毕业设计106可简易数字显示的集成直流稳压电源的设计.docx

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毕业设计106可简易数字显示的集成直流稳压电源的设计

设计课题：

可简易数字显示的集成直流稳压电源的设计

一设计目的：

通过可简易显示的直流稳压电源的设计、安装和调试，要学会：

⑴选择变压器、整流二极管、滤波电容及集成稳压器来设计直流稳压电流；

⑵掌握直流稳压电路的调试及主要技术指标的测试方法。

选择合适的A/D转换芯片和各种辅助设计IC，并掌握它们的各种指标和性能；

掌握软件控制显示和A/D转换方法和硬件电路的连接，巩固汇编语言设计的基本知识及技巧；

学会模拟和数字电路的汇合设计，体会其中的要点和难点；

掌握软硬件结合安装调试的方法和熟练掌握印制电路板技巧；

通过设计加深对基础知识的认知和个学科间的联系，能基本的进行综合电路课题的设计。

二技术指标：

⑴两路基本电压输出±5V和±12V电压、一路可调0~20V可显示电压输出，最大输出电流为1.5A。

⑵输出纹波电压5～6mV，输出电流大于1A

⑶输出功率≥20W，总体谐波失真小于0.2％，稳压系数Sv≤5×10-3。

数字电压表四位显示，分辨率小于20mV，可连续可调。

显示范围为四档：

Ⅰ：

0～5V、Ⅱ：

5～10V、Ⅲ：

10～15V、Ⅳ：

15～20V。

可外接测量范围0~20V的电压，具有自动换档的功能。

三设计要求：

⑴合理选择设计方案、独立元器件和各种芯片；

⑵完成全电路理论设计、安装调试、绘制电路图和制作电路板；

⑶撰写设计报告、调试总结报告及使用说明书。

四设计内容：

1：

基本原理

1.1：

直流集成稳压电源原理

交流电源电压经电源变压器变换成整流电路所需的交流电压植后，通过整流电路变成单向脉冲电压，再由滤波电路滤去其中的交流分量，得到较平滑的直流电压，最后经稳压电路获得稳定的直流电压。

1.2：

数字电压显示原理

直流电压经过模数转换器进行采样、量化与编码输出二进制代码，由单片机系统进行处理，一方面根据计算结果去自动切换量程；另一方面通过显示系统进行实时的显示输出电压值。

2：

结构框图

3：

单元电路设计

3.1：

直流稳压电源

3.1.1方案选择

在两种方案中，第一种是用的集成度很高的稳压管，如图下，它里边除了增加了一组启动电路外，其余部分与一般的串联型稳压电路完全一样，其基准电压源的保护性更高，保护电路更完善。

串联稳压电路基本电路CW7800内部电路组成框图

启动电路是集成稳压器中的一个特殊环节，它的作用是在Ui输入后，帮助稳压器快速建立输出电压U0。

调整电路由复合管构成。

取样电路由内部电阻分压器构成，分压比为固定的，所以输出电压是固定的。

CW7800系列稳压器中设有比较完善的保护电路，主要用来保护调整管。

它具有过流、过压和过热保护功能。

当输出过流或短路时，过流保护电路动作限制调整管电流的增加；当输入、输出压差较大，即调整管的C、E之间的压降超过一定值后，过压保护电路动作自动降低调整管的电流，以限制调整管功耗，使之处于安全工作区。

过热保护电路是集成稳压器独特的保护措施，当芯片温度较低时，过热保护电路不起作用，当芯片温度达到最大允许值时，保护电路将迫使输出电流减小，芯片功耗随之减小，从而可避免因过热而损坏。

但是像在方案二中的电路中，它的输出电压受到三极管放大倍数的影响很大，如果三极管的放大倍数足够大的话它的稳定性就越好，这就是利用了三极管的稳压特性，但是要做到一个三极管的放大倍数无穷的大，但是每个三极管的放大倍数都是有限的，但是两个或多个三极管一起的话就可以解决这个问题，但是当电源要求长时间的工作的话三极管会变得不稳定，也就是在电路中的电流大小不一，很容易引起电路不稳定，这样的话电路很容易因过热而停止对外输出。

但是在方案一中就不会出现这样的情况，稳压管里边有一个过流、过压和过热保护功的电路，但是这个地方没有这样的保护电路，在三端可调输出电路中方案一中采用的是CW317的稳压管和电阻可调。

而方案二中采用的是电阻可调，同样的也是由于受温度影响，当负载中的电流过大时产生大量的热量，以致电路不能正常输出。

而稳压管是高度集成的元件，元件本身体积小，发热量不如方案二中的大，故采用第一种方案。

直流稳电源基本电路

3.1.2.电源变压器

电源变压器的作用是将220V的交流电压V1变换成整流滤波电路所需要的交流电压V2。

变压器副边与原边的功率比为

式中，

为变压器的效率。

一般小型变压器的效率如表所示。

小型号变压器的效率

副边功率

＜10

10~30

30~80

80~200

效率

0.6

0.7

0.8

0.85

3.1.3.整流滤波电路

整流二极管D1—D4组成单相桥式电路,将交流电压V2变成脉动的直流电压，再经过滤波电容C滤除纹波电压Vi。

Vi与交流电压V2的有效值V,2的关系为

每只二极管承受的最大反向电压

通过每只二极管的平均电流

式中,R为整流滤波电路的负载电阻。

它为电容C提供放电回路，RC放电时间常数应满足

式中T为50Hz的交流电压的周期，即20ms。

3稳压电路

调节器整管T1与负载电阻RL组成串联式稳压电路。

T2与稳压管Dz组成采样比较放大电路，当稳压器的输出负载变化时，输出电压V0应该保持不变，稳压过程如下。

设输出负载电阻RL变化，使V0

，则

3.1.4、直流稳压电源设计

直流稳压电源的类型有多种，就这个问题我用下面两种方案来进行设计。

方案一用CW78系列和CW79系列的及CW317构成的稳压电路。

集成稳压电源设计的主要内容是根据性能指标，选择合适的电源变压器、集成稳压器、整流二极管及滤波电容。

首先我们介绍一下集成稳压器常见的稳压器有固定三端与可调式三端稳压器，我们先介绍固定三端稳压器及其典型应用。

我们通常所用的7800和7900系列的稳压管如下图所示：

固定三端式稳压稳压器的典型应用

（a）CW78xx系列典型应用（b）CW79xx系列典型应用

在CW78xx系列中1脚接输入，2脚接地，3脚接输出。

CW79xx系列中1脚接地，2脚接输入，3脚接输出。

其中CW78xx系列中输出为正电压，如7815则它的输出电压为+15V而CW79xx系列中输出为负电压，如7915则输出电压为-15V，（它们的输出额定电流以字母为标志，L表示0.1A,M表示0.5A,无字母表示1.5A）但不管是输出为正电压的78系列还是输出为为负电压的79系列，它们的输入端所接入的电容Ci的功能是进一步滤除纹波，输出端接入的电容C0能改善负载的瞬态影响，使电路稳定工作。

Ci和C0最好用漏电流小的电容，如果是电解电容的话，则电容量要比图中的增加10倍。

下面我们介绍一组可调式三端输出集成稳压器

如下图是一个三端可调的基本应用电路,V1用于防止输入短路时C4上存储的电荷产生很大的电流反向流入稳压器使之损坏.V2用于防止输出短路时C2通过调整端放电而损坏稳压器.C2还用于减小输出纹波电压.R1、Rp构成取样电路，这样，实质上电路构成串联稳压电路，调节Rp可改变取样比，即可调节输出电压U0的大小。

该电路的输出电压U0等于

由于

，可以略去，又

，所以

可见，当

R2=0时，U0=1.25V，当R2=2.2K时，U0=24V

三端可调稳压器基本应用电路

考滤到器件内部电路绝大部分的表态工作电流IQ由输出端流出，为保证负载开路时电路工作正常,必须正确选择电阻R1。

根据内部电路设计IQ=5mA，由于器件参数的分散性，实际应用中可选用IQ=10mA，这样R1的值可定为

3.2：

电压显示电路

3.2.1：

电压显示电路方案的选择

现在的显示电路分为模拟和数字显示两种：

模拟显示是根据传感器把电能量相应的转换成扭矩以指针的偏移量来计算；数字显示是先把模拟电压进行A/D转换，把转换后的数字信号进行处理后再送显示系统进行显示。

现实应用中一般把两种显示方法有机结合在一起，即先把电能量用传感器转换成易于数字化的信号再通过A/D转化进行处理显示。

现实中如PC、MCU和大部分运算型IC都只能处理数字信号即只运算“0”和“1”两个信号，因此要把模拟信号进行数字显示就必须把信号数字化。

所以数字显示电路中A/D芯片是必需的。

在此设计电路中，由于电压范围较小、值也不大再加上模拟显示成本高、精确度不好、不便于操作、损耗快所以采用直接进行A/D转换后数字显示的方案。

随之而来的是如何进行处理、处理后怎样控制显示？

其中就必须要一个微处理器或者运算芯片把A/D转换后的信号进行处理，再把处理后的结果送给显示系统来显示。

市面上这样的芯片多如牛毛，考虑设计成本、硬件电路的适配和集成度、和显示电路的综合控制等方面，我采用常用的单片机作为运算和控制的核心。

若要实现自动换控制，只要单片机是不够的，必须有控制电路也就是“开关”。

通常所用的继电器等强电方面的控制开关在电子方面显然是“大材小用”了，所以只有选用在电子范畴的控制开关。

常见的有光耦、热敏电阻、声控、模拟开关（基于CMOS传输门原理）等器件进行控制。

又因为数字电路对应的“1”都有个范围，也就是A/D转化的信号范围是一定的，要想扩展就必须在A/D转换前把信号进行缩小或扩大。

也就是必须要有多路选择开关根据单片机输出的控制信号进行制动以控制缩小或放大比例以适配A/D转换。

所以我选用模拟开关以便于调整比例。

3.2.2单片机最小系统

单片机最小系统电路由单片机芯片和外围电路组成。

由于把本次设计的各单元电路拆分到基本单元电路，所以在此仅设计外围的时钟电路和复位电路。

总体设计中的模数转换电路和显示电路是基于此最小系统进行设计的。

介于此，下述电路的设计将不再做赘余设计，仅将各口连接线标出以做标记。

单片机是微型计算机向稳定可靠、体积小和价格低廉这个方向发展的产物。

也正因为它有这些特性才被广泛的应用于实现各种测量和控制功能。

也是我选择它作为控制和处理数据的核心。

单片机芯片的选择

现在单片机的种类很多，但主要是基于Intel早期推出的MCS-51系列。

根据ROM的种类不同/内部定时器等的不同又可分为8*C…/51/52系列。

至于具体的型号和其他产品型号在此不做累述。

一般的简易单片机设计采用8031系列配合外围电路，8031系列为片内无ROM需扩展，因此应用此系列的设计便于进行程序的装载和修改但外围扩张过多必然要进行I/O口的扩展，这样就增加设计要求和成本。

80C51系列有内部ROM因此不需要扩展可直接下载程序运行。

考虑到整体电路主要是基于单片机最小系统的模数转换电路和显示电路并不复杂，而且一块80C51芯片的接口就可以满足需求，所以采用80C51作为设计芯片。

下面简要介绍下80C51的结构框图和基本功能：

下图为单片机系统结构框图。

中央处理器简称CPU，是单片机的核心，完成运算和控制操作。

包括运算和控制器两部分。

80C51中共有256个RAM单元，但其中后128单元被专用寄存器占用，供用户使用的只要前128个单元，用于存放可读写的数据。

80C51有4K的程序存储器，用于存放程序和原始数据。

出于控制应用的需要，80C51有两个16位的定时/计数器，以实现定时或计数功能，并以起定时或计数的结果对单片机进行控制。

4个8位的并行I/O口实现数据的并行输入输出。

一个全双工的串行口用来实现串行数据传送。

该串行口的功能很强，既可以作为全双工的异步收发器使用，也可作为同步移位器使用。

80C51有5个中断源，即外中断两个，定时/计数中断两个，串行中断一个。

全部中断分为高级和低级共两个优先级别。

80C51内部有时钟电路，但石英晶体和微调电容需外接。

上述系统的地址信号、数据信号、控制指令都是通过总线传送的。

总线结构减少了单片机的连线和引脚，提高了集成度和可靠性。

按照设计要求，单片机是数据采集处理和控制中心。

数据的输入和控制信号的引出都要用到单片机的I/O口。

所以在实际应用中I/O的分配极其关键，观察整个电路设计：

采集数据的输入要八个I/O口；控制A/D转换芯片至少要启动、关闭和转换标志信号三个I/O；数据显示段控和位控需要14个I/O口；A/D转换外接时钟信号由ALE引脚提供；模拟开关至少需要2个I/O进行控制；再加上单片机本身时钟电路复位电路使用的口线和电源接口，计算下来单片机的40个引脚以足够所以不需进行扩展。

设计中我采用P1口八位口线对A/D转换数据进行接收；PO口八位口线作为显示的段控线、P2口的低四位口线作为位控位；P2.4和P2.5作为量程转换的控制口线；/RD和/WR分别作为A/D转换启动和停止的信号线；我采用中断方式对A/D转换结果控制所以/INT0作为转换标志信号；ALE二分频为A/D转换器提供时钟信号。

右图（12）为80C51的引脚图。

80C51为芯片封装：

DIP，引脚数量：

40。

：

信号引脚（第一功能）说明：

P0口8位双向输入输出口线，完成数据的传送；在构造单片机应用系统片外总线时，既作为8位数据总线（D0～D7），又作为地址总线的低8位（A0～A7）分时使用。

P1口8位双向输入输出口线，完成数据的传送；在单片机处于编程工作方式时，由

它输入存储器单元地址的低8位。

图（12）

P2口8位双向输入输出口线，完成数据的传送；在构造单片机应用系统片外总线时，作为地址总线的高8位（A8～A15）使用；在单片机处于编程工作方式时，由它输入存储器单元地址的高8位；

P3口8位双向输入输出口线，完成数据的传送；

ALE：

地址锁存控制信号。

在不扩展单片机系统时不使用，但ALE端仍产生频率为晶体振荡器振荡频率fosc的1/6的周期性正脉冲信号，此信号可以作为外部时钟或外部定时脉冲使用；在扩展单片机系统时，ALE的输出用于控制把P0口输出的低8位地址送锁存器锁存，即锁存地址的低位字节，以实现低位地址和数据总线信息的分离。

/PSEN：

外部程序存储器读选通信号在读外部ROM时，/PSEN有效（低电平），以实现外部ROM单元的操作。

RST：

复位信号，高电平有效。

但有效的高电平信号必须维持两个机器周期以上，用以完成单片机复位初始化操作。

XTAL1和XTAL2：

外接晶体引线端当使用芯片内部时钟时，用于外接石英晶体和微调电容；当使用外部时钟时，用于连接外部时钟脉冲信号，此时，XAL1接地、XTAL2连接外部时钟脉冲信号。

VSS:

地线

VCC:

+5V电源

：

信号引脚（第二功能）说明：

ALE/PROG：

编程脉冲输入端在单片机处于编程工作方式时，输入编程脉冲；

/EA/VPP：

编程电压（25V或21V）输入端；

RST/VPD：

备用电源引入端VCC掉电期间，此引脚可接上备用电源。

一旦芯片在使用过程中，当VCC电源发生故障（电压突然下降或断电，称掉电，或失电），电压下掉到低于规定的值，备用电源经此端向内部RAM提供电压，以保护内部RAM中的信息不丢失，使单片机复电后，能正常运行。

P3口口线的第二功能如图（13）

P3口口线

第二功能

信号名称

P3.0

RXD

串行数据接收输入

P3.1

TXD

串行数据发送输出

P3.2

/INT0

外部中断0申请输入

P3.3

/INT1

外部中断1申请输入

P3.4

T0

T/C0计数输入输入

P3.5

T1

T/C1计数输入输入

P3.6

/WR

外部RAM写选通输出

P3.7

/RD

外部RAM读选通输出

注意：

对于ALE/PROG，/EA/VPP和RST/VPD，由于第一功能信号与第二功能信号是单片机在不同工作方式下的信号，因此，不会发生使用上的矛盾；对于P3口口线,在实际使用时应优先考虑其第二功能。

图（13）

时钟和复位电路设计

根据上述的单片机的原理和内部结构我选取6MHz的石英晶体组成时钟电路。

如图（14）

单片机有两种复位方式：

上店复位和按键手动复位。

上电复位的电路通过电容充电来实现。

按键手动复位有电平方式和脉冲方式复位。

按键电平复位是通过使复位端经电阻与VCC电源接通而实现的。

按键脉冲复位则是利用RC微分电路产生的正脉冲来实现的。

图（14）

注意的只有保证复位信号高电平持续时间大于两个机器周期才能完成复位。

我选择6MHz的石英晶体，则一个机器周期为2μs，则高电平至少应该持续4μs以上。

所以我采用按键电平复位电路，电路图和元件属性值如图（15）。

复位是单片机的初始化操作，主要功能是把PC初始化为0000H，使单片机从0000H开始执行程序。

当由于程序运行出错或操作错误使系统处于死锁定状态时，为摆脱困境也需要复位键以重新启动。

图（15）

单片机最小系统是整个电路的心脏，数据处理和控制都在此处完成。

单片机最小电路的设计并不复杂但其外围电路的设计就比较复杂。

综上所述即可得单片机最小系统电路。

由于此节不涉及各I/O的应用、使用引脚少及在显示和模数转换电路中还要给出此系统的接口电路图所以在此就不给出。

对A/D转换电路和显示电路的控制程序在附录中给出。

3.2.3：

数模转换电路的实现

：

A/D转换芯片的选择

现在的A/D转换芯片很多，有并行的也有串行的。

有多路输入也有单路输入的。

输出精度也各不相同。

所以在此对型号就不做介绍主要说明一下内部转换电路的方式。

根据转换原理A/D转换器可分为三种：

双积分、逐次逼近和并行式。

双积分型是一种间接型A/D转换器。

基本原理是将输入的模拟电压UI先转换成与UI成正比的时间间隔，在此时间内用计数器对恒定频率的时钟脉冲计数，计数结束时，计数器记录的数字量正比于输入的模拟电压，从而实现A/D转换。

逐次逼近型是一种反馈比较型A/D转换器。

原理过程类似于天平称质量，把砝码从大到小依次置于天平上，与被称物体进行比较，如砝码比物体轻，则保留该砝码，否则去掉，直到称出物体的质量为止。

并行式A/D转换器由基准电压、电阻分压器、电压比较器、寄存器、代码转换器组成。

其中电阻分压器把基准电压按一定的比例进行量滑电平划分，各个不同等级的量化电平分别加到相应比较器的反向端，作为各个比较器的参考电压，输入模拟电压同时加到各比较器的同向输入端，根据输入电压的大小，各比较器输出的状态不同，他们经寄存器送到代码转换电路，完成二进制编码，从而实现A/D转换。

并行式A/D转换器的转换速度极快，是各种A/D转换器中速度最快的一种，速度约为十几纳秒，但它的电路复杂，所用的触发器和比较器数量多，所以这种转换器成本高、价格贵，一般场合较少使用，多用于要求转换速度很高的情况。

逐次逼近型的速度比并行式的慢，转换时间大约在几微秒到几百微妙之间，属于中速的A/D转换器，但由于电路简单，成本较底，因而被广泛应用。

双积分型转换时间长、工作速度底，约为数十毫秒，但它的电路结构简单，转换精度高，抗干扰能力强，因此常用于低速场合，数字式仪表大多采用这种A/D转换器。

A/D转换器的主要参数有三个：

分辨率：

分辨率是指A/D转换器输出数字量的最底位变化一个数码时，对应输入模拟量的变化量。

显然A/D转换器的位数越多，分辨最小模拟电压的值就越小。

值得注意的是一个n位的A/D转换器，是一个设计参数而不是测量参数。

相对精度：

是指A/D转换器实际输出数字量与理论输出数字量之间的最大差值。

通常用最底有效位LSB的倍数来表示。

转换速度：

即完成一次转换所需的时间，也就是从转换开始到输出端出现稳定的数字信号所需要的时间。

综上所述，我选用逐次逼近型COMS工艺A/D转换器ADC0804。

下面对ADC0804简要介绍：

8位COMS依次逼近型的A/D转换器.

三态锁定输出

存取时间:

135US

分辨率：

8位

转换时间：

100US

总误差：

正负1LSB

工作温度：

ADC0804LCN---0~70度

输入电压范围：

5V

单电源供电。

双列直插式封装图（16）

AGND：

模拟信号地。

D7～D0：

具有三态特性数字信号输出。

DGND：

数字信号地。

VREF/2：

参考电平输入，决定量化单位。

CS：

低电平有效的片选端。

INTR：

A/D转换结束信号，低电平表示本次转换已完成。

INTR：

A/D转换结束信号，低电平表示本次转换已完成。

VIN（+）VIN（-）:

差动模拟电压输入.输入单端正电压时,VIN（-）接地:

而差动输入时,直接加入VIN（+）VIN（-）。

CLKIN、CLKR：

时钟输入或接振荡无件（R，C）频率约限制在100KHZ~1460KHZ，如果使用RC电路则其振荡频率为1/（1.1RC）。

CKLIN为外部时钟信号输入端。

/WR：

用来启动转换的控制输入，相当于ADC的转换开始（/CS=0时），当/WR由高电平变为底电平时，转换器被清除：

当/WR回到高电平时，转换正式开始

/RD：

外部读取转换结果的控制输出信号。

/RD为高电平时，DB0~DB7处理高阻抗：

/RD为底电平时，数字数据才会输出。

芯片引脚的连接

要实现A/D转换只有芯片还远远不够，怎么样和外围电路连接才是关键。

本电路中主要是和单片机系统的连接。

由图（16）中引脚图和引脚功能简介中可以总结出最基本的连接方式：

D0～D7具有三态特性所以可以直接和单片机的I/O连接不需缓存；CS是片选信号，因为设计电路中始终要进行A/D转换而且无其他扩展芯片所以直接接地使A/D转换器始终选定；AGND为模拟地直接接地即可，同理DGND直接接数字地；CLKIN、CLKR为时钟信号引入端，为了和单片机实时同步工作采用ALE信号二分频来（ALE输出频率为单片机机器周期的二倍）提供时钟信号；INTR：

A/D转换结束信号，低电平表示本次转换已完成。

中断方式实质上是一种资源共享技术主要用于实时控制，可以最大程度的提高速度，所以我采用中断方式获取此信号直接和外中断0断口相连；VREF/2：

参考电平输入，决定量化单位。

此信号的精确对输出的影响很大，我采用直接电阻分压为此引脚提供信号；/WR和/RD和单片机是兼容的所以直接相连即可；VIN（+）VIN（-）为输入信号选端，由于只输入正电压所以VIN（-）直接接地，信号由VIN（+）输入。

使用ADC080等A/D转换器时有以下几个注意点：

CS与WR同时为低电平A/D转换器被启动且在WR上升沿后100us模数完成转换，转换结果存入数据锁存器，同时，INTR自动变为低电平，表示本次转换已结束。

如CS、RD同时来低电平，则数据锁存器三态门打开，数字信号送出，而在RD高电平到来后三态门处于高阻状态。

ADC0804的零点无须调整。

满刻度调整时，先给输入端加入电压，使满刻度所对应的电压值是，其中是输入电压的最大值，是输入电压的最小值。

当输入电压与值相当时，调整端电压值使输出码为FEH或FFH。

在使用A/D转换器时，为保证其转换精度，要求输入电压满量程使用。

如输入电压动态范围较小，则可调节参考电压，以保证小信号输入时ADC0804芯片8位的转换精度。

模数、数模转换电路中要特别注意到地线的正确连接，否则干扰很严重，以至影响转换结果的准确性。

A/D、D/A及取样保持芯片上都提供了独立的模拟地（AGND）和数字地（DGND）的引脚。

在线路设计中，必须将所有的器件的模拟地和数字地分别连接，然后将模拟地与数字地仅在一点上相连。

图（17）地线的正确连接方法如图（17）所示。

时钟电路可以外接也可以通过外加电阻、电容产生。

我采用外接时钟信号。

单片机的ALE信号进行二分频的时钟作为外部时钟的输入，以达到同步工作和便于操作。

采用D触发器作为分频电路。

电路图如右图（19）中74F74接法

综合以上所述可的A/D转化总体电路如图（19）

电路