【文章內容簡介】 3 數(shù)字式可調穩(wěn)壓電源硬件電路設計 本系統(tǒng) 的硬件電路設計 主要圍 著 AT89S52 單片機作為整機的控制單元用 PROTEL 99SE 設計軟件來布線 的 ，其中還用到了模數(shù)轉換芯片 DAC083外部存儲芯片 24C0放大器芯片 LM32 44 矩陣式鍵盤、數(shù)碼管等其他器件?？傮w框圖考慮到各個元件的電氣特性，例如元器件之間的干擾問題，接地問題，布線問題等，本系統(tǒng)將硬件電路設計分為數(shù)字部分和模擬部分。 穩(wěn)壓電源數(shù)字部分電路 穩(wěn)壓電源數(shù)字部分電路即單片機外圍接口電路主要包括： DAC0832 數(shù)模轉換電路、EEPROM 接口電路、鍵盤接口電路、揚聲器接口電路 、 復位電路 、 晶振電路 及數(shù)碼管顯示部分電路 。 單片機外圍接口電路 單片機外圍接口總電路 。 單片機 AT89S52 與外圍器件的接口總電路如圖 所示， 為了將各部分電路介紹的更加清楚，下面就單片機外圍接口電路作一個扼要介紹。 11 圖 AT89S52 與外圍器件的接口總電路 如圖 所示， AT89S52 的 P0、 － 接數(shù)碼管輸出顯示部分電路，其中 P0口用來輸出字段碼； － 用來輸出數(shù)碼管選通位信號； 、 分別接外部存儲芯片 24C01 的數(shù)據(jù)線（ SDA）和時鐘線（ SCL）； 接揚聲器電路，為執(zhí)行內部程序指令， EA/VPP 必須接 VCC. 圖 AT89S52 部分接口電路一 12 如圖 所示， AT89S52 的 P1 口與數(shù)模轉換芯片 DAC0832 相連接，用來輸出數(shù)字量信號； RST 為復位腳， 用來輸入復位信號，同時它還與 － 一起用作 ISP 下載端口； P3 口用做鍵盤信號輸入端口， XTAL XTAL2 接晶振電路 [10]。 圖 AT89S52 部分接口電路二 單片機外圍電路接口電路具體介紹 。 下面對單片機與其它外圍器件的接口電路作一一介紹。 （ 1）數(shù)碼轉換芯片 DAC0832 與單片機 AT89S52 接口電路。 此設計中利用模數(shù)轉換芯片 DAC0832 將鍵盤輸入數(shù)字量轉換成模擬量（電流），以實現(xiàn)數(shù)控功能。 DAC0832 是一種電流型芯片，在前文第 2 章 節(jié)簡單介紹了它的工作原理，數(shù)字式可調穩(wěn)壓電源的設計中，采用了該芯片的直通工作方式（即 CS、 WRIOUT AGND、 WR XFER 接地； ILE、 VREF 接＋ 5V 電源），它的數(shù)據(jù)輸入口 D0－ D7 分別與單片機的 相連，從 IOUT1 引腳輸出模擬量（電流）接同相比例放大電路。如圖 。 13 圖 DAC0832 與 AT89S52 接口電路 （ 2）存儲芯片 24C01 與單片機 AT89S52 接口電路。 存儲芯片 24C01 是 AT24C 系列 E2PROM，它支持 I2C 總線數(shù)據(jù)傳送規(guī)則。數(shù)字式可調穩(wěn)壓電源設計中利用它存儲電壓輸出值，實現(xiàn)掉電保存當前電壓值的功能。其硬件接法如下圖 所示，引腳 7 接地； 8 腳接＋ 5V； 5 腳與 6 腳分別接單片機的 、 的同時接 上拉電阻后再接＋ 5V（因連接總線的器件的輸出端必須是集電極或漏極開路，以具備線 “與 ”功能）。 圖 24C01 硬件接法 （ 3） 44 矩陣鍵盤接口電路。 在本設計課題中利用 44 矩陣鍵盤來實現(xiàn)電壓輸入值的設定、步進、按鍵存儲、復位、確定等功能以實現(xiàn)數(shù)控，其硬件連接圖如圖 ，實 現(xiàn)功能如表 。 圖 44 矩陣鍵盤電路 表 44 矩陣鍵盤功能表 鍵盤號 功能 功能描述 鍵盤號 功能 功能描述 S1 3 數(shù)字鍵 S9 1 數(shù)字鍵 14 S2 7 數(shù)字鍵 S10 5 數(shù)字鍵 S3 確定 確定鍵 S11 9 數(shù)字鍵 S4 復位 復位鍵 S12 ＋ 步進加 S5 2 數(shù)字鍵 S13 0 數(shù)字鍵 S6 6 數(shù)字鍵 S14 4 數(shù)字鍵 S7 設定 設定鍵 S15 8 數(shù)字鍵 S8 存儲 存儲 鍵 S16 － 步進減 （ 4）揚聲器電路、 AT89S52 單片機復位電路及外部晶振電路。 揚聲器電路如圖 ，利用它實現(xiàn)輸出電壓值提醒。單片機 AT89S52 的 腳通過限流電阻 R2 及 PNP 管與蜂鳴器相連，當單片機引腳 輸出低電平時， PNP 導通，蜂鳴器發(fā)出聲音。 復位電路如圖 ， 晶振工作時， RST 腳持續(xù) 2 個機器周期高電平將使單片機復位， 當鍵盤 S0按下時通過電阻 R1將電平拉高，同時 R1,C4還起到濾波作用，去鍵盤抖動。 晶振電路如圖 ， X1:振蕩器反相放大器和內部時鐘 發(fā)生電路的輸入端。 X2:振蕩器反相放大器的輸出端。 圖 揚聲器電路 圖 復位及晶振電路 （ 5）數(shù)碼管顯示部分電路。 本設計中顯示部分采用四位共陽數(shù)碼管， 8550PNP 三極管作驅動，如圖 所示， 15 I 、 II、 III 、 IV是選通位，當 B8 低電平， B B B11 為高電平時， I 位由于三極管的導通而被拉至電源＋ 5V 端，第一個數(shù)碼管選通，其他三個沒有被選通。其中 100 歐的電阻為限流電阻， 1K 電阻為上拉電阻，將選通位電平拉高。 因根據(jù)設計要求，只需要三位數(shù)碼管即可實現(xiàn)在輸出電壓值范圍內的顯示，在設計中用到低三位數(shù)碼管，單片機引腳與四位共陽數(shù)碼管腳的對應關系如表 。 表 AT89S52 引腳與四位數(shù)碼管腳對應表 AT89S52 四位數(shù)碼管 AT89S52 四位數(shù)碼管 a c f g b I e II d III h IV 16 圖 數(shù)碼管顯示電路 數(shù)字部分電路 PCB 設計 本系統(tǒng)中，數(shù)字部分電路 PCB 采用 Protel 99se 軟件進行設計，其設計步驟是 : 畫電路原理圖； 電路元件封裝； 生成報表（ ERC 表、網(wǎng)絡表、元件列表）； 創(chuàng)建一個 PCB 工程文件，將網(wǎng)絡表導入該工程； 自動布局，自動布線后通過手工調整布線完成整個 PCB 版圖的設計 [11]。 系統(tǒng)設計中，數(shù)字部分電路 PCB 如圖 所示。 圖 數(shù)字部分電路 PCB 圖 穩(wěn)壓電源模擬部分電路 17 穩(wěn)壓電源模擬部分電路主要包括電源部分電路，由運放 LM32達林頓管 TIP127等構成的輸出 電壓控制單元電路。這一部分采用普通萬能板來完成，主要是由于模擬部分電路的可變性大，隨時都有可能更改電路。 另外， 模擬部分電路屬于高壓部分，穩(wěn)壓管和達林頓管發(fā)熱量比較大，要帶散熱片；同時須將它與 5V 低壓工作的數(shù)字部分電路分開，這樣可有效地防止元件的損壞，這也是系統(tǒng)為什么將電路設計分為數(shù)字部分和模擬部分的原因。 電源部分電路 在系統(tǒng)設計中考慮到單片機及其他器件的電源供電問題，采用一個變壓器將 220V交流電降壓再經(jīng)電橋整流，獲得 25V 左右的平穩(wěn)電壓，然后用穩(wěn)壓管 78L2 78L178L05 進行三次 穩(wěn)壓，分別獲得 24V、 12V 和 5V的穩(wěn)定電壓， 24V 提供的是運算放大器 LM324 和達林頓管 TIP127 的工作電壓， 5V是 AT89S52 單片機和 DAC0832 的工作電壓。圖 所示，圖中電容起濾波作用。在硬件電路的實際設計中，由于電源工作時的發(fā)熱量比較大，因此對穩(wěn)壓管要外加散熱片。 圖 電源供電部分電路 輸出電壓控制單元電路 系統(tǒng)中，矩陣鍵盤輸入數(shù)字信號經(jīng) AT89S52 處理后輸出給 DAC0832,數(shù)字信號經(jīng)過數(shù)模轉換后輸出的是電 流量，因此必須將電流量接電阻后接反饋放大電路以實現(xiàn)穩(wěn)壓輸出。本設計的模擬部分利用了 LM324 作為放大器，采用二級放大電路，第一級為同相比例放大電路，第二級為閉環(huán)反饋放大電路。下面就將二級放大電路做詳細的介紹。 同相比例放大電路 原理。 18 同相比例運算放大電路 [12]如圖 ， 根據(jù)集成運放的 虛短 和 虛斷 2個重要概可得式（ ）、（ ），又由式（ ）、（ ）、（ ）可推出式（ ），式（ ）即為同相比例放大器增益的計算公式。 U+=U () UI=U+ () U/Uo=R/(R+Rf) () Uo＝ (1＋ Rf/R)UI () Uo=R∑i(1+Rf/R1) () 圖 同相比例運算電路 在本系統(tǒng)設計中，需要數(shù)模轉換輸出一個電壓范圍為 0～ 10V的基準電壓 Ur，即數(shù)模轉換輸出的電壓值，由于 DA 轉換芯片 DAC0832 輸出的是電流信號，將它作用在電 阻 R 上 變成電壓，然后用同相比例放大器放大電壓到 0～ 10V作為基準電壓，同相比例放大器滿足 式（ ）， 其中 ∑i 是 DAC0832 的 IO1 腳輸出的電流， R1 為同相端的接地電阻， Rf 為反饋電阻， Rf選用 5k的微調電阻， R1 選用 100 的電阻， R 選用 1K， 將各值代入式（ ）， 這時同相比例放大器的最 大放大系數(shù)為： A＝ 51，滿足輸出基準電壓Ur 的要求，如圖 所示。 圖 第一級放大電路 19 反饋穩(wěn)壓放大電路 。 如圖 所示： 圖 反饋穩(wěn)壓放大電路 圖中 DA 端是單片機數(shù)模轉換得到的基準電壓 Ur，這里采用運放構成積分器對 R2和 R3 進行 采樣 ，采樣 電壓 U1 和基 準 電壓 Ur 進行比較，比較其差值進行放大得到 Uo，通過 Uo 控制處于放大區(qū) Q1 的 Uce,又由式（ ）可知，進而 控制 輸出電壓 Vo [13]。分析積分器，它滿足 式（ ）， 由運放的虛短與虛斷 可得式（ ），將式（ ） 代入式（ ）整理可得式（ ）。在很短的時間內， U1 保持不變，即 UrU1=C (C 是常數(shù) ) ，這時有式（ ）， 由 式 （ ）可知在短時間 內 ， Uo 隨時間成線性變化，它的斜率 與 C R1有關 （ 這里選 C1 為 、 R1 為 10k） 。 U rU1 越大，即輸出端的電壓波動越大，那么，Uo 增大得越快，于是 Uce 就越大，由 式 （ ） 可 知 Vo 馬上降下來，從而達到穩(wěn)壓的目的。設計中選擇 R R3 的分壓比 為： N≈， 采樣電阻不能取太大，這里選擇 R2＝300， R3＝ 500，分壓比 為： n=。 Vo＝ 25vUce () Uo=(1/C1*R1)∫(U2U1