輸出電壓是否與輸入電壓相等？ 顯示電壓值 N Y Y 智能穩(wěn)壓電源設(shè)計(jì) 35 系統(tǒng)流程圖工作原理 ： 開(kāi)始的時(shí)候我們應(yīng)該 對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行初始化， 接著我們應(yīng)該判斷是否有鍵按下，如果 按鍵 有 按下， 它會(huì)自動(dòng) 接收來(lái)自鍵盤(pán) 輸入 的電壓值，這時(shí) 通過(guò) 數(shù) /模轉(zhuǎn)換 把輸入的數(shù)字 信號(hào) 轉(zhuǎn)換成模擬 信號(hào) ， 這樣來(lái) 控制輸出電壓的大小。 while(1) { suo_c=0。 tiaozheng()。 suo_c=1。 另外， A/D轉(zhuǎn)換電路 采樣輸出電壓 值，接著 進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換， 最后 通過(guò) LCD1602顯示調(diào)整 更新后的 電壓值。設(shè)計(jì)采用的是矩陣式按鍵結(jié)構(gòu)按鍵，其電路圖如圖 313 所示： 圖 313 鍵盤(pán)接口電路