【導(dǎo)讀】在各種電子實驗中，電源是最基本的需要。設(shè)計出一種高精度的可調(diào)輸出的。電壓值來測試的要求。本文設(shè)計了一種高精度程控穩(wěn)壓電源。硬件方面包括變壓器、整流電路、濾波電路、穩(wěn)壓電路、反饋電路、保護(hù)。電路、程控電路、顯示電路以及支持單片機(jī)運行的復(fù)位和時鐘電路。分穩(wěn)壓后獲得穩(wěn)定的直流輸出。穩(wěn)壓部分由達(dá)林頓管作為調(diào)整管，由運放作為反。饋取樣之后的放大電路，利用放大電路來提高調(diào)整管的反應(yīng)靈敏度電壓穩(wěn)定性。出，并且控制數(shù)碼管顯示輸出電壓。路來實現(xiàn)設(shè)計目標(biāo)的。

　　

【正文】 最關(guān)心的是 ：分辨率，指輸入單位數(shù)字量變化引起的模擬量輸出的變化，是對輸入量變化敏感程度的描述；建立時間，是描述轉(zhuǎn)換速度快慢的一個參數(shù)，用于表明轉(zhuǎn)換速度；轉(zhuǎn)換精度，理想情況下，精度與分辨率基本一致，位數(shù)越多精度越高。但由于電源電壓、參考電壓、電阻等各種因素存在誤差。嚴(yán)格講精度與分辨率并不完全一致，只要位數(shù)相同，分辨率則相同，但相同位數(shù)的不同轉(zhuǎn)換器精度會有所不同。 本次設(shè)計所使用的 D/A 轉(zhuǎn)換器是 MAX508，它是美國美信公 司生產(chǎn)的具有內(nèi)部參考，電壓輸出型 2 位 D/A 轉(zhuǎn)換器。轉(zhuǎn)換電壓具有相同參考極性，允許但電源工作，內(nèi)部包含一個 BURIED—ZENER 參考電源，積分轉(zhuǎn)換器（ DAC），電壓輸出放大器。 雙緩沖邏輯輸入易于與微處理器接口，數(shù)據(jù)輸入可由 8＋ 4 位格式送入內(nèi)部寄存器，所有邏輯信號與 TTL 或 CMOS 邏輯兼容，接口時序特性可確保與常規(guī)微處理器接口。轉(zhuǎn)換器可由單電源或雙電源供電，電源電壓取＋ 12 伏或 15? 伏。當(dāng)單電源或雙電源供電時，由增益設(shè)置寄存器可選擇 3 個電壓輸出范圍： 0～＋ 5， 0～＋ 10，當(dāng)雙電源供電時，可獲得 5? 伏的電壓輸出。輸出放大器當(dāng)輸出＋ 10 伏時可驅(qū)動 2kΩ的負(fù)載。 MAX508 特性包括： 12 位電壓輸出型；內(nèi)部電壓參考；快速微處理器接口；單＋ 12 或 15? 供電； DIP20/24 或?qū)?SO 封裝。 其引腳定義說明如下： 1 腳（ VSS）：負(fù)電源。單電源時接地，雙電源時接 15 伏。 2 腳（ ROFS）：滿量程輸出設(shè)置。單極性 0～ 5 伏輸出時， ROFS 與 RFB 同時接VOUT；單極性 0～ 10 伏輸出時， ROFS 接 AGND，而 RFB 接 VOUT。雙極性 5～＋ 5伏輸出時， ROFS 接 REFOUT,RFB 接 VOUT。 3 腳（ REFOUT）：內(nèi)部參考電壓 +5 伏輸出。 4 腳（ ACND）：模擬地。 5～ 8 腳（ D7~D4）：數(shù)字輸入 D7~D4 位。 10 腳（ DGND）：數(shù)字地。 9 腳、 11～ 13 腳（ D3/D11~D0/D8）：在 CSLSB 有效時，為數(shù)據(jù)的 D3~D0 位；在 CSMSB 有效時，為數(shù)據(jù)的 D11~D8 位。 14 腳（ CSMSB ）：在其有效時，裝載數(shù)據(jù)高 4 位。 15 腳（ CSLSB ）：在其有效時，裝載數(shù)據(jù)低 8 位。 16 腳（ WR ）： WR 信號的上升沿鎖存數(shù)據(jù)。 17 腳（ LDAC ）：當(dāng) LDAC 為 1 時，裝載數(shù)據(jù)到內(nèi)部輸入鎖存器，在 LDAC 上升沿時，將數(shù)據(jù)鎖存到 DAC 鎖存器。 18 腳（ VDD）：正電源輸入端，接＋ 12 伏或＋ 15 伏。 19 腳（ FRB）：反饋電阻引出腳，使用方法見 ROFS 部分 的說明。 20 腳（ VOUT）：數(shù) /模電壓轉(zhuǎn)化輸出端。 MAX508 的邏輯真值表如下表 31 所示： 表 31 MAX508 邏輯真值表 A/D 轉(zhuǎn)換其（ ADC）的作用就是把模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，以便于計算機(jī)處理進(jìn)行處理。 隨著大規(guī)模集成電路的飛速發(fā)展， A/D 轉(zhuǎn)換器的新設(shè)計思想＆制造技術(shù)層出不窮。為滿足各種不同的檢測及控制任務(wù)的需要，大量結(jié)構(gòu)不同，性能各異的 A/D 轉(zhuǎn)換器芯片應(yīng)運而生。 根據(jù) A/D 轉(zhuǎn)換器的原理可將 A/D 轉(zhuǎn)換器分為兩大類。一類是直接型 A/D 轉(zhuǎn)換器，另一類是間接型 A/D 轉(zhuǎn)化器。在直接型 A/D 轉(zhuǎn)換器中，輸入的模擬電壓被直接轉(zhuǎn)換CSLSB CSMSB WR LDAC 功能 0 1 0 1 低 8 位送入鎖存器 0 1 1 1 將低 8 位所存到輸入鎖存器 1 1 0 1 將低 8 位鎖存到輸入鎖存器 1 0 0 1 高 8 位送入鎖存器 1 0 1 1 將高 4 位鎖存到輸入鎖存器 1 1 0 1 將高 4 位鎖存到輸入鎖存器 1 1 1 0 輸入數(shù)字量送 DAC 鎖存器 1 1 1 1 將數(shù)字量鎖存到 DAC 鎖存器 1 0 0 0 送入高 4 位并將輸入數(shù)字送入DAC 鎖存器 1 1 1 1 無數(shù)據(jù)和傳送 成數(shù)字代碼，不經(jīng)任何中間變量；在間接型轉(zhuǎn)換器中，首先把輸入的模擬電壓轉(zhuǎn)換成某種中間變量（時間、頻率、脈沖寬度等等），然后在把這個中間變量變換為數(shù)字代碼輸出。盡管 A/D 轉(zhuǎn)化器的種類很多，但目前應(yīng)用較廣泛的主要有以下幾種：逐次逼近式轉(zhuǎn)換器、雙積分式轉(zhuǎn)換器、Σ－Δ式 A/D 轉(zhuǎn)換器和 V/F 轉(zhuǎn)換器。 A/D 轉(zhuǎn)換器的主要技術(shù)指標(biāo)包括：轉(zhuǎn)換時間和轉(zhuǎn)換速率， A/D 完成一次轉(zhuǎn)換所需要的 時間就是轉(zhuǎn)換時間，轉(zhuǎn)換時間的倒數(shù)是轉(zhuǎn)換速率；分辨率，習(xí)慣上用輸出二進(jìn)制的位數(shù)或 BCD 碼位數(shù)來表示。例如 AD574A/D 轉(zhuǎn)換器，可輸出二進(jìn)制 12 位即用 122 個數(shù)進(jìn)行量化，其分辨率位 1LSB，用百分?jǐn)?shù)表示為 (1/ 122 )*100%=%。量化過程產(chǎn)生的誤差稱為量化誤差，是由于有限位數(shù)字量對模擬量進(jìn)行量化而引起的誤差；轉(zhuǎn)化精度， A/D 轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換精度定義為一個實際 A/D 轉(zhuǎn)換器與一個理想的 A/D 轉(zhuǎn)換器在量化值上的差值。可用絕 對誤差和相對誤差來表示。 在設(shè)計數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、測控系統(tǒng)和智能儀器儀表時，首先碰到的就是如何選擇合適的 A/D 轉(zhuǎn)換器以滿足應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計要求的問題，下面從不同角度介紹選擇 A/D轉(zhuǎn)換器的要點。 1 A/D轉(zhuǎn)換器位數(shù)的確定 A/D轉(zhuǎn)換器位數(shù)的確定與整個測量控制系統(tǒng)所要測量控制的范圍和精度有關(guān)，但又不能唯一確定系統(tǒng)的精度。因為系統(tǒng)精度環(huán)節(jié)較多，包括傳感器變換精度、信號預(yù)處理電路進(jìn)度和 A/D 轉(zhuǎn)換器及輸出電路、控制機(jī)構(gòu)精度，甚至還包括軟件控制算法。然而估計時， A/D 轉(zhuǎn)換器的位數(shù)至少要比總精度要求的最低分辨率高一位（雖 然分辨率和轉(zhuǎn)換精度是不同的概念，但沒有基本的分辨率就談不上轉(zhuǎn)換精度，精度是在分辨率的基礎(chǔ)上反映的）。實際選取 A/D 轉(zhuǎn)換器的位數(shù)應(yīng)與其他環(huán)節(jié)所能達(dá)到的精度相適應(yīng)。只要不低于它們就行，選的太高既沒有意義，而且價格還要高的多 [9]。 2 A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換速率的確定 A/D 轉(zhuǎn)換器從啟動轉(zhuǎn)換到轉(zhuǎn)換結(jié)束，輸出穩(wěn)定的數(shù)字量，需要一定的時間，這就是 A/D 轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換時間；其倒數(shù)就是每秒鐘能完成的次數(shù)，稱為轉(zhuǎn)換速率。用不同原理實現(xiàn)的 A/D 轉(zhuǎn)換器其轉(zhuǎn)換時間是大不相同的?？偟膩碚f，積分型、電荷平衡型和跟蹤比較型 A/D 轉(zhuǎn)換器 的轉(zhuǎn)換速度較慢，從幾毫秒到幾十毫秒不等，只能構(gòu)成低速 A/D 轉(zhuǎn)換器。一般適用于對溫度、壓力、流量等緩變參量的檢測和控制。逐次比較型 A/D 轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換時間可從幾微秒到一百微秒左右，屬于中速轉(zhuǎn)換器，常用于工業(yè)多通道單片機(jī)控制系統(tǒng)和聲頻數(shù)字轉(zhuǎn)換系統(tǒng)。轉(zhuǎn)換時間最短的高速 A/D 轉(zhuǎn)換器是那些用雙極型或 CMOS 型工藝制成的全并行型、串并行型＆電壓轉(zhuǎn)移函數(shù)型的 A/D 轉(zhuǎn)換器。轉(zhuǎn)換時間僅為二十到一百納秒。高速轉(zhuǎn)換器適用于雷達(dá)、數(shù)字通訊、實時光譜分析、實時順態(tài)記錄、視頻數(shù)字轉(zhuǎn)換系統(tǒng)等。 如用轉(zhuǎn)換時間為 100 微秒的集成 A/D 轉(zhuǎn)換器， 其轉(zhuǎn)換速率為 10 千次 /秒。根據(jù)采樣定理和實際需要，一個周期的波形需采集 10 個點，那么這樣的 A/D 轉(zhuǎn)換器最高也只能處理 1KHZ 的信號。把轉(zhuǎn)換時間減小到 10 微秒，信號頻率可提高到 100KHZ。對一般微處理機(jī)而言，要在 10 微秒內(nèi)完成 A/D 轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換以外的工作，如讀數(shù)據(jù)、再啟動、存數(shù)據(jù)、循環(huán)記數(shù)等已經(jīng)比較困難、要繼續(xù)提高采集數(shù)據(jù)的速度就不能用CPU 來控制，必須采用直接存儲器訪問（ DMA）技術(shù)來實現(xiàn)。 3 是否要加采樣保持器 原則上直流和變化非常緩慢的信號可不用采樣保持器。其他情況都要加采樣保持器。根據(jù)分辨率、 轉(zhuǎn)換時間、信號帶寬關(guān)系式可得到如下數(shù)據(jù)作為是否要加采樣保持器的參考：如果 A/D 轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換時間是 100 微秒、ADC 是 8 位時、沒有采樣保持器時，信號允許頻率是 ；如果 ADC 是 12 位，該頻率是 、如果轉(zhuǎn)換時間是 100 微秒， ADC 是 8 位時，該頻率是 12HZ，12 位時是 。 4 工作電壓和基準(zhǔn)電壓 有些 A/D 轉(zhuǎn)換器需要 15? 的工作電壓，也有一些可在＋ 12～＋ 15 伏范圍內(nèi)工作，這就需要多種電源。如果選擇使用單一＋ 5 伏電源，與單片機(jī)系統(tǒng)可共 用一個電源就比較方便。基準(zhǔn)電壓是提供給 A/D 轉(zhuǎn)換器在轉(zhuǎn)換時所需的參考電壓，這是為保證轉(zhuǎn)換精度的基本條件。在要求高精度時，基準(zhǔn)電壓要單獨用高精度穩(wěn)壓電源供給。 本次設(shè)計所使用的芯片是 MAX197，它是美國美信公司生產(chǎn)的多量程、 12 位數(shù)據(jù)采集（ ADC） ,芯片工作電壓僅為 5 伏；即接收高于電源電壓的模擬信號，又可以接收低于地電位的模擬信號；芯片有 8 個獨立的模擬輸入通道；對輸入的模擬信號提供了四個可編程輸入量程； 10? 伏， 5? 伏， 0 到＋ 5 伏， 0 到＋ 10 伏，四個量程將有效的動態(tài)輸入范圍增加到 14 位；為 4~20 毫安信號和由 12? 伏或 15? 供電的傳感器到單 5 伏系統(tǒng)提供了靈活的接口；變換器的耐壓容限達(dá)到了 ? 伏、該模 /數(shù)轉(zhuǎn)換器具有 5MHZ 帶寬， 100K SPS 的吞吐率，由軟件控制選擇內(nèi) /外部時鐘，由軟件控制內(nèi) /外部啟動采集， 8＋ 4 并行數(shù)據(jù)接口，內(nèi)部 伏或外供參考電壓。硬件的 SHDN腳和兩個軟件可編程位（ STBYPD、 FULLPD）用來提供轉(zhuǎn)換過程中的低電流關(guān)斷模式。 MAX197 具有標(biāo)準(zhǔn)的微處理器接口， 8 位數(shù)據(jù)總線構(gòu)成了三態(tài)數(shù)據(jù) I/O 口，數(shù)據(jù)存取與總線釋放時序特性與常規(guī)微處理器芯片兼容，其邏輯輸入輸出皆與 TTL 或CMOS 邏輯電平兼容。 MAX197 特性： 12 位分辨率， 1/2LSB 線性度；單 5 伏供電；軟件可編程選擇輸入量程： 10? 伏， 5? 伏， 0～＋ 5 伏， 0～＋ 10 伏；輸入多路選擇器保護(hù)： ? 伏； 8 路 模擬輸入通道； 6 微秒轉(zhuǎn)換時間， 100K SPS 采樣速率；內(nèi) /外部采集控制；內(nèi)部 伏或外部參考電壓；兩種掉電模式；內(nèi)部或外部時鐘。 MAX197 有四種不同的封裝： DIP28，寬 SO， SSOP 和陶瓷SB 封裝。它為微處理器提供了非常簡單的接口，轉(zhuǎn)換從寫入控制字開始，轉(zhuǎn)換完由INT 給出標(biāo)準(zhǔn)的中斷信號。其控制字及各位的定義如下表 32 所示： 表 32 MAX197 控制字 控制字中的 D5 位決定采集控制模式：置 0 時，為內(nèi)部采集控制模式；置 1 時，為外部采集模式。 控制字中的 D D6 位控制芯片的的時鐘模式，一旦選定了芯片的時鐘模式，再進(jìn)入待機(jī)或掉電模式時，時鐘模式不會改變。各控制字的作用見下表 33 所示： 表 33 MAX197 各位控制字說明 當(dāng) D7＝ 0， D6＝ 0 時，芯片選擇外部時鐘模式，外部時鐘頻率應(yīng)介于 100KHZ至 之間，時鐘周期應(yīng)介于 45％～ 55％之間。 D D7 也決定了芯片的低功耗模式。當(dāng) D7=1， D6=0 時，芯片進(jìn)入待機(jī)模式；當(dāng) D7=1， D6=1 時，芯片進(jìn)入掉電模式。 D3 和 D4 用來選擇芯片的模擬輸入電壓范圍和極性，見下表 34。 D3＝ 0，選擇單極性輸入， D3＝ 1，選擇雙極性輸入； D4＝ 0，選擇 5 伏量程， D4＝ 1，選擇 10 伏量程。 控制字的低三位用于選通模擬輸入通道：三位數(shù)值與被選通模擬輸入通道之間的關(guān)系見下頁表 35 所示： 本次設(shè)計所使用的 MAX197 為 DIP28 引腳的封裝形式，其引腳包括數(shù)據(jù)輸出線，片選控制線，電源以及地端，還有 8 個模擬輸入通道，具體引腳見附錄中的總體電路D7(MSB) D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0 PD1 PD0 ACQMOD RNG BIP A2 A1 A0 位 名稱 說明 6 PD PD0 這兩位用來選擇時鐘和掉電模式 5 ACQMOD 0 時內(nèi)部控制采集（ 6 個時鐘周期）， 1 時外部控制采集 4 RNG 用來選擇滿量程時輸入模擬電壓幅度 3 BIP 用來選擇雙極性或單極性轉(zhuǎn)換模式 0 A A A0 這三位用來確定被選通的模擬輸入通道 圖。 表 34 MAX197 的控制字的工作模式 表 35 MAX197 的模擬輸入通道選擇 復(fù)位電路通常采用上電自動復(fù)位和按鈕復(fù)位兩種方式。 最簡單的是上電復(fù)位點路，本次用的就是 上電自動復(fù)位 。上電自動復(fù)位是通過外部復(fù)位電路的電容充電里實現(xiàn)的。只要 Vcc 的上升時間不超過 1ms,，就可以實現(xiàn)自動上電復(fù)位。當(dāng)時鐘頻率選用 6MHz 時， C 取 22uF， R 取 1K? 。 除了上電復(fù)位外，有時還需要按鍵手動復(fù)位。按鍵手動復(fù)位有電平方式和脈沖方式兩種。其中電平復(fù)位是通過 RST端經(jīng)電阻與電源 Vcc 接通而實現(xiàn)的 。 時鐘電路時鐘是單片機(jī)的心臟，單片機(jī)各功能部件的運行都是以時鐘頻率為基準(zhǔn)，有條不紊的一拍一拍地工作。因此，時鐘