【正文】 它領(lǐng)域中的應(yīng)用 在用普通的充電機(jī)充電時(shí)，隨著蓄電池端電壓的逐漸升高，充電電流相應(yīng)減小，為保持正常充電，必須隨時(shí)提高充電機(jī)的輸出電壓。許多電真空器件 ，如示波管、顯像管、功率發(fā)射管等，它們的燈絲冷電阻很小，當(dāng)用額定電壓點(diǎn)燃時(shí)，在通電瞬間電流很大，常常超過燈絲額定電流許多倍。為了保護(hù)燈絲，最好采用恒流源供電。對(duì)于價(jià)格昂貴的大功率發(fā)射管或要求電真空器件的工作十分穩(wěn)定時(shí)，恒流源供電尤為重要。 恒流源的發(fā)展歷程 電真空器件恒流源的誕生 世界上最早的恒流源，大約出現(xiàn)在世紀(jì)年代早期。 電子管通常不能單獨(dú)作為恒流器件，但可用它來構(gòu)成各種恒流電路。 晶體管恒流源的產(chǎn)生和分類 進(jìn)入年代，隨著半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展，設(shè)計(jì)和制造出了各種類型性能優(yōu)越的晶體管恒流源，并在實(shí)際中獲得了廣泛的應(yīng)用 。用晶體管作調(diào)整元件的各種開環(huán)和閉環(huán)的恒流源，在許多電子電路中得到了應(yīng)用。它適用于那些對(duì)穩(wěn)定度要求不太高的場合。長期以來采用分立元件組裝的各種恒流源，現(xiàn)在可以集成在一塊很小的硅片上而僅需外接少量元件。在各種恒流源電路中，集成電路恒流源的性能堪稱最佳。一方面，電源產(chǎn)業(yè)規(guī)模的發(fā)展在加快；另一方面，在國家自然科學(xué)基金的資助下或創(chuàng)新意識(shí)指導(dǎo)下，我國電力電子技術(shù)的研究從吸收消化和一般跟蹤發(fā)展到前沿跟蹤和基礎(chǔ)創(chuàng)新，電源產(chǎn)業(yè)界涌現(xiàn)了一些技術(shù)難度較大，具有國際先進(jìn)水平的產(chǎn)品，而且還產(chǎn)生了一大批具有代表電源產(chǎn)業(yè)與發(fā)達(dá)國家相比， 存在著很大的差距和不足：在電源產(chǎn)品的質(zhì)量、可靠性、開發(fā)投入、生產(chǎn)規(guī)模、工藝水平、先進(jìn)檢測設(shè)備、智能化、網(wǎng)絡(luò)化、持續(xù)創(chuàng)新能力等方面的差距為年，尤其在實(shí)現(xiàn)直流恒流源的智能化、網(wǎng)絡(luò)化方面的研究不是很多。目前，全國的電源及其配件的生產(chǎn)銷售企業(yè)有家以上，產(chǎn)值有億元，但國內(nèi)企業(yè)著名的如北京大華、江蘇綠揚(yáng)等銷售的數(shù)控直 流穩(wěn)壓電源大多是代理日本和臺(tái)灣的產(chǎn)品，國內(nèi)廠家生產(chǎn)的直流穩(wěn)壓電源雖然也在向數(shù)字化方向發(fā)展，但多限于對(duì)輸出顯示實(shí)現(xiàn)數(shù)碼顯示，或?qū)崿F(xiàn)多組數(shù)值預(yù)置。 論文的研究內(nèi)容 課題需要解決的主要問題 1. 如何實(shí)現(xiàn)對(duì)電源的輸出控制 系統(tǒng)設(shè)計(jì)的目的是要用微處理器來替代傳統(tǒng)直流穩(wěn)定電源中手動(dòng)旋轉(zhuǎn)電位器，實(shí)現(xiàn)輸出電流的連續(xù)可調(diào)，精度要求高。 2. 數(shù)控直流恒流源功能的完備 數(shù)控直流恒流源要實(shí)現(xiàn)電流的鍵盤化輸入控制，同時(shí)要具備輸出顯示功能。如何有效的實(shí)現(xiàn)這些功能也是課題所需研究解決的問題。首先采用了單片集成穩(wěn)壓芯片實(shí)現(xiàn)直流穩(wěn)壓 ,然后采用了分立元件實(shí)現(xiàn)穩(wěn)流。另一方面 ,運(yùn)用 A/D 轉(zhuǎn)換器件將輸出電流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。 第 2 章 ：首先綜述了幾種恒流源，然后 提出一種基于單片機(jī)芯片 AT89S52 的數(shù)控恒流源的方案，分析恒流源的設(shè)計(jì)原理與實(shí)現(xiàn)方法。 第 4 章 ： 對(duì)系統(tǒng)采用的控制算法進(jìn)行研究，并簡要闡述軟件流程圖。 它既可以為各種放大電路提供偏流以穩(wěn)定其靜態(tài)工作點(diǎn) ,又可以作為其有源負(fù)載 ,以提高放大倍數(shù) 。 一般而言 ,按照恒流源電路主要組成器件的不同 ,可分為三類 :晶體管恒流源、場效應(yīng)管恒流源、集成運(yùn)放恒流源 ， 下面分別予以說明。由晶體管構(gòu)成的恒流源 ,廣泛地用作差動(dòng)放大器的射極公共電阻 ,或作為放大電路的有源負(fù)載 ,或作為偏流使用 ,也可以作為脈沖產(chǎn)生電路的充放電電流 ,由于晶體管參數(shù)受溫度變化影響 ,大多采用了溫度補(bǔ)償及穩(wěn)壓措施 ,或增強(qiáng)電流負(fù)反饋的深度以進(jìn)一步穩(wěn)定輸出電流。 通常 ,將場效應(yīng) 管 和晶體管配合使用 ,其恒流效果會(huì)更佳。 尤其在負(fù)載一端需接地 ,要求大電流的場合 ,獲得了廣泛應(yīng)用。首先采用了單片集成穩(wěn)壓芯片實(shí)現(xiàn)直流穩(wěn)壓 ,然后 采用了分立元件實(shí)現(xiàn)穩(wěn)流。另一方面 ,運(yùn)用 A/D 轉(zhuǎn)換器件將輸出電流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 [9]。 圖 21 系統(tǒng)框圖 恒流源基本設(shè)計(jì)原理與實(shí)現(xiàn)方法 引起穩(wěn)定電源輸出不穩(wěn)定的主要原因 穩(wěn)定電源的輸出電量 (電壓或電流 )，是相對(duì)穩(wěn)定而非絕對(duì)不變的，它只是變化很小，小到可以在允許的范圍之內(nèi)。電網(wǎng)供電有高峰期和低谷期，不可能始終穩(wěn)定如初 ； (2)由負(fù)載變化形成的。即使不是這兩種極端情況，負(fù)載電阻有微小的變化也會(huì)引起穩(wěn)定電源輸出電量的變化 [14]； (3)由穩(wěn)定電源本身?xiàng)l件促成的。 一般地說，穩(wěn)定電源電路的設(shè)計(jì)首先要考慮前兩種因素，并針對(duì)這兩種因素設(shè)計(jì)穩(wěn)定電源中放大器的放大量等。但在設(shè)計(jì)高精度穩(wěn)定電源時(shí)，必須要高度重視第四個(gè)因 素。 恒流源的基本設(shè)計(jì)原理 C210u fC31ufC11ufQ1N P N T I P 122U1O P 07R31kR1 kR21kR41kR5 3A / DD / AVo 15 V+ 15 V+ 15 V 圖 22 恒流源主電路圖 恒流源電路如圖 22 所示 [5]，由于 D/A 轉(zhuǎn)換輸出的模擬信號(hào)不穩(wěn)定 ， 加上 C3 穩(wěn)定電壓。利用達(dá)林頓管的電流放大特性，可實(shí)現(xiàn)大電流的輸出。 Ic=βIb 由于 β值很大則 IcIb， 那么 Ic≈Ie 改變達(dá)林頓 B 管腳的電位可改變達(dá)林頓管集電極 C 管腳的電流。 E 管腳電壓需要采集送到單片機(jī)處理，接 C2 使采集電壓更加穩(wěn)定。當(dāng)通過達(dá)林頓管的集電極 C 和發(fā)射極 E 上的電流變小時(shí)，功率電阻上的電壓降低，ΔU為正值，則 B 管腳的電位升高，從而使流過達(dá)林頓管的集電極 C 和發(fā)射極電流升高，當(dāng) ΔU為零時(shí)電流穩(wěn)定不變，由此來達(dá)到恒流的目的 [6]。文章分析了引起穩(wěn)定電源輸出不穩(wěn)定的原因，詳細(xì)闡述了恒流源的設(shè)計(jì)原理，并設(shè)計(jì)出了本課題恒流源的主電路。 AT89S52 是一個(gè)低功耗、高性能 CMOS 8 位單片機(jī)，引腳圖如圖 31 所示 [1][2][3]?？臻e模式下， CPU 暫 停 工 作，而 RAM 定時(shí)計(jì)數(shù)器，串行口，外中斷系統(tǒng)可繼續(xù)工作，掉電模式凍結(jié)振蕩器而保存 RAM 的數(shù) 據(jù) ,停止芯片其他功能直至外中斷激活或硬件復(fù)位。 (1)主電源引腳 VCC： +5V 電源端 GND：接地端 (2)輸入 /輸出引腳 P0 端口 (～ )： P0 口是一個(gè) 8 位漏極開路的雙向 I/O 口。 對(duì) P0 端口寫 “1”時(shí)，引腳用作高阻抗輸入。在這種模式下，P0 具有內(nèi)部上拉電阻。 P1 端口 (～ )： P1 口是一個(gè)具有內(nèi)部上拉電阻的 8 位雙向 I/O 口， P1 輸出緩沖器能驅(qū)動(dòng)個(gè) TTL 邏輯電平。作輸為入使用時(shí)，被輸入信號(hào)拉低的引腳由于內(nèi)部上拉電阻的原因，將輸出電流 IIL。在 flash 編 程和校驗(yàn)時(shí)， P1 口接收低 8 位地址字節(jié)。對(duì) P2 端口寫 “1”時(shí)，內(nèi)部上拉電阻把端口拉高，此時(shí)可以作為輸入口使用。在訪問外部程序存儲(chǔ)器或用 16 位地讀取外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（例如執(zhí)行MOVXDPTR）時(shí)， P2 口送出高八位地址。在使用 8 位地址（如 MOVXRI）訪問外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)， P2 口輸出 P2 鎖存器內(nèi)容。 P3 端口： P3 口是一個(gè)具有內(nèi)部上拉電阻的 8 位雙向 I/O 口， P3 輸出緩沖器能驅(qū)動(dòng) 4 個(gè) TTL 邏輯電基于單片機(jī)控制的直流恒流源的設(shè)計(jì)對(duì) P3 端口寫 “1”時(shí)，內(nèi)部上拉電阻把端口拉高，此時(shí)可以作為輸入口使用。 P3 口亦作為 AT89S52 特殊功能（第二功能）使用，如表 32 所示。 表 32 P3 端口 第二功能 口線 第二功能 信號(hào)名稱 RXD 串行輸入 TXD 串行輸出 INT0 外部中斷 0 INT1 外部中斷 1 T0 定時(shí)器 0 外部輸入 T1 定時(shí)器 1 外部輸入 WR 外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器寫選通 RD 外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器讀選通 (3)控制信號(hào)引腳 RST：復(fù)位輸入端。看門狗計(jì)時(shí)完成后， RST 引腳輸出 96 個(gè)晶振周期的高電平。 DISRTO 默認(rèn)狀態(tài)下，復(fù)位高電平有效。存取外部程序存儲(chǔ)器時(shí)，這個(gè)輸出信號(hào)用于鎖存低 8 位地址。在一 般情況下， ALE 以晶振六分之一的固定頻率輸出脈沖，可用作外部定時(shí)器或時(shí)鐘使用。在需要時(shí)，可以將地址為 8EH 的 SFR 寄存器的第 0 位置為 “1”，從而屏蔽 ALE 的工作。在單片機(jī)處于外部執(zhí)行方式時(shí)，對(duì)ALE 屏 蔽位置 “1”并不起作用。當(dāng) AT89S52 從外部程序存儲(chǔ)器執(zhí)行外部代碼時(shí)， PSEN 在每個(gè)機(jī)器周期被激活兩次，而在訪問外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)， PSEN 的兩次激活會(huì)被跳過。為使能從 0000H 到 FFFFH 的外部程序存儲(chǔ)器讀取指令， EA 必須接 GND。在flash 編程期間， EA 也接收 12 伏 VPP 電壓。 XTAL2：振蕩器反相放大器的輸出端。這個(gè)放大器與作為反饋元件的片外石英晶體或陶瓷諧振器一起構(gòu)成自激振蕩器，振蕩電路 如圖 左圖所示 [7]。對(duì)外電容 C1， C2 雖然沒有十分嚴(yán)格的要求，但電容容量的大小會(huì)輕微影響振蕩頻率的高低、振蕩器工作穩(wěn)定性、起振的難易程度及溫度的穩(wěn)定性。 用戶也可以使用外部時(shí)鐘。在這種情況下，外部時(shí)鐘脈接到 XTAL1 端，即內(nèi)部時(shí)鐘發(fā)生器的輸入端， XTAL2 端懸空。 本課題用到的晶振頻率為 12MHz。 X T A L 2X T A L 1G N DX T A L 2X T A L 1NC外部振蕩信號(hào)輸入 a)內(nèi)部振蕩電路 b)外部振蕩電路 圖 32 AT89S52 振蕩電路 復(fù)位是單片機(jī)的初始化操作。 在運(yùn)行中，外界干擾等因素可使單片機(jī)的程序陷入死循環(huán)狀態(tài)或跑 飛。 復(fù)位也使單片機(jī)退出低功耗工作方式而進(jìn)入正常工作狀態(tài)。其有效時(shí)間應(yīng)持續(xù) 24 個(gè)振蕩周期 (即兩個(gè)機(jī)器周期 )以上。 C110 u FR E S 110kV C CR E S E TS1R E S 11kD1C122 u FV C CR E S E T a)傳統(tǒng)復(fù)位電路 b)改進(jìn)復(fù)位電路 圖 33 復(fù)位電路圖 從原理上講，一般采用上電復(fù)位電路。圖 33 左圖為傳統(tǒng)的復(fù)位電路。在滿足單片機(jī)可靠復(fù)位的前提下，該復(fù)位電路的優(yōu)點(diǎn)在于降低復(fù)位引腳的對(duì)地阻抗，可以顯著增強(qiáng)單片機(jī)復(fù)位電路的抗干擾能力。既可以手動(dòng)按鍵復(fù)位，也可上電自動(dòng)復(fù)位。 單片機(jī)時(shí)序就是 CPU 在執(zhí)行命令時(shí)所需要控制信號(hào)的時(shí)間順序。這些控制信號(hào)在時(shí)間上的相互關(guān)系就是 CPU 時(shí)序。一類用于片內(nèi)各功能部件的控制，這類信號(hào)很多，但與本課題關(guān)系不大，故不作專門介紹。 AT89S52 單片機(jī)專門有兩類可以訪問對(duì)外存儲(chǔ)器的指令。另一類是訪問片外RAM 指令，由于本課題主要功能模塊都是作為外部 RAM 來訪問，所以在此介紹一下CPU 的訪問片外 RAM 指令時(shí)序。 CPU 在第一個(gè) ALE 和第二個(gè) ALE 信號(hào)之間使 RD/WR 有效，選中片外 RAM 工作。 A/D 模塊設(shè)計(jì) AD7715 簡介 AD7715 是美國 ADI 公司生產(chǎn)的 16 位模數(shù)轉(zhuǎn)換器。適用于單通道低速小信號(hào)的采樣應(yīng)用，其功能框圖如圖 36 所示 [14]?？捎删д裉峁?，也可由與 CMOS 兼容的時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)，此時(shí) MCLK OUT 引腳懸空。如果 MCLK IN 為外部時(shí)鐘引腳， MCLK OUT 引腳能提供一個(gè)反向的時(shí)鐘信號(hào)，供外電路使用； CS ：片選信號(hào)，邏輯低有效； RESET ：邏輯輸入，低電平有效。低電平表明來自 AD7715 數(shù)據(jù)寄存器新的輸出字是有效的。在輸出更新期間，如果沒有數(shù)據(jù)被讀出，此引腳將持續(xù) 500 倍 Tclkin 時(shí)鐘周期，然后返回高電平。數(shù)據(jù)更新結(jié)束后， DRDY 將再次返回低電平； DOUT：從片內(nèi)輸出移位寄存器中讀出串行數(shù)據(jù)的串行輸出端。此數(shù)據(jù)是移到設(shè)定寄存器還是通訊寄存器，取決于通訊寄存器中的寄存器設(shè)定位； DVDD：數(shù)字電源，正常情況是 +3V 或 +5V； DGND：數(shù)字地。 (1) 通訊寄存器， 8 位，可讀寫，寫入的命令字決定下次操作是對(duì)哪個(gè)寄存器，是讀還是寫，并設(shè)置程控放大器的增益。當(dāng)讀操作時(shí)，此位的 狀態(tài)與 DRDY 的引腳具有相同的電平。 RS1 和 RS0：用于寄存器選擇，其方式如表 33 所列。 STBY： 1 為節(jié)電方式， 0 為正常方式。 表 33 寄存器選擇 RS1 RS0 被選寄存器 0 0 通訊寄存器（ 8 位） 0 1 設(shè)定寄存器（ 8 位） 1 0 測試寄存器（ 8 位） 1 1 數(shù)據(jù)寄存器（ 16 位） 表 34 增益設(shè)定 (2)設(shè)定寄存器 MD1 MD0 CLK FS1 FS0 B/U BUF FSYNC 表 35 MD1 和 MD0 的設(shè)定操作方式 MD1 MD0 操作方式 0 0 正常操作方式 0 1 自校驗(yàn)方式 G1 G0 增益設(shè)定 0 0 增益為 1 0 1 增益為 2 1 0 增益為 32 1 1 增益為 128 1 0 系統(tǒng)校驗(yàn)零點(diǎn) 1 1 系統(tǒng)校驗(yàn)滿度 MD1， MD0：用來設(shè)定操作方式，如表 35 所列。 系統(tǒng)校驗(yàn)須兩步完成，第一步進(jìn)行系統(tǒng)零校驗(yàn)，零