单极性可调精密直流稳压电源的设计实现本科毕业论文

1 电子电路实验 综合设计实验总结报告

题目：单极性可调精密直流稳压电源的设计实现 2

摘要 在各种电子电路实验及日常生活中，电源是一种必不可少的仪器，目前所用的电源大多是只有固定电压输出(例如常用的有：±5V、±12V或±15V) 。其缺点是输出电压不可人为的改变；输出精度和稳定性都不高，在测量上传统的电源一般采用指针式或数字式来显示电压或电流，需要搭配电位器来调整所要的电压及电流输出值，然而电位器的阻值特性非线性，在调整时又要花费一定的时间，且会产生漂移。

本次电子电路实验是以STC89C51单片机为核心来进行设计的单极性可调精密直流稳压电源。主要由单片机控制模块、D/A转换模块、功率放大模块、键盘模块、数码管显示模块和串口下载模块等几大部分构成。

单极性可调精密直流稳压电源通过硬件电路和软件程序相结合，由单片机通过D/A来控制功率放大器输出电压，在误差不大于4mV的条件下输出电压范围为0～5V，输出电压的步进值分为三种： 20mV 、100mV 、1V。同时将输出的信号经过功率放大器模块，保证输出的电流不小于0.2A，用于驱动外部设备。 D/A转换模块是是采用DAC0832数模转换器将设置电压值转换成模拟量，再通过运算放大电路来实现电压的正向稳定输出。 键盘设置了“左移”、“右移”、“加”、“减”及“设置和触发”五个按键，实现三种步进的增减及任意位上数值的增减。数码显示部分显示输出电压的预定值（0～5V）。

单极性可调精密直流稳压电源具有设置灵活、操作简便等优点，具有初步的智能化功能。

关键词：单极性可调精密直流稳压电源； 单片机最小系统； DAC0832数模转换； 运放LM324； 连续步进可调； 3

目录 第一章 概述 1. 1直流稳压电源的发展方向 1.2 国内发展现状 1.3 系统研究方向 第二章 设计选题及设计任务要求 1.1设计选题 1.2设计任务要求 第三章 系统概述 3.1方案对比及论证 3.2总体方案对比及论证 3.3各模块方案论证 3.4可行性分析 3.5系统总体设计 第四章 主要器件介绍 4.1 STC89C51简介 4.2晶振的使用 4.3 DAC0832工作原理 4.4 LM324工作原理 4.5译码器74LS47 4.6数码管显示原理 第五章 硬件单元电路设计 5.1 控制电路的设计与分析 5.2 DAC0832数模转换及功放的设计与分析 5.3串口下载电路的设计与分析 5.4 键盘控制的设计与分析 5.5 数码显示控制的设计与分析 第六章 系统软件设计 6.1 系统总程序设计 6.2 系统程序流程图 第七章 安装调试及测试数据分析 7.1 安装调试的步骤 7.2 安装调试出现的问题及原因分析 7.3数据测量 7.4 测量仪器介绍及误差分析 结束语 参考文献 附录一 附录二 附录三 4

第一章 概述 1. 1直流稳压电源的发展方向 1.1.1智能化 目前在研制高精度、高性能、多功能的测量控制仪表时，几乎没有不考虑采用单片机的。以单片机最小系统为主体取代传统仪器的常规电子线路，将软件程序与硬件电路相结合，组成新一代的所谓“智能化测量控制仪表”。直流稳压电源一方面为仪器仪表提供电能量，是仪器仪表的“动力源”，另一面它本身就是仪器仪表，因此，它有可能而且应当智能化。具体地说，智能化的直流稳压电源电源应当具有以下功能特点: ① 操作自动化。系统的整个测量过程如量程选择、数据的采集、传输与处理以等都用单片机来控制操作，实现测量过程的全部自动化。 ②具有自检测功能，包括自动调零、自动故障检测与状态检验、自动校准、自诊断及量程自动转换等。 ③具有友好的人机对话能力。智能化的直流稳压电源使用键盘代替传统直流稳压电源中的切换开关，操作人员只需通过键盘输入命令，就能实现某种测量功能。

1.1.2数字化 在传统直流稳压电源中，控制部分是按模拟信号来设计和工作的。在六、七十年代，电力电子技术完全是建立在模拟电路基础上的。但是，现在数字信号、数字电路显得越来越重要，数字信号处理技术日趋完善成熟，显示出越来越多的优点。

1.1.3模块化 电源的模块化有两方面的含义，其一是指功率器件的模块化；其二是指电源单元的模块化。模块化的目的不仅在于使用方便，缩小整机体积，更重要的是取消传统连线，把寄生参数降到最小，从而把器件承受的电应力降至最低，提高系统的可靠性。

1.1.4 绿色化 电源系统的绿色化有两层含义：首先是显著节电，这意味着发电容量的节约，而发电是造成环境污染的重要原因，所以节电就可以减少对环境的污染；其次这些电源不能(或少)对电网产生污染，国际电工委员会(IEC对此制定了一系列标准，如工EC555, IEC917,IECI000等。20世纪末，各种有源滤波器和有源补偿器的方案诞生，为21世纪批量生产各种绿色直流稳压电源产品奠定了基础。

1.2 国内发展现状 在我国，以电力电子学为核心技术的电源产业，从二十世纪60年代中期开始形成，到了90年代以来，电源产业进入快速发展时期。一方面， 电源产业规模的 5

发展在加快；另一方面，在国家自然科学基金的资助下或创新意识指导下，我国电力电子技术的研究从吸收消化和一般跟踪发展到前沿跟踪和基础创新，电源产业界涌现了一些技术难度较大，具有国际先进水平的产品，而且还产生了一大批具有代表性的研究成果和产品；目前国内还开展了跟踪国际多方面前沿性课题的研究或基础创新研究。但是我国电源产业与发达国家相比，存在着很大的差距和不足:在电源产品的质量、可靠性、开发投入、生产规模、工艺水平、先进检测设备、智能化、网络化、持续创新能力等方面的差距为10-15年，尤其在实现直流稳压电源的智能化、网络化方面的研究不是很多。 目前国内在这两方面研究比较多的是成都电子科技大学和广州华南理工大学，主要是利用单片机和可编程系统器件(PSD)来控制开关直流稳压电源或数制化电压单元达到数控的目的，但和国外的比较起来，效果不是很理想，还有很大的差距。国内厂家生产的直流稳压电源虽然也在向数字化方向发展，但多限于对输出显示实现数码显示，或实现多组数值预置。总体说来，国内直流稳压电源技术在实现智能化等方面相对落后，面对激烈的国际竞争，是个严重的挑战。

1.3 系统研究方向 本系统研究的直流稳压电源主要是符合智能化、数字化以及模块化的特点。智能化主要是指系统有可编程模块可以对系统进行智能控制。数字化主要是指系统输出电压通过7段数码管显示，并且可以通过按键对输出电压进行连续步进数字化调节。模块化是指系统由各个相关模块组成，提高了系统的可靠性。 6

第二章 设计选题及设计任务要求 1.1设计选题 设计选题三十六 单极性可调精密直流稳压电源的设计实现 1.2设计任务要求 1.2.1设计任务 本设计是以单片机为控制核心的单极性可调精密直流稳压电源的设计过程。本系统以单片机模块、D/A模块、功率放大器模块等构成。单片机通过D/A来控制功率放大器输出电压。该系统要求输出电流不小于0.2A。在误差不大于4mV的条件下输出电压范围为0-5V，输出电压的步进值分为三种： 20mV、100mV、1V。 1.2.2设计要求 （1）运用单片机系统控制输出误差不大于4mV、输出电压范围为0-5V的任意电压值。 （2）该电压值的输出步进值分为三种： 20mV、100mV、1V。 （3）该系统要求输出电流不小于0.2A。 7

第三章 系统概述 3.1 方案对比及论证 根据设计任务与指标要求，从总体方案的选择、各主要模块的选择及可行性分析三方面进行了方案对比论证：

3.2 总体方案对比及论证 方案一：

图3.1.1 方案一框图 此方案使用十进制计数器，一方面完成电压的译码显示，另一方面其输出作为EPROM的地址输入，而由EPROM的输出经D/A变换后控制误差放大的基准电压来实现输出步进。 方案二：

单片机最小系统版串口下载模块D/A转换模块按键控制模块

功率放大模块数字显示模块 图3.1.2 方案二框图 此方案的控制部分采用STC89C51单片机，输出部分也不采用传统的调整管方式，而是在D/A转换之后，经过稳定的功率放大而得到，因为使用了单片机，整个系统可编程，使得系统灵活性大大增加。

方案对比论证： 8

（1）数控部分：方案一中采用中、小规模器件实现的数控部分，使用芯片很多，造成控制电路内部接口信号繁琐，中间相互关联多，抗干扰能力差。在方案二中采用了8951单片机完成整个数控部分的功能，同时，STC89C51作为一个智能的可编程器件，便于系统功能的扩展。 （2）输出部分：方案一中采用线性调压电源，以改变其基准电压的方式使输出步进增加/减少，这样不能不考虑整流滤波后的纹波对输出电压的影响，而方案二中使用运放起到电压电源抑制比的作用，可以大大减少输出端的纹波电压。 综上考虑这里采用方案二。

3.3 各模块方案论证 根据设计任务与指标要求，从D/A数字模拟转换模块、按键控制模块、数字显示模块、下载模块的四方面进行了方案对比论证：

3.3.1 D/A数字模拟转换模块 方案一： 采用MX7541是高速高精度12位数字/模拟转换器芯片，功耗低，而且其线性失真可低达0.012%，特别适合于精密模拟数据的获得和控制。 方案二： 采用DAC0832，DAC0832是一种常用的8位的数字/模拟转换芯片。 本系统是基于51单片机的单极性可调精密直流稳压电源的设计， 8位的单片机，而MX7541是12位数字输入的，因此须用锁存器。而此单极性可调精密直流稳压电源要求步进20mV、100mV、1V，DAC0832完全可以达到，且DAC0832可保证输出电压精度为0.004V。 综上考虑，在这里选择常用的DAC0832。

3.3.2 按键控制模块 方案一： 采用矩阵键盘，由于按键多可实现电压值的直接键入。 方案二： 采用一般的电平判键按钮，实现方法很简单，但一个端口最多只实现8个按键。 由于本数控电源需要用的按键不多，要实现步进为20mV、100mV、1V的设计要求，只需用一个“+” 按键、一个“-”按键、一个“位左移”按键、一个“位右移”