简易数显稳压电源.docx

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简易数显稳压电源

职　称

教研室

学生姓名

班　级

杨其锋

应电教研室

应电063

毕业设计任务书

设计题目：

简易数显稳压电源

设计时间：

　　2009.4.12----2009.5.18　　　　　　　　　　　　　

设计任务：

1、采用串联反馈式稳压电路

2、用单片机控制输出电压

3、采用DAC0832将数字信号转换为模拟信号

4、采用ICL7107进行模数转换并驱动数码管显示

毕业设计成绩

教师评阅成绩

指导老师认定成绩

小组答辩成绩

答辩成绩

答辩委员会评定成绩

答辩委员会主任（签名）

摘要

直流稳压电源是电子技术常用的设备之一,广泛的应用于教学、科研等领域。

本次设计主要是从串连稳压、单片机控制、数字显示等方面入手，介绍了单片机AT89C51、数模转换芯片DAC0832、模数转换芯片ICL7107，数码管和一些重要元器件，对整流、滤波的原理、串联稳压的原理、单片机控制的原理、数字显示的原理等方面进行了介绍。

本次毕业设计主要是采用单片机8051和数模转换芯片DAC0832组成数控控制系统对窜联稳压电路进行控制，在电路中设置了过流保护、数字显示等功能。

直流稳压电源采用串联反馈型稳压电路，反馈放大部分采用电压比较器LM324和三级管组成，基准电压是由单片机提供的数字量后由DAC0832转换为模拟量后经放大后提供。

显示部分采用模数转换芯片ICL7107直接驱动数码管显示。

此外，输出电压的大小可以通过按键在单片机中进行预制，每次可以步进0.1V。

本次设计的数控数显稳压电源的输出电压范围是0～15V，具有很高的使用价值。

关键词单片机，DAC0832，ICL7107，数码管

Abstract

DCpowersupplyisusedelectronicequipment,widelyusedinteaching,researchandotherfields.ThedesignismainlylinkedRegulators,microcontrollercontrol,digitaldisplay,inordertoontheAT89C51,digital-to-analogconverterchipDAC0832.analog-to-digitalconversionchipICL7107,digitalcontrolandsomeimportantcomponentsoftherectifier,filtertheory,Regulatorsseriesofprinciple,theprincipleofcontrolmicrocontroller,figuresshowedthattheprincipleoftheeducationintroduced.ThegraduationdesignisbasedonSCM8051andseveralto-analogconverterchipDAC0832CNCcontrolsystemcomponentsRegulatorsrightchannelingjointcontrolcircuit,thecircuitissetovercurrentprotection,figuresshow,andotherfunctions.DCpowersupplyusedfeedbackRegulatorsSeriescircuit,LargepartsusedfeedbackvoltagecomparatorLM324andthreetubes,VoltagefromthefiguresprovidedbytheMCUvolumeDAC0832conversionfromanalogtoenlargeaftertheoffer.Someshowsuseanalog-to-digitalconversionchipICL7107DirectDriveDigitalDisplay.Inaddition,theoutputvoltagecanbethesizeofthebuttoninMCUforprefabricated,eachstepcanbe0.1V.ThedesignoftheNCDigitalPowerSupplyoutputvoltagerangeof0-15V,withhighvalue.

Keywords:

AT89C51，DAC0832，ICL7107，LED

目录

摘要

绪论1

第1章基础知识介绍3

1.1半导体二极管3

1.2半导体三极管4

1.3集成运算放大器5

1.4模数转换及显示芯片ICL71077

1.5LED数码管显示接口10

1.6变压器的基本知识12

第2章单片机知识介绍15

2.1单片机简介15

2.2MCS-51系列单片机介绍17

2.3DAC0832介绍21

第3章方案论证25

3.1三种不同的方案25

3.2三种方案的比较26

第4章稳压电源的主要模块电路28

4.1稳压电源的基本组成28

4.2主要单元电路的设计28

第5章软件的设计34

5.1软件设计的概述34

5.2软件设计具体思路34

第6章总体电路分析37

6.1稳压电源的总体设计思路37

6.2.稳压原理分析37

结论/展望41

致谢42

参考文献42

附录43

绪论

直流稳压电源是电子技术常用的设备之一,广泛的应用于教学、科研等领域。

传统的多功能直流稳压电源功能简单、难控制、可靠性低、干扰大、精度低且体积大、复杂度高。

普通直流稳压电源品种很多,但均存在以下二个问题:

1）输出电压是通过粗调（波段开关）及细调（电位器）来调节。

这样,当输出电压需要精确输出,或需要在一个小范围内改变时（如1.05～1.07V）,困难就较大。

另外,随着使用时间的增加,波段开关及电位器难免接触不良,对输出会有影响。

2）稳压方式均是采用串联型稳压电路,对过载进行限流或截流型保护,电路构成复杂,稳压精度也不高。

在家用电器和其他各类电子设备中，通常都需要电压稳定的直流电源供电。

但在实际生活中，都是由220V的交流电网供电。

这就需要通过变压、整流、滤波、稳压电路将交流电转换成稳定的直流电。

滤波器用于滤去整流输出电压中的纹波，一般传统电路由滤波扼流圈和电容器组成，若由晶体管滤波器来替代，则可缩小直流电源的体积，减轻其重量，且晶体管滤波直流电源不需直流稳压器就能用作家用电器的电源，这既降低了家用电器的成本，又缩小了其体积，使家用电器小型化。

传统的直流稳压电源通常采用电位器和波段开关来实现电压的调节,并由电压表指示电压值的大小.因此,电压的调整精度不高,读数欠直观,电位器也易磨损.而基于单片机控制的直流稳压电源能较好地解决以上传统稳压电源的不足。

随着科学技术的不断发展,特别是计算机技术的突飞猛进,现代工业应用的工控产品均需要有低纹波、宽调整范围的高压电源,特别是在一些高能物理领域,急需电脑或单片机控制的低纹波、宽调整范围的电源。

从上世纪九十年代末起，随着对系统更高效率和更低功耗的需求，电信与数据通讯设备的技术更新推动电源行业中直流/直流电源转换器向更高灵活性和智能化方向发展。

在80年代的第一代分布式供电系统开始转向到20世纪末更为先进的第四代分布式供电结构以及中间母线结构，直流/直流电源行业正面临着新的挑战，即如何在现有系统加入嵌入式电源智能系统和数字控制。

早在90年代中，半导体生产商们就开发出了数控电源管理技术，而在当时，这种方案的性价比与当时广泛使用的模拟控制方案相比处与劣势，因而无法被广泛采用。

 由于板载电源管理的更广泛应用和行业能源节约和运行最优化的关注，电源行业和半导体生产商们便开始共同开发这种名为“数控电源”的新产品。

现今随着直流电源技术的飞跃发展,整流系统由以前的分立元件和集成电路控制发展为微机控制,从而使直流电源智能化,具有遥测、遥信、遥控的三遥功能,基本实现了直流电源的无人值守

 设计的数控直流稳压电源主要由单片机系统、键盘、数码管显示器、D/A转换电路、直流稳压电路等几部分组成。

单片机系统选用89C51型号单片机,内含4K的ROM。

直流稳压电源是最常用的仪器设备,在科研及实验中都是必不可少的。

针对以上问题,我设计了一套以单片机为核心的智能化直流电源。

该电源采用薄膜轻触键盘,可对输出电压值进行设置,输出由单片机通过D/A,控制驱动模块输出一个稳定电压。

同时稳压方法采用单片机闭环控制,单片机通过A/D采样输出电压,与设定值进行比较,若有偏差则调整输出。

工作过程中,稳压电源的工作状态（输出电压、电流等各种工作状态）均由单片机输出驱动LED显示,由键盘控制进行动态逻辑切换。

本课题研究一种以单片机为核心的智能化高精度简易直流电源的设计,该电源采用数字调节、闭环实时监控、输出精度高,且兼备双重过载保护功能,特别适用于各种有较高精度要求的场合。

第1章基础知识介绍

1.1半导体二极管

1.1.1二极管原理

将PN结加上相应的引线和管壳，就成为半导体二极管。

按结构分，二极管有点接触型和面接触型两类。

二极管既然是一个PN结，它当然具有单向导电性，当外加正向电压很低时，由于外电场还不能克服PN结内电场对多载流子（除少量能量较大者外）扩散运动的阻力，故正向电流很小，几乎为零。

当正向电压超过一定数值后，内电场大大削弱，电流增长很快。

这个一定数值的正向电压称为死区电压，通常硅管的死区电压为0.5V，锗管约为0.1V。

导通时的正向压降，硅管约为0.6～0.8V，锗管约为0.2～0.3V。

在二极管上加反向电压时，由于少数载流子的漂移运动，形成很小的反向电流。

反向电流有两个特点：

一是它随温度的上升增长很快；一是在反向电压不超过某一范围时，反向电流的大小基本恒定。

而与反向电压的高低无关。

故通常称它为反向饱和电流。

而当外加反向电压过高时，反向电流将突然增大，二极管失去单向导电性，这种现象称为击穿。

二极管被击穿后，一般不能恢复原来的性能，便失效了。

1.1.2二极管的主要参数：

1最大整流电流

最大整流电流是指二极管长时间使用时，允许通过二极管的最大正向平均电流。

点接触型的二极管的最大整流电流在几十毫安以下。

面接触型二极管的最大整流电流较大。

2反向工作峰值电压

它是保证二极管不被击穿而给出的反向峰值电压，一般是反向击穿电压的一半或三分之二。

3反向峰值电流

它是指在二极管上加反向工作峰值电压时的反向电流值。

1.1.3稳压管

稳压管是一种特殊的面接触型半导体硅二极管。

由于它在电路中与适当数值的电阻配合后能起稳定电压的作用，故称为稳压管。

稳压管工作于反向击穿区。

反向电压在一定范围内变化时，反向电流很小。

当反向电压增高到击穿电压时，反向电流突然剧增，稳压管反向击穿。

此后，电流虽然在很大范围内变化，但稳压管两端的电压变化很小。

利用这一特性，稳压管在电路中能起稳压作用。

稳压管与一般二极管不一样，它的反向击穿是可逆的。

当去掉反向电压之后，稳压管又恢复正常。

但是，如果反向电流超过允许范围，稳压管将会发生热击穿而损坏。

1.2半导体三极管

1.2.1三级管工作原理

半导体三极管（简称晶体管）是最重要的一种半导体器件。

目前最常见的有平面型和合金型两类。

硅管只要是平面型，锗管都是合金型。

不论平面型或合金型，都分有NPN或PNP三层，因此又把晶体管分为NPN型和PNP型两类。

每一类都分成基区、发射区和集电区，分别引出基极B、发射极E和集电极C。

每一类都有两个PN结。

基区和发射区之间的结称为发射结，基区和集电区之间的结称为集电结。

通常把晶体管的输出特性曲线分为三个工作区：

（1）放大区

输出特性曲线的近于水平部分是放大区。

在放大区，Ic=βIB。

放大区也称为线性区，因为Ic和IB成正比关系。

当晶体管工作于放大状态时，发射结处于正向偏置，集电结处于反向偏置，即对NPN型管而言，应使UBE＞0，UBC＜0。

（2）截止区

IB=0的曲线以下的区域称为截止区。

IB=0时，Ic=ICEO。

对NPN型硅管而言，当UBE＜0.5V时，即已开始截止，但是为了截止可靠，常使UBE≤0。

截止时集电结也处于反向偏置。

（3）饱和区

当UCE＜UBE时，集电结处于正向偏置，晶体管工作于饱和状态。

在饱和区，IB的变化对Ic的影响较小，两者不成正比，放大区的β不能适用于饱和区。

饱和时，发射结也处于正向偏置。

1.2.2三极管的主要参数

电流放大系数β

当晶体管工作在动态（有输入信号）时，基极电流的变化量为△IB，它引起集电极电流的变化量为△Ic。

△Ic与△IB的比值称为动态电流（交流）放大系数

β=△Ic/△IB（公式1-1）

集-基极反向截止电流ICBO

ICBO是当发射极开路时由于集电结处于反向偏置，集电区和基区中的少数载流子的漂移运动所形成的电流。

集-射极反向截止电流ICEO

ICEO是当IB=0（将基极开路）、集电结处于反向偏置和发射结处于正向偏置时的集电极电流。

又因为它好象是从集电极直接穿透晶体管而达到发射极的，所以又称为穿透电流。

集电极最大允许电流ICM

集电极电流Ic超过一定值时，晶体管的β值要下降，当β值下降到正常数值的三分之二时的集电极电流，称为集电极最大允许电流ICM。

集电极最大允许耗散功率PCM

由于集电极电流在流经集电结时将产生热量，使结温声高，从而会引起晶体管参数变化。

当晶体管因受热而引起参数变化不超过允许值时，集电极所消耗的最大功率，称为集电极最大允许耗散功率PCM。

1.3集成运算放大器

目前广泛应用的电压型集成运算放大器是一种高放大倍数的直接耦合放大器。

在该集成电路的输入与输出之间接入不同的反馈网络,可实现不同用途的电路,例如利用集成运算放大器可非常方便的完成信号放大、信号运算（加、减、乘、除、对数、反对数、平方、开方等）、信号的处理（滤波、调制）以及波形的产生和变换。

集成运算放大器的种类非常多,可适用于不同的场合。

1.3.1集成运放的基本组成

集成运放一般由偏置电路、输入级、中间级和输出级四部分组成。

另外，还有电平移动电路、短路保护电路等部分。

（1）偏置电路：

采用恒流源，向各级提供稳定的静态电流。

（2）输入级：

采用差动放大器，减小零漂，提高输入电阻。

（3）中间级：

采用一至两级直接耦合放大器，提供足够的电压放大倍数。

（4）输出级：

采用功率放大器，提高集成运放的带负载能力，向负载提供一定的功率。

1.3.2集成运算放大器的特点

集成运算放大器的一些特点与其制造工艺式紧密相关的，主要有以下几点：

一、在集成电路工艺中还难于制造电感元件；制造容量大于200pF的电容与比较困难，而且性能很不稳定，所以集成电路中要尽量避免使用电容器。

而运算放大电路各级之间都采用直接耦合，基本上不采用电容元件，因此适合于集成化的要求。

必须使用电容器的场合，也大多采用外接的办法。

二、运算放大器的输入级都采用差动放大电路，它要求两管的性能应该相同。

而集成电路中的各个晶体管是通过同一工艺过程制作在同一硅片上的，容易获得特性相近的差动对管。

又由于管子在同一硅片上，温度性能基本上保持一致，因此，容易制成温度漂移很小的运算放大器。

三、在集成电路中，比较适合的阻值大致为100Ω～30kΩ。

制作高阻值的电阻成本高，占用面积大，且阻值偏差大（10%～20%）。

因此，在集成运算放大器中往往用晶体管恒流源代替电阻。

必须用直流高阻值电阻时，也常采用外接方式。

1.3.3正确选择集成运算放大器

集成运算放大器是模拟集成电路中应用最广泛的一种器件。

在由运算放大器组成的各种系统中,由于应用要求不一样,对运算放大器的性能要求也不一样。

在没有特殊要求的场合,尽量选用通用型集成运放,这样即可降低成本,又容易保证货源。

当一个系统中使用多个运放时,尽可能选用多运放集成电路,例如LM324、LF347等都是将四个运放封装在一起的集成电路。

实际选择集成运放时,除优值系数要考虑之外,还应考虑其他因素。

例如信号源的性质,是电压源还是电流源;负载的性质,集成运放输出电压和电流的是否满足要求;环境条件,集成运放允许工作范围、工作电压范围、功耗与体积等因素是否满足要求。

1.3.4四运放集成电路LM324

LM324是四运放集成电路，它采用14脚双列直插塑料封装，外形如图1－2所示。

它的内部包含四组形式完全相同的运算放大器，除电源共用外，四组运放相互独立。

每一组运算放大器可用图1－1所示的符号来表示，它有5个引出脚，其中“+”、“-”为两个信号输入端，“V+”、“V-”为正、负电源端，“Vo”为输出端。

两个信号输入端中，Vi-（-）为反相输入端，表示运放输出端Vo的信号与该输入端的位相反；Vi+（+）为同相输入端，表示运放输出端Vo的信号与该输入端的相位相同。

LM324的引脚排列见图1-2。

图1-1运算放大器图示                      图1-2LM324引脚排列

由于LM324四运放电路具有电源电压范围宽，静态功耗小，可单电源使用，价格低廉等优点，因此被广泛应用在各种电路中。

1.4模数转换及显示芯片ICL7107

ICL7107是一块应用非常广泛的集成电路。

它包含31/2位数字A/D转换器，可直接驱动LED数码管，内部设有参考电压、独立模拟开关、逻辑控制、显示驱动、自动调零功能等。

这里我们介绍一种她的典型应用电路--数字电压表的制作。

其电路如附图。

制作时，数字显示用的数码管为共阳型，2K可调电阻最好选用多圈电阻，分压电阻选用误差较小的金属膜电阻，其它器件选用正品即可。

该电路稍加改造，还可演变出很多电路，如数显电流表、数显温度计等。

1.4.1ICL7107引脚及各引脚的功能

ICL7107型A/D转换器是把模拟电路与数字电路集成在一块芯片上的大规模的CMOS集成电路，它具有功耗低、输入阻抗高、躁声低，能直接驱动共阳极LED显示器，不需另加驱动器件，使转换电路简化等特点。

图1-3是它的引脚排列及功能，各引出端功能见附表1-1。

图1-3ICL7107引脚功能图

表1-1ICL710各引脚功能表

端名

功能

V+和V-

电源的正极和负极

aU～gU

个位、十位、百位笔画的驱动信号，依次接至个位、十位、百位数码管的相应笔画电极

aT～gT

aH～gH

Abk

千位笔画驱动信号，接千位数码管的a、b两个笔画电极

PM

负极性指示的输出端，接千位数码管的g段。

PM为低电位时显示负号

INT

积分器输出端，接积分电容

BUF

缓冲放大器的输出端，接积分电阻

AZ

积分器和比较器的反相输入端，接自动调零电容

IN+、IN-

模拟量输入端，分别接输入信号的正端与负端

COM

模拟信号公共端，即模拟地

C

外接基准电压端

基准电压的正端和基准电压的负端

TEST

测试端。

该端经500Ω电阻接至逻辑线路的公共地。

当作“测试指示”时，把它与V+短路后，LED全部笔画点亮，显示数-1888

OSC～OSC

时钟振荡器的引出端，外接阻容元件组成的多谐振荡器

由CC7107组成的3½位直流数字电压表外围元件的作用是：

（1）R1、C1为时钟振荡器的RC网络。

（2）R2、R3是基准电压的分压电路。

R2使基准电压V=1V

（3）R4、C3为输入端阻容滤波电路，以提高电压表的抗干扰能力，并能增强它的过载能力。

（4）C2、C4分别是基准电容和自动调零电容。

（5）R5、C5分别是积分电阻和积分电容。

（6）CC7107的第21脚（GND）为逻辑地，第37脚（TEST）经过芯片内部的500Ω电阻与GND接通。

（7）芯片本身功耗小于15mW（不包括LED），能直接驱动共阳极的LED显示器，不需要另加驱动器件，在正常亮度下每个数码管的全亮笔画电流大约为40～50mA。

CC7107没有专门的小数点驱动信号，使用时可将共阳极数码管的公共阳极接V+，小数点接GND时点亮，接V+时熄灭。

1.4.2ICL7107使用注意事项

1.辨认引脚：

芯片的第一脚，是正放芯片，面对型号字符，然后，在芯片的左下方为第一脚。

也可以把芯片的缺口朝左放置，左下角也就是第一脚了。

许多厂家会在第一脚旁边打上一个小圆点作为标记。

知道了第一脚之后，按照反时针方向去走，依次是第2至第40引脚。

（1脚与40脚遥遥相对）。

2.牢记关键点的电压：

芯片第一脚是供电，正确电压是DC5V。

第36脚是基准电压，正确数值是100mV，第26引脚是负电源引脚，正确电压数值是负的，在－3V至－5V都认为正常，但是不能是正电压，也不能是零电压。

芯片第31引脚是信号输入引脚，可以输入±199.9mV的电压。

在一开始，可以把它接地，造成“0”信号输入，以方便测试。

3.注意芯片27,28,29引脚的元件数值，它们是0.22uF,47K,0.47uF阻容网络，这三个元件属于芯片工作的积分网络，不能使用瓷片电容。

芯片的33和34脚接的104电容也不能使用瓷片电容。

4.注意接地引脚：

芯片的电源地是21脚，模拟地是32脚，信号地是30脚，基准地是35脚，通常使用情况下，这4个引脚都接地，在一些有特殊要求的应用中（例如测量电阻或者比例测量），30脚或35脚就可能不接地而是按照需要接到其他电压上。

5.负电压产生电路：

负电压电源可以从电路外部直接使用7905等芯片来提供，但是这要求供电需要正负电源，通常采用简单方法，利用一个+5V供电就可以解决问题。

比较常用的方法是利用ICL7660或者NE555等电路来得到，这样需要增加硬件成本。

我们常用一只NPN三极管，两只电阻，一个电感来进行信号放大，把芯片38脚的振荡信号串接一个20K－56K的电阻连接到三极管“B”极，在三极管“C”极串接一个电阻（为了保护）和一个电感（提高交流放大倍数），在正常工作时，三极管的“C”极电压为2.4V－2.8V为最好。

这样，在三极管的“C”极有放大的交流信号，把这个信号通过2只4u7电容和2支1N4148二极管，构成倍压整流电路，可以得到负电压供给ICL7107的26脚使用。

这个电压，最好是在－3.2V到－4.2V之间。

6.如果上面的所有连接和电压数值都是正常的，也没有“短路”或者“开路”故障，那么，电路就应该可以正常工作了。

利用一个电位器和指针万用表的电阻X1档，我们可以分别调整出50mV,100mV,190mV三种电压来，把它们依次输入到ICL7107的第31脚，数码管应该对应分别显示50.0,100.0,190.0的数值，允许有2－3个字的误差。

如果差别太大，可以微调一下36脚的电压。

7.比例读数：

把31脚与36脚短路，就是