數(shù)字式恒流電源的研究

1、數(shù)字式恒流電源的研究摘要本設(shè)計(jì)以AVR單片機(jī)為核心，通過(guò) A/D、D/A轉(zhuǎn)換、DC/DC變換及PID算法利 用PWM技術(shù)實(shí)現(xiàn)了高精度的，電流輸出范圍為 20mA-2000mA的數(shù)控直流電流源。 該電流源具有電流可預(yù)置，50mA步進(jìn)。本系統(tǒng)采用單閉環(huán)負(fù)反響PID比例、積分、微分算法控制，縮短上升時(shí)間， 減小超調(diào)量，減小了輸出電流的偏差。系統(tǒng)采用中文LCD提供顯示支持，可同時(shí)顯示設(shè)定值，實(shí)際值以及其他相關(guān)信息。我們自行設(shè)計(jì)了 15V、+12V和5V電源為系 統(tǒng)供電。關(guān)鍵字： 數(shù)控恒流源 AVR PWM PID DC/DC 轉(zhuǎn)換AbstractThe paper expounds the desig

2、n of the numerical controlled constant-Current source.The system core is AVR.The A/D,D/A,DC/DC converts and the specific arithmetic is used to carry out high precision and the current output range from 20mA to 2000mA.The source realizes that the output current can be set, 50mA adjusted step by step.

3、This system adoption list shuts the wreath negative feedback PID( proportion, integral calculus, differential calculus) calculate way control, shortening to rise time, let up super adjust the quantity, let up to output the deviation of the electric current. LCD with Chinese characters is used to dis

4、play part of this system, which can show the initial value at the same time, actual value etc. We by ourselves designed the 15 Vs, 12V and 5V power supplies to be the system power supplies.Keywords: DC Power AV PWM PID DC/DC conversionIII目錄第一章 緒 論 - 1 -1.1 恒流源簡(jiǎn)介 - 1 -1.1.1 恒流源的定義 - 1 -1.1.2 恒流源的分類 -

5、 1 -1.1.3 恒流源的應(yīng)用 - 1 -1.1.4 恒流電源的開(kāi)展過(guò)程 - 5 -1.2 國(guó)內(nèi)外開(kāi)展現(xiàn)狀與趨勢(shì) - 5 -1.3 課題的意義和目的 - 6 -1.4 本文所作的主要工作 - 7 -第二章 理論分析及可行性方案論證 - 7 -2.1 恒流電源工作特性分析 - 7 -2.2 開(kāi)關(guān)電源幾種電路類型 - 9 -2.2.1 降壓型Buck變換器 -9 -2.2.2 升壓型Boost變換器 -11 -2.2.3 極性反轉(zhuǎn)升降壓Buck Boost變換器 -12-2.2.4 Cuk 變換器 -14 -2.3 PWM的工作原理 -15-2.3.1 PWM控制的根本原理 -15 -2.3.2

6、 PWM 相關(guān)概念 -17-2.4 開(kāi)關(guān)電源的控制算法 -17-2.5 本章小結(jié) -22-第三章電源系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) -23-3.1 系統(tǒng)硬件總體結(jié)構(gòu) -23-3.2 工作原理和流程分析 -24-3.3 AVR 控制器電路 - 25 -3.4 可調(diào)電流源主電路 - 26 -3.5 數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)輸出 - 27 -3.6 反響電路 - 29 -3.7 人機(jī)交互接口 - 30 -3.7.1 鍵盤輸入模塊 - 30 -3.7.2 LCD 液晶顯示模塊 - 31 -3.8 電源供電電路 - 33 -3.9 接口及保護(hù)電路 - 35 -3.9.1 接口電路 - 35 -3.9.2 濾波扼流電路的設(shè)計(jì) - 3

7、6 -3.10 本章小結(jié) - 38 -第四章 軟件程序設(shè)計(jì) - 39 -4.1 主程序模塊 - 39 -4.2 閉環(huán)比擬子程序模塊 - 39 -4.3 電流設(shè)置子程序模塊 - 43 -4.4 鍵盤中斷子程序模塊 - 44 -4.5 顯示中斷子程序模塊 - 44 -4.6 PWM制子程序模塊 -45-4.7 本章小結(jié) - 45 -總 結(jié) - 47 -致 謝 - 48 -參考文獻(xiàn) - 49 -附錄 1：數(shù)字是恒流源原理圖 - 51 -第一章 緒 論1.1 恒流源簡(jiǎn)介1.1.1 恒流源的定義所謂恒流源也稱電流源或穩(wěn)流源 , 即對(duì)應(yīng)于一定的電壓變化所產(chǎn)生的電流變化 趨于零, 電流是一個(gè)恒定值 ,有很高

8、的動(dòng)態(tài)輸出電阻 ,具有這種特性的器件稱之為恒 流源。一言以蔽之，能夠向負(fù)載提供恒定電流的電源稱作恒流源。理想的恒流源其 輸出是絕對(duì)不變的，但實(shí)際的恒流源只能在一定范圍內(nèi)保持輸出電流的穩(wěn)定性。1.1.2 恒流源的分類按照調(diào)整方式不同， 恒流源可分為直接調(diào)整型恒流源和間接調(diào)整型恒流源； 其 中，間接調(diào)整型恒流源根據(jù)調(diào)整元件的工作狀態(tài)不同， 又可分為連續(xù)調(diào)整型恒流源、 開(kāi)關(guān)調(diào)整型恒流源和組合調(diào)整型恒流源； 按照輸出電流的性質(zhì)不同， 可分為直流恒 流源和交流恒流源。本文所研究的恒流源即為直流恒流源。1.1.3 恒流源的應(yīng)用1. 在LED驅(qū)動(dòng)中的應(yīng)用LED 由于環(huán)保、壽命長(zhǎng)、光電效率高等眾多優(yōu)點(diǎn)，近年來(lái)

9、在各行業(yè)應(yīng)用得以 快速開(kāi)展，LED恒流源成了關(guān)注熱點(diǎn)，理論上，LED的使用壽命在10萬(wàn)小時(shí)以上， 但在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，由于 LED 恒流源的設(shè)計(jì)及驅(qū)動(dòng)方式選擇不當(dāng)，致使 LED 極 易損壞。由于 LED 的生產(chǎn)廠家及 LED 規(guī)格不同，電流、電壓特性均有差異。現(xiàn)以 白光 LED 比擬常見(jiàn)的規(guī)格為例，按照 LED 的電流、電壓變化規(guī)律進(jìn)行說(shuō)明，一般 應(yīng)用正向電壓為左右，典型值電壓為3.3V，電流為20mA，當(dāng)加于LED 兩端的正向電壓超過(guò)3.6V后，正向電壓很小的增加，LED的正向電流都有可能會(huì) 成倍增漲，使 LED 發(fā)光體溫升過(guò)快，從而加速 LED 光強(qiáng)減弱，使 LED 的壽命縮 短，嚴(yán)重時(shí)燒

10、壞LED。由LED的電壓、電流變化特性，進(jìn)而導(dǎo)致對(duì) LED驅(qū)動(dòng)的設(shè) 計(jì)提出了嚴(yán)格要求。當(dāng)前很多廠家生產(chǎn)的 LED 燈類產(chǎn)品，采用阻、容式降壓，然 后加上一個(gè)穩(wěn)壓二極管穩(wěn)壓， 對(duì) LED 上電。這樣的 LED 恒流源方式存在極大缺陷， 首先是效率低， 在降壓電阻上消耗大量電能， 甚至有可能超過(guò) LED 所消耗的電能， 且無(wú)法提供大電流驅(qū)動(dòng)，因?yàn)殡娏髟酱螅脑诮祲弘娮枭系碾娔芫驮酱?，因此?多產(chǎn)品的 LED 不可以采用并聯(lián)方式，而采用串聯(lián)方式降低電流。其次是穩(wěn)定電壓 的能力極差，無(wú)法保證通過(guò) LED 電流不超過(guò)其正常工作要求，設(shè)計(jì)產(chǎn)品時(shí)都會(huì)采 用降低 LED 兩端電壓來(lái)供電驅(qū)動(dòng)，這樣會(huì)使 LED

11、 亮度降低。采用阻、容降壓方式 驅(qū)動(dòng) LED， LED 的亮度不夠穩(wěn)定， LED 的亮度會(huì)隨著電壓的變化而變化。阻、容 降壓方式驅(qū)動(dòng) LED 的最大優(yōu)勢(shì)是本錢低。根據(jù) LED 電流、電壓變化特點(diǎn)，采用恒 壓驅(qū)動(dòng) LED 是可行的，雖然常用的穩(wěn)壓電路，存在穩(wěn)壓精度不夠和穩(wěn)流能力較差 的缺點(diǎn)。 與上述幾種方法相比， 最為理想的驅(qū)動(dòng) LED 的方式應(yīng)為采用恒流源方式， 它能防止 LED 正向電壓的改變而引起電流變動(dòng)，與此同時(shí)，恒定的電流可以保持 LED 的亮度穩(wěn)定。因此眾多廠家選用恒流方式的 LED 恒流源。圖 1.1 LED 伏安特性曲線圖 1.2 LED 光通量與前向電流的關(guān)系2. 在精密儀器測(cè)

12、量中的應(yīng)用在目前我們所使用的電流表的校驗(yàn)方法中必須用到恒流源。 校驗(yàn)過(guò)程為， 將待 校的電流表與標(biāo)準(zhǔn)電流表串接于恒流源電路中， 調(diào)節(jié)恒流源的輸出電流大小至被校 表的滿度值和零度值，檢查各電流表指示是否正確。在一些精密測(cè)量領(lǐng)域中，如電流電壓法測(cè)電阻值、電橋供電中，恒流源同樣充 當(dāng)非常重要的角色。 此外，我們?nèi)粘Ｉ钪校?各種根據(jù)輝光放電原理制成的電光源， 如應(yīng)用于城市照明中的氖燈，這種光源一旦被點(diǎn)燃，管內(nèi)稀薄氣體迅速電離。由于 離化過(guò)程中放電管中的電流將隨時(shí)上升， 所以，此時(shí)在燈管上供以恒定電壓會(huì)使其 不穩(wěn)定的，電流值可能增大到使燈管降低使用壽命甚至損壞。為了穩(wěn)定放電電流， 讓燈管盡快到達(dá)穩(wěn)定的

13、工作狀態(tài)， 采用恒流源供電是最好的解決方法。 在使用時(shí)為 防止電流沖擊，一般的解決方法是通過(guò)調(diào)壓器或限流電阻逐步加大電流是電流逐漸 到達(dá)額定值，這種方法既不平安，又不方便。因此，采用恒流源供電是較為合理的 解決方法。3. 在傳感器中的應(yīng)用目前，傳感器已經(jīng)廣泛的應(yīng)用在人們的生產(chǎn)生活的各個(gè)角落， 例如熱敏、力敏、 光敏、磁敏、濕敏等傳感器，這些傳感器常常采用恒流源供電。例如:霍爾式壓力傳感器的電源就使用恒流源。其公式：EH = KH X IX B，式中：EH為霍爾電勢(shì)(mV) ; I 為通過(guò)半導(dǎo)體的電流 (mA) ; B 為磁感應(yīng)強(qiáng)度 ( T) ; KH 為霍爾元件靈敏度 系數(shù)(mV/ mAT)。

14、在實(shí)際應(yīng)用中I和B兩個(gè)量之一保持常數(shù)的話，那么另一個(gè)作為 輸入變量 ,引起輸出電壓 EH 與輸入量成比例。所以為使所產(chǎn)生的霍爾電勢(shì)與待測(cè)量成單一的線性關(guān)系 ,必須保證給霍爾元件提供恒定的直流電流 I ,故要配備恒流 源。使用恒流源的原因不僅因?yàn)樵S多敏感器件是用半導(dǎo)體材料制成的， 還因?yàn)檫@樣 可以有效的防止連接傳感器的導(dǎo)線電阻和接觸電阻的影響。圖 1.4 方形孔壓力傳感器4現(xiàn)代大型儀器中穩(wěn)定磁場(chǎng)的產(chǎn)生在許多現(xiàn)代醫(yī)療診斷儀器中，常常用到恒流源。如超導(dǎo)磁源成像儀和CT斷層掃描儀中的磁場(chǎng)均要求很穩(wěn)定，以免產(chǎn)生嚴(yán)重的測(cè)量誤差，造成巨大的損失。假設(shè)使 用穩(wěn)壓電源對(duì)其供電， 電磁鐵線圈工作時(shí)發(fā)熱等原因會(huì)使其

15、阻值改變， 進(jìn)而使供電電流變化，導(dǎo)致磁場(chǎng)不穩(wěn)定。如用恒流源供電即可有效克服上述缺點(diǎn)，到達(dá)預(yù)期效 果。因此，但凡對(duì)磁場(chǎng)的穩(wěn)定程度要求十分嚴(yán)格的裝置必須采用恒流源供電。 同理， 核物理實(shí)驗(yàn)裝置中的質(zhì)譜儀、粒子加速器、頻譜儀等必須采用恒流源供電。5在其他領(lǐng)域中的應(yīng)用除此之外，有線通信遠(yuǎn)供電源，電解、電泳、電鍍等化學(xué)領(lǐng)域裝置的電源，電 子束加工機(jī)、離子注入機(jī)等電子光學(xué)設(shè)備中的供電電源也都必須采用恒流源作為供 電設(shè)備。1.1.4 恒流電源的開(kāi)展過(guò)程恒流電源從誕生開(kāi)始到現(xiàn)在開(kāi)展是比擬迅速的， 同時(shí)具有廣泛的應(yīng)用， 依據(jù)核 心器件的開(kāi)展其開(kāi)展大致可分為三個(gè)階段，分別為第一階段的電真空器件恒流源； 第二階段的

16、晶體管恒流源以及現(xiàn)在的集成電路恒流源。 電真空器件恒流源主要由鎮(zhèn) 流管構(gòu)成，鎮(zhèn)流管具有穩(wěn)定電流的功能，多用于交流電路，因此常被用來(lái)穩(wěn)定電子 管的燈絲電流，使用方法為將鎮(zhèn)流管和負(fù)載串聯(lián)，即可構(gòu)成直接調(diào)整型恒流源。在上世紀(jì) 60 年代以后采用晶體管做調(diào)整元件的晶體管恒流源得到迅速開(kāi)展，并在實(shí) 際中獲得了廣泛的應(yīng)用。 但是隨著半導(dǎo)體集成技術(shù)的開(kāi)展， 集成電路恒流源提高了 穩(wěn)定性和可靠性，替代晶體管恒流源已經(jīng)成為勢(shì)不可擋的趨勢(shì)。1.2 國(guó)內(nèi)外開(kāi)展現(xiàn)狀與趨勢(shì)我國(guó)的電源產(chǎn)業(yè)，始于上世紀(jì) 60 年代中期， 90 年代后，進(jìn)入快速開(kāi)展時(shí)期。 總表達(dá)狀為電源產(chǎn)業(yè)規(guī)模的開(kāi)展在加快； 與此同時(shí)， 在國(guó)家自然科學(xué)基金

17、的資助下 或創(chuàng)新意識(shí)不斷增強(qiáng)的情況下， 我國(guó)電力電子技術(shù)的研究從消化吸收為基點(diǎn)， 已經(jīng) 開(kāi)展為可以跟蹤世界專業(yè)前沿并做一些根底創(chuàng)新。研制生產(chǎn)出了一些技術(shù)難度較 大、具有國(guó)際先進(jìn)水平的產(chǎn)品， 而且還取得了一大批具有代表性的研究成果和產(chǎn)品。 目前國(guó)內(nèi)還開(kāi)展了跟蹤國(guó)際多方面前沿性課題的研究和創(chuàng)新性研究。 但是我國(guó)電源 產(chǎn)業(yè)與一些興旺國(guó)家的同類行業(yè)相比， 仍然存在著很大的差距和缺乏： 在產(chǎn)品的質(zhì) 量、可靠性、開(kāi)發(fā)投入、 生產(chǎn)規(guī)模、工藝水平、檢測(cè)設(shè)備、 智能化、人員專業(yè)素質(zhì)、 持續(xù)創(chuàng)新能力等方面的差距為1015年。目前國(guó)內(nèi)在這兩方面研究比擬多的包括 廣州的華南理工大學(xué)和成都電子科技大學(xué)，主要是采用可編程

18、系統(tǒng)器件(PSD)或單片機(jī)來(lái)控制開(kāi)關(guān)直流電源或數(shù)字化電壓?jiǎn)卧竭_(dá)數(shù)控的目的， 但和國(guó)外的同行業(yè)相 比擬，還有很大的差距。目前，全國(guó)的電源及其配件的生產(chǎn)銷售企業(yè)有 4000 家以 上，產(chǎn)值有300400億元，生產(chǎn)規(guī)模和產(chǎn)值巨大，但國(guó)內(nèi)企業(yè)著名的如北京大華、 江蘇綠揚(yáng)等 銷售的數(shù)控直流恒流電源大多是代理歐美和日本的產(chǎn)品，國(guó)內(nèi)廠家生 產(chǎn)的直流恒流電源雖然也朝著向數(shù)字化方向開(kāi)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?？傮w來(lái)說(shuō)，國(guó)內(nèi)直流恒流源技術(shù)相對(duì)落后，面對(duì)劇烈的 國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)，是個(gè)嚴(yán)重的挑戰(zhàn)。就行業(yè)總體形勢(shì)來(lái)講， 恒流源作為穩(wěn)定電源的一個(gè)分支， 在近五十年間得到巨 大開(kāi)展，構(gòu)成恒流源的

19、核心器件已由早期的電真空結(jié)構(gòu)的鎮(zhèn)流管進(jìn)入到半導(dǎo)體集成 電路時(shí)代。恒流源涉及的范圍也由傳統(tǒng)的穩(wěn)定電磁場(chǎng)、 校正電流表等， 擴(kuò)展至激光、 超導(dǎo)、通信等領(lǐng)域，展示了廣闊的應(yīng)用前景。傳統(tǒng)的恒流源的設(shè)計(jì)思路主要包括以 下幾種：1. 利用穩(wěn)壓源和電阻改制的恒流源；2. 用恒流器件構(gòu)成的恒流源；3. 負(fù)反響放大器構(gòu)成的恒流源。 幾種恒流源方式各有優(yōu)勢(shì)和缺點(diǎn)，分別適于不同特定的應(yīng)用環(huán)境。進(jìn)入 2l 世紀(jì)后，隨著信息技術(shù)的快速開(kāi)展，數(shù)字恒流源已經(jīng)成為恒流源由模 擬恒流源向未來(lái)進(jìn)步的一個(gè)方向， 特別是成熟的計(jì)算機(jī)技術(shù)給予了數(shù)字恒流源更大 的開(kāi)展空間。目前，制作功耗較大、穩(wěn)定性低、抗干擾能力弱的模擬恒流源的技術(shù) 已

20、經(jīng)成熟，而高精度、穩(wěn)定性好、抗干擾能力強(qiáng)、多級(jí)可調(diào)的數(shù)控恒流源的研制尚 處于開(kāi)展過(guò)程階段。 因此，如何把數(shù)字技術(shù)和現(xiàn)代電力電子器件結(jié)合制作出能夠穩(wěn) 定應(yīng)用于工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)、高精度的數(shù)控恒流源就將成為未來(lái)一段時(shí)間的新課題；同時(shí)， 具有數(shù)字化技術(shù)和智能化設(shè)計(jì)的恒流源也必將成為恒流源的開(kāi)展方向與必然趨勢(shì)。1.3 課題的意義和目的隨著社會(huì)生產(chǎn)力水平不斷提高， 先進(jìn)電子技術(shù)的迅猛開(kāi)展， 電子設(shè)備的應(yīng)用領(lǐng) 域因此變得越來(lái)越廣泛，目前，恒流源被廣泛用于傳感技術(shù)、機(jī)器人技術(shù)、電子測(cè) 量?jī)x器、現(xiàn)代通信、激光、超導(dǎo)等高新技術(shù)領(lǐng)域、并且有良好的開(kāi)展前景。因此， 如何為用電設(shè)備提供平安可靠、 穩(wěn)定的電源成為擺在現(xiàn)實(shí)中需要解

21、決的課題。 其中， 長(zhǎng)期以來(lái)人們更多的致力于對(duì)穩(wěn)壓源的研究，相比而言，人們對(duì)恒流源的研究、設(shè) 計(jì)以及相關(guān)資料的查閱都相對(duì)有限。 在此背景下， 研究恒流源有著重要的現(xiàn)實(shí)意義 和理論意義， 本課題將通過(guò)數(shù)控式直流調(diào)壓電路來(lái)設(shè)計(jì)直流恒流電源， 使其到達(dá)結(jié) 構(gòu)簡(jiǎn)單、本錢低、效率高、數(shù)字化控制及顯示，輸出電流的質(zhì)量高，系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響 應(yīng)速度快的最終目標(biāo)。1.4 本文所作的主要工作本文采用恒流控制技術(shù)，設(shè)計(jì)并制作基于 AVR 單片機(jī)控制的恒流系統(tǒng)，主要 完成以下幾個(gè)方面的任務(wù)：1. 構(gòu)建恒流主電路。采用模塊化概念，設(shè)計(jì)恒流的根底電路，電流閉環(huán)反響 控制系統(tǒng)由硬件模擬電路組成，主電路采用全控器件 IGBT ，

22、恒流控制精度高，深 度電流負(fù)反響確保輸出電流穩(wěn)定及輸出特性更硬。2. 設(shè)計(jì)基于 ATmega 16 單片機(jī)的采樣反響控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)恒流源的智能化 管理及檢測(cè)， 數(shù)控單元不但能方便的實(shí)現(xiàn)恒流值的設(shè)置， 而且能夠?qū)崿F(xiàn)恒流值動(dòng)態(tài) 調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)步進(jìn)值可以自由選擇，最小步距 50mA ；3. 完善的保護(hù)功能，包括過(guò)流保護(hù)，過(guò)熱保護(hù)，可以吸收負(fù)載向電源釋放高 壓浪涌，具有較強(qiáng)的抗干擾能力和穩(wěn)定性，可以在 -20°C40°C環(huán)境下的工業(yè)現(xiàn)場(chǎng) 長(zhǎng)期工作；4. 友好的人機(jī)交互界面?？梢栽诓僮魃细诵曰?jiǎn)單，盡量按照用戶的 習(xí)慣來(lái)設(shè)計(jì)操作方式。有校準(zhǔn)功能，可以用儀器校準(zhǔn)輸出電流；5. 能夠

23、聯(lián)網(wǎng)控制，參加串口通信功能。第二章 理論分析及可行性方案論證2.1 恒流電源工作特性分析當(dāng)輸入電壓、負(fù)載、環(huán)境溫度等外界條件在一定范圍內(nèi)變化時(shí)，電源的輸出電 流是不變的。而在恒流源的特性圖 2.1中，即使理想的恒流源是內(nèi)阻為無(wú)窮大、輸 出電流始終保持在規(guī)定值，且與端電壓的大小和極性無(wú)關(guān)的電流源。 實(shí)際的電流源 是內(nèi)阻Ro和功率都是有限的電流源。當(dāng)電源為空載，即負(fù)載電阻 R 時(shí)，輸出 功率Po 0。理想恒流源的外特性是一條垂直于橫坐標(biāo)電流軸的直線。圖2.1 左為理想電流源，右圖為實(shí)際電流源VoRo RlIsRl而在電路中：Rl Ro電源外特性曲線呈陡降式接近恒流源。實(shí)際恒流源中，如果負(fù)載電阻太大

24、，使電源輸出電流不能到達(dá)恒流值，那么恒 流源的輸出電壓就會(huì)自動(dòng)升到電源的最大輸出電壓， 只有當(dāng)負(fù)載電阻小到一定的程 度，使電源輸出電流到達(dá)恒流值，電源才真正處于恒流工作狀態(tài)，隨著負(fù)載電阻值 的逐步減小，輸出電壓也按相應(yīng)下降，以保持輸出電流的恒定不變。圖 2.2 電流源外特性圖 1 表示理想電流源， 2 表示實(shí)際電流源2.2 開(kāi)關(guān)電源幾種電路類型直流電源變換器按其輸入與輸出是否進(jìn)行電氣上隔離， 可分非隔離式變換器電 路和隔離式變換器電路。 兩者除了均有變壓功能外， 后者還有輸入電量與輸出電量 在電氣上的隔離，以滿足某些場(chǎng)合的需要。在非隔離式變換器中。而這章主要是介 紹降壓型變換器、升壓型變換器、

25、電壓極性反轉(zhuǎn)型變換器的電路結(jié)構(gòu)、工作原理及 相關(guān)參數(shù)的關(guān)系式。 在隔離式變換器中， 應(yīng)用雙極型晶體管作為開(kāi)關(guān)且開(kāi)關(guān)管自身 起著振蕩元器件作為的自激式變換器與他激PWM換器。自激式變換器主要是 RCC變換器和 Reyer 變換器，他激式變換器主要是介紹單端反激式、 單端正激式、推挽、 半橋、全橋變換電路結(jié)構(gòu)、工作原理。2.2.1 降壓型Buck變換器降壓型Buck變換器將輸入的直流電壓轉(zhuǎn)換成脈沖電壓，再將脈沖電壓經(jīng) LC濾波轉(zhuǎn)換成直流電壓。輸入電壓 Uin是未經(jīng)穩(wěn)壓直流電壓；晶體 VT1為調(diào)整管， 即開(kāi)關(guān)管UB為矩形波是控制開(kāi)關(guān)管的工作狀態(tài)；電感 L與電容C組成濾波電路， 而VD1為續(xù)流二極管。

26、降壓型變換器有兩種根本工作方式， 一種是電感電流處于連續(xù)的工作模式; 種是電感電流處于斷續(xù)的工作模式，還有一種是電感電流處于臨界連續(xù)模式。 降壓型變換器的原理圖及工作波形圖如下列圖 2.1所示。LL222升壓型Boost變換器升壓型變換器電路如下列圖2.5所示。主電路由串聯(lián)在回路中的儲(chǔ)能電感 L1, 開(kāi)關(guān)管VT1及整流二極管VD1濾波電容C1。它是一種可以獲得輸出電壓高于輸入 電壓的DC DC變換器。圖2.5 升壓型(Boost)變換器原理圖有兩種根本工作方式：電感電流連續(xù)模式和電感電流斷續(xù)工作模式Boost三種工作狀態(tài)等效電路2.2.3極性反轉(zhuǎn)升降壓(Buck Boost)變換器極性反轉(zhuǎn)型(

27、Buck Boost)變換器主電路所用元器件與 Buck、Boost變換器相 同，由開(kāi)關(guān)管VT1、儲(chǔ)能電感L1、整流二極管VD1及濾波電容C1等元器件組成。 這種電路具有Buck變換器降壓與Boost變換器升壓的雙重作用。工作原理三種等效電路圖224 Cuk變換器Cuk變換器是Buck Boost串聯(lián)變換器它是針對(duì)Buck Boost升降壓變換器存 在輸入電流和輸出電流脈動(dòng)值大的缺點(diǎn)。主要電路如下列圖所示，它由開(kāi)關(guān)管VT1、儲(chǔ)能電容器C1、輸入儲(chǔ)能電感L1、輸出儲(chǔ)能電感L2、續(xù)流二極管VD1及輸出濾波 電容器C2等元器件組成，開(kāi)關(guān)管 VT1由PWM區(qū)動(dòng)電路控制的，二極管 VD1將輸入 回路和輸

28、出回路分開(kāi)，左半局部是輸入回路，右半局部是輸出回路。Cuk 變換器原理圖工作原理三等效電路圖：I n圖2.9圖2.10(a) VT1導(dǎo)通等效電路圖圖2.10 (b) VT1截止等效電路圖圖2.10(c)電流斷續(xù)等效電路圖2.3 PWM 的工作原理PWM(Pulse Width Modulation )控制脈沖寬度調(diào)制技術(shù)，通過(guò)對(duì)一系列 脈沖的寬度進(jìn)行調(diào)制，來(lái)等效地獲得所需要波形(含形狀和幅值)。PWM制技術(shù)在逆變電路中應(yīng)用最廣，應(yīng)用的逆變電路絕大局部是 PW風(fēng)，PWMI制技術(shù)正是有 賴于在逆變電路中的應(yīng)用，才確定了它在電力電子技術(shù)中的重要地位。2.3.1 PWM控制的根本原理1. 理論根底沖量

29、相等而形狀不同的窄脈沖加在具有慣性的環(huán)節(jié)上時(shí)， 其效果根本相同。 沖 量指窄脈沖的面積。效果根本相同，是指環(huán)節(jié)的輸出響應(yīng)波形根本相同。低頻段非 常接近，僅在高頻段略有差異。圖 2.11 形狀不同而沖量相同的各種窄脈沖2. 面積等效原理分別將圖2.11所示的電壓窄脈沖加在一階慣性環(huán)節(jié) (R-L電路)上，如圖2.12 所示。其輸出電流 i(t) 對(duì)不同窄脈沖時(shí)的響應(yīng)波形如圖 2.12(b) 所示。從波形可以 看出，在 i(t) 的上升段， i(t) 的形狀也略有不同，但其下降段那么幾乎完全相同。 脈沖越窄，各 i(t) 響應(yīng)波形的差異也越小。如果周期性地施加上述脈沖，那么響應(yīng) i(t) 也是周期性

30、的。用傅里葉級(jí)數(shù)分解后將可看出，各 i(t) 在低頻段的特性將非 常接近，僅在高頻段有所不同。圖 2.12 沖量相同的各種窄脈沖的響應(yīng)波形用一系列等幅不等寬的脈沖來(lái)代替一個(gè)正弦半波， 正弦半波N等分，看成N個(gè) 相連的脈沖序列，寬度相等，但幅值不等；用矩形脈沖代替，等幅，不等寬，中點(diǎn) 重合，面積(沖量)相等，寬度按正弦規(guī)律變化。要改變等效輸出正弦波幅值，按 同一比例改變各脈沖寬度即可。如圖 2.13 所示。圖2.13 用PWM波代替正弦半波2.3.2 PWM 相關(guān)概念1. 占空比 就是輸出的PWM中，高電平保持的時(shí)間 與該P(yáng)WM的時(shí)鐘周期 的時(shí)間之比。例如，一個(gè) PWM的頻率是1000Hz,那么

31、它的時(shí)鐘周期就是1ms, 就是1000us,如果高電平出現(xiàn)的時(shí)間是 200us,那么低電平的時(shí)間肯定是 800us, 那么占空比就是 200：1000，也就是說(shuō)占空比就是 1：5。2. 分辨率 占空比的最小值。3. 頻率 PWM 波形周期的倒數(shù)。2.4 開(kāi)關(guān)電源的控制算法在介紹開(kāi)關(guān)電源的控制算法之前, 我們需要了解控制系統(tǒng)的根本概念, 過(guò)程控 制就是對(duì)生產(chǎn)過(guò)程的某一或某些物理參數(shù)進(jìn)行的自動(dòng)控制。1 .模擬控制系統(tǒng)圖 2.14 根本模擬反響控制回路被控量的值由傳感器或變送器來(lái)檢測(cè)，這個(gè)值與給定值進(jìn)行比擬，得到偏差， 模擬調(diào)節(jié)器依一定控制規(guī)律使操作變量變化， 以使偏差趨近于零， 其輸出通過(guò)執(zhí)行 器

32、作用于過(guò)程。控制規(guī)律用對(duì)應(yīng)的模擬硬件來(lái)實(shí)現(xiàn)，控制規(guī)律的修改需要更換模擬硬件。2. 微機(jī)過(guò)程控制系統(tǒng)以微型計(jì)算機(jī)作為控制器?？刂埔?guī)律的實(shí)現(xiàn)，是通過(guò)軟件來(lái)完成的。改變控制 規(guī)律，只要改變相應(yīng)的程序即可。圖 2.15 微機(jī)過(guò)程控制系統(tǒng)根本框圖開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng) (open-loop control system) 是指被控對(duì)象的輸出 ( 被控制量 ) 對(duì)控制器 (controller) 的輸出沒(méi)有影響。 在這種控制系統(tǒng)中， 不依賴將被控量反送 回來(lái)以形成任何閉環(huán)回路，所以結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于實(shí)現(xiàn)，但輸出誤差較大，鑒于此題 目對(duì)輸出誤差有嚴(yán)格的要求，所以應(yīng)該采用閉環(huán)控制系統(tǒng)。閉環(huán)控制系統(tǒng) (closed-loop

33、 control system) 的特點(diǎn)是系統(tǒng)被控對(duì)象的輸出 ( 被控制量 ) 會(huì)反送回來(lái)影響控制器的輸出， 形成一個(gè)或多個(gè)閉環(huán)。 閉環(huán)控制系統(tǒng)有 正反響和負(fù)反響，假設(shè)反響信號(hào)與系統(tǒng)給定值信號(hào)相反，那么稱為負(fù)反響 ( Negative Feedback)，本系統(tǒng)即采用了閉環(huán)負(fù)反響控制系統(tǒng)。在工程實(shí)際中，PID (比例、積分、微分)是應(yīng)用最為廣泛的閉環(huán)控制規(guī)律。 當(dāng)被控對(duì)象的結(jié)構(gòu)和參數(shù)不能完全掌握， 或得不到精確的數(shù)學(xué)模型時(shí)， 控制理論的 其它技術(shù)難以采用時(shí)，系統(tǒng)控制器的結(jié)構(gòu)和參數(shù)必須依靠經(jīng)驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試來(lái)確定， 這時(shí)應(yīng)用PID控制技術(shù)最為方便。即當(dāng)我們不完全了解一個(gè)系統(tǒng)和被控對(duì)象，或不 能通過(guò)有

34、效的測(cè)量手段來(lái)獲得系統(tǒng)參數(shù)時(shí)，最適合用 PID 控制技術(shù)。 PID 控制，實(shí) 際中也有PI和PD控制。PID控制器就是根據(jù)系統(tǒng)的誤差，利用比例、積分、微分 計(jì)算出控制量進(jìn)行控制的。比例控制是一種最簡(jiǎn)單的控制方式。 其控制器的輸出與輸入誤差信號(hào)成比例關(guān) 系。當(dāng)僅有比例控制時(shí)系統(tǒng)輸出存在穩(wěn)態(tài)誤差( Steady-state error )。在積分控制中， 控制器的輸出與輸入誤差信號(hào)的積分成正比關(guān)系。 對(duì)一個(gè)自動(dòng) 控制系統(tǒng)， 如果在進(jìn)入穩(wěn)態(tài)后存在穩(wěn)態(tài)誤差， 那么稱這個(gè)控制系統(tǒng)是有穩(wěn)態(tài)誤差的或 簡(jiǎn)稱有差系統(tǒng)( System with Steady-state Error )。為了消除穩(wěn)態(tài)誤差，在控制

35、器中必須引入“積分項(xiàng)。積分項(xiàng)對(duì)誤差取決于時(shí)間的積分，隨著時(shí)間的增加，積 分項(xiàng)會(huì)增大。即便誤差很小，積分項(xiàng)也會(huì)隨著時(shí)間的增加而加大，它推動(dòng)控制器的 輸出增大使穩(wěn)態(tài)誤差進(jìn)一步減小，直到等于零。因此，比例+積分(PI)控制器，會(huì)使系統(tǒng)在進(jìn)入穩(wěn)態(tài)后無(wú)穩(wěn)態(tài)誤差。在微分控制中，控制器的輸出與輸入誤差信號(hào)的微分(即誤差的變化率)成正 比關(guān)系。 自動(dòng)控制系統(tǒng)在克服誤差的調(diào)節(jié)過(guò)程中可能會(huì)出現(xiàn)振蕩甚至失穩(wěn)。其原 因是由于存在有較大慣性組件(環(huán)節(jié))或有滯后 (delay) 組件，具有抑制誤差的作 用，其變化總是落后于誤差的變化。 解決的方法是使抑制誤差的作用的變化 “超前，即在誤差接近零時(shí)，抑制誤差的作用就應(yīng)該是零

36、。這就是說(shuō)，在控制器中僅引入“比 例項(xiàng)往往是不夠的，比例項(xiàng)的作用僅是放大誤差的幅值，而目前需要增加的是“微 分項(xiàng)，它能預(yù)測(cè)誤差變化的趨勢(shì)，這樣，具有比例+微分的控制器，就能夠提前使抑制誤差的控制作用等于零，甚至為負(fù)值，從而防止了被控量的嚴(yán)重超調(diào)。所以 對(duì)有較大慣性或滯后的被控對(duì)象，比例 +微分(PD)控制器能改善系統(tǒng)在調(diào)節(jié)過(guò)程中 的動(dòng)態(tài)特性。1. 模擬PID調(diào)節(jié)器(1)模擬PID控制系統(tǒng)組成圖2.16 模擬PID控制系統(tǒng)原理框圖(2)模擬PID調(diào)節(jié)器的微分方程和傳輸函數(shù)PID調(diào)節(jié)器是一種線性調(diào)節(jié)器，它將給定值 r(t)與實(shí)際輸出值c(t)的偏差的 比例(P)、積分(I)、微分(D)通過(guò)線性組合

37、構(gòu)成控制量，對(duì)控制對(duì)象進(jìn)行控制。PID調(diào)節(jié)器的微分方程(2-1)1 tde(t)u(t) Kp e(t) 0e(t)dt Td-I Idt式中 e(t) r(t) c(t)PID調(diào)節(jié)器的傳輸函數(shù)D(S)U(S)E(S)Kp 1TiSTdS(2-2)3 PID調(diào)節(jié)器各校正環(huán)節(jié)的作用1比例環(huán)節(jié)：即時(shí)成比例地反響控制系統(tǒng)的偏差信號(hào)et，偏差一旦產(chǎn)生，調(diào)節(jié)器立即產(chǎn)生控制作用以減小偏差。2積分環(huán)節(jié)：主要用于消除靜差，提高系統(tǒng)的無(wú)差度。積分作用的強(qiáng)弱取決于 積分時(shí)間常數(shù)TI，TI越大，積分作用越弱，反之那么越強(qiáng)。3微分環(huán)節(jié)：能反響偏差信號(hào)的變化趨勢(shì)變化速率，并能在偏差信號(hào)的值變得 太大之前，在系統(tǒng)中引入一

38、個(gè)有效的早期修正信號(hào)，從而加快系統(tǒng)的動(dòng)作速度，減小調(diào)節(jié)時(shí)間。2. 數(shù)字PID控制器1模擬PID控制規(guī)律的離散化表2-1模擬PID控制規(guī)律模擬形式離散化形式e(t) r(t) c(t)e( n) r(n) c(n)de(t) dTe(n) e(n 1)Tt0e(t)dtnne(i)T T e(i)i 0i 02數(shù)字PID控制器的差分方程u(n)Kp e(n)TTie(i)i 0TdTe(n) e(n 1)UoUp(n) U| (n) Ud(n) u°(2-3)式中 Up( n)Kpe( n)稱為比例項(xiàng)e(i)Ui (n) Kp稱為積分項(xiàng)uD(n)KPe(n) e(n1)T稱為微分項(xiàng)(3

39、)常用的控制方式1P 控制u( n) up(n)Uo2-42PI 控制u(n) uP(n)U| (n)Uo2-53PD 控制u(n) Up(n)Ud( n)Uo2-64PID 控制u(n) Up(n)Ui (n)Ud( n) Uo2-7(4)PID算法的兩種類型1位置型控制TnTdu(n) KP e(n)-e(i)e(n) e(n 1)u°Tii 0T2-82增量型控制u(n) u(n) u(n 1)KP e(n) e(n 1)1Kp-Te(n)KP Td e(n) 2e(n 1) e(n 2)TiT2-9Ti i o2.5 本章小結(jié)本章主要討論了恒流源的工作原理、常見(jiàn)的開(kāi)關(guān)型電源、

40、PID控制算法和PWM 調(diào)制方式在數(shù)字實(shí)現(xiàn)方式上的分析， 確定了系統(tǒng)的總體方案，對(duì)各個(gè)模塊的功能進(jìn) 行了分析。第三章 電源系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)3.1 系統(tǒng)硬件總體結(jié)構(gòu)數(shù)控直流穩(wěn)壓電源的整機(jī)框圖如圖 3-1所示，它主要由單片機(jī)控制電路、整流 濾波電路、穩(wěn)壓電路、DC/DC轉(zhuǎn)換電路、D/A轉(zhuǎn)換電路、采樣電路、緩沖放大電 路、鍵盤控制和液晶顯示電路等九個(gè)模塊組成。AVR微控制器是數(shù)字直流穩(wěn)壓電源的核心。它通過(guò)軟件的運(yùn)行來(lái)控制整個(gè)儀器的工作，從而完成設(shè)定的功能操作。我 們選用的AVR為ATmega 16,它是整個(gè)系統(tǒng)的中樞，接收來(lái)自鍵盤的信息，對(duì)輸 入的信息進(jìn)行處理，從而確定儀器的工作狀態(tài)及輸出電壓的大小。如

41、果發(fā)生過(guò)熱現(xiàn) 象, AVR系統(tǒng)能驅(qū)動(dòng)溫度保護(hù)電路工作。此外，如果上位 PC機(jī)有請(qǐng)求，能通過(guò)串 口接口電路與PC機(jī)進(jìn)行通信。DC/DC轉(zhuǎn)換采用開(kāi)關(guān)電源芯片TPS5450,緩沖放大 采用精密儀表運(yùn)放INA118和低噪聲運(yùn)放TLC2202組成，顯示電路采用了 LCD器 件128*64液晶顯示。系統(tǒng)框架如圖3.1所示。變壓穩(wěn)壓 可調(diào)次級(jí)穩(wěn)壓DC DC變換電路D A轉(zhuǎn)換電采樣電路負(fù)載電路矩陣鍵電源-液晶顯AlMR興 微控制器*V緩沖、放大電路*圖3.1系統(tǒng)框架圖3.2 工作原理和流程分析本系統(tǒng)整機(jī)工作原理：系統(tǒng)上電，首先 220V市電通過(guò)降壓器降為后級(jí)電路所需的24V交流電壓；再將交流電壓整流為脈沖直流

42、電壓后經(jīng)過(guò)濾波，由于此脈沖直流電壓含有較大的波紋和高頻信號(hào)， 所以必須通過(guò)濾波電路加以濾除，才能得到較 平滑的直流電壓信號(hào)；得到的直流電壓輸入穩(wěn)壓電路中， 穩(wěn)壓電路對(duì)其進(jìn)行穩(wěn)壓并輸出多路電壓，一路為DC/DC莫塊提供穩(wěn)定的1218V直流電壓，另幾路又通過(guò)次 級(jí)降壓為液晶、單片機(jī)和運(yùn)放單獨(dú)供電；穩(wěn)定的電壓送入DC/DC莫塊保證其正常工 作，以實(shí)現(xiàn)改變DC/DC模塊的輸出電流；DC/DC輸出電流當(dāng)流經(jīng)采樣電路中0.01 Q 康銅絲上時(shí)被采集， 采樣出來(lái)的差值進(jìn)行可調(diào)增益放大， 然后放大的電流信號(hào)再通 過(guò)低噪聲運(yùn)放構(gòu)成的緩沖電路送往單片機(jī)片內(nèi)A/D,最后A/D對(duì)采集回來(lái)的信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)換。3.3 AVR

43、 控制器電路AVR單片機(jī)是Atmel公司推出的一款基于RISC指令架構(gòu)的高性能、低功耗的8 位單片機(jī)。所謂精簡(jiǎn)指令集 RISC(Reduced Instrution Set Computer )是 20 世 紀(jì) 90 年代開(kāi)發(fā)出來(lái)的，它是綜合了半導(dǎo)體集成技術(shù)和軟件技術(shù)性能的新型微處理 器架構(gòu)，是相對(duì)于復(fù)雜指令集 CISC (Complex Instrution Set Computer)而言的。 RISC 先使用頻率通過(guò)最高的簡(jiǎn)單指令、防止復(fù)雜指令、采用固定指令長(zhǎng)度、減少 指令格式和尋址方式等方法來(lái)縮短指令那個(gè)周期， 提高處理器的運(yùn)算速度。 采用這 種RISC結(jié)構(gòu)，使得AVF系列的單片機(jī)具備1

44、MIPS/Mhz的高速處理能力。AVR單片機(jī)采用哈佛(Harvard)總線結(jié)構(gòu)，程序存儲(chǔ)器和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器是分開(kāi)的。 微處理器直接訪問(wèn)全部程序存儲(chǔ)器和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器。并且AVR單片機(jī)具有ISP (InSystem Programmi ng)功能。ATmegalSS片引腳圖見(jiàn)圖3.2。A圖 3.2 ATmega 16 引腳圖(PDIP)3.4 可調(diào)電流源主電路該恒流源主電路是由兩個(gè)集成運(yùn)算放大器構(gòu)成的電流放大電路、負(fù)載電阻和采樣電阻等構(gòu)成。其中第一只運(yùn)放的作用是將主電路的電流經(jīng)過(guò)變換成可以被A/D轉(zhuǎn)換器可以檢測(cè)的電壓值，同時(shí)將此輸出作為第二只運(yùn)放的負(fù)輸入與第二只運(yùn)放相 連。第二只運(yùn)放作為比擬器，它的正輸

45、入端的信號(hào)由DA轉(zhuǎn)換器提供。根據(jù)輸出電流范圍(200mA- 2A)和輸出直流電壓小于15V的要求，我們采用可調(diào)2k /2W的負(fù) 載電阻。為了保證采樣電阻盡可能不受輸出電壓變化的影響，單獨(dú)采用0.1 Q /10W采樣電阻進(jìn)行電壓反響?？刂齐娐酚善鹗键c(diǎn)調(diào)整電路和電壓疊加電路構(gòu)成。起始點(diǎn)調(diào)整電路的作用是當(dāng)D/A零輸入時(shí)，設(shè)置Uc的輸出電壓。為了滿足恒流源輸出電壓的要求并且減小步 長(zhǎng)提高精度，當(dāng)D/A輸出為零時(shí)，Uc的電壓調(diào)整為11.9V，從而滿足恒流源輸出 電壓的要求。電壓疊加電路在起始點(diǎn)調(diào)整電路的根底上添加PID算法的調(diào)整量。圖3.3 可調(diào)控制電路原理圖3.5 數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)輸出一般條件下，D/A

46、電路輸出電壓范圍控制在 00.9V。由于采用10位的D/A 芯片，故D/A輸出調(diào)整電壓精度為0.9V / 1024 = 0.87mV。理論上輸出電流的最小 單位為0.87 mV / 0.1 Q = 8.7 mA。由于在實(shí)際電路中器件存在溫度漂移、內(nèi)電阻等誤差，所以實(shí)際輸出步長(zhǎng)不能到達(dá) 8.7mA。根據(jù)實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，預(yù)留出一定余量，實(shí)際 輸出步長(zhǎng)為50mA，我們?nèi)?.7mA的5.74倍，約為50mA。16位數(shù)DAC寄 存D/A轉(zhuǎn)換器采用 MAX5251 MAX525偽4通道，10位D/A轉(zhuǎn)換器。自帶 據(jù)輸入/輸出移位存放器，并且每一個(gè) D/A通道均集成一個(gè)輸入存放器和 器。MAX525的VDD為3.

47、3V，參考電壓為0V1.9V。其內(nèi)部電路如下所示圖3.6 D/A輸出原理圖如上圖所示，D/A轉(zhuǎn)換器通過(guò)3根串行線與AVR的同步外圍串行接口連接。 其中DOUT為串行數(shù)據(jù)輸出口， DIN為串行數(shù)據(jù)輸入口，發(fā)送和接受16位數(shù)據(jù)。 SCLK為串行時(shí)鐘線接口，為片選信號(hào)輸入口，低電平有效，為復(fù)位信號(hào)輸入線， 低電平有效。在置低時(shí)，串行數(shù)據(jù)輸入線上的數(shù)據(jù)可在串行時(shí)鐘信號(hào)上升沿時(shí)按位 寫(xiě)入移位存放器，并在之后的 信號(hào)上升沿時(shí)將移位后的數(shù)據(jù)寫(xiě)入輸入存放器。寫(xiě) 入數(shù)據(jù)的前4位為命令控制位，然后為10位數(shù)據(jù)位，最后兩位無(wú)功能。通過(guò)對(duì)命 令控制位的不同賦值，可實(shí)現(xiàn) D/A轉(zhuǎn)換器的不同操作。3.6 反響電路由于采樣

48、電阻為0.1 Q,故反響輸入電壓為0.02V0.2V。為了抑制干擾，我 們將信號(hào)放大10倍，使反響輸出電壓為0.2V2V。同時(shí)采用截止頻率為10Hz的 無(wú)源低通濾波器，濾除工頻干擾和器件噪聲。為了使反響電壓不大于 A/D通道的最 大輸入電壓，電路里又添加了限幅保護(hù)電路，有效的保護(hù) A/D正常工作。Il7圖3.7 D/A 反響原理圖3.7人機(jī)交互接口人機(jī)交互接口可以分為輸入和輸出兩局部，其中輸入局部主要為鍵盤輸入模 塊，輸出局部為L(zhǎng)CD液晶顯示模塊。3.7.1 鍵盤輸入模塊O 0Q O在鍵盤中按鍵數(shù)量較多時(shí)，為了減少I/O 口的占用，通常將按鍵排列成矩陣形 式，如圖3.8所示。在矩陣式鍵盤中，每

49、條水平線和垂直線在交叉處不直接連通， 而是通過(guò)一個(gè)按鍵加以連接。這樣，一個(gè)端口如 P1 口就可以構(gòu)成4*4=16個(gè)按 鍵，比之直接將端口線用于鍵盤多出了一倍，而且線數(shù)越多，區(qū)別越明顯，比方再 多加一條線就可以構(gòu)成20鍵的鍵盤，而直接用端口線那么只能多出一鍵9鍵。 由此可見(jiàn)，在需要的鍵數(shù)比擬多時(shí)，采用矩陣法來(lái)做鍵盤是合理的。矩陣式結(jié)構(gòu)的 鍵盤顯然比直接法要復(fù)雜一些，識(shí)別也要復(fù)雜一些，上圖中，列線通過(guò)電阻接正電 源，并將行線所接的單片機(jī)的I/O 口作為輸出端，而列線所接的I/O 口那么作為輸入。 這樣，當(dāng)按鍵沒(méi)有按下時(shí)，所有的輸入端都是高電平，代表無(wú)鍵按下。行線輸出是 低電平，一旦有鍵按下，那么輸

50、入線就會(huì)被拉低，這樣，通過(guò)讀入輸入線的狀態(tài)就可 得知是否有鍵按下了。3.7.2 LCD液晶顯示模塊本系統(tǒng)采用LCM12864圖形點(diǎn)陣式液晶顯示模塊作為主站的顯示界面。12864液晶顯示模塊由ST7920控制器、128X 64點(diǎn)陣式顯示屏、二級(jí)漢字字庫(kù)以及背光 照明4局部組成。ST7920控制器內(nèi)置國(guó)標(biāo)字庫(kù)以及 ASCII碼字符庫(kù)，直接向其發(fā) 送 ASCII 代碼，即可顯示相應(yīng)的 ASCII 字符或漢字。除了字符顯示功能外，該顯示 模塊還具備圖形顯示功能。本系統(tǒng)采用LCM12864S形點(diǎn)陣式液晶顯示模塊作為顯示模塊，LCM12864中文 液晶顯示模塊的液晶屏幕為 128*64，可顯示四行，每行可

51、顯示 8 個(gè)漢字。中文液 晶顯示模塊可實(shí)現(xiàn)漢字、 ASCII 碼、點(diǎn)陣圖形的同屏顯示，電源操作范圍寬 2.7V to 5.5V ；同時(shí)與單片機(jī)等微控器的接口界面靈活三種模式：并行 8 位/4 位， 串行 3 線/2 線，可以根據(jù)需要靈活選用。我們采用的是串行 3 線式接口。在串行方式下將使用二條傳輸線作串行資料的傳送， 主控制系統(tǒng)將配合傳輸同 步時(shí)鐘SCLK與接收串行數(shù)據(jù)線SID，來(lái)完成串行傳輸?shù)膭?dòng)作。減少了對(duì)I/O 端口的占用。串口通信傳輸協(xié)議：在片選CS設(shè)為高電位時(shí)，同步時(shí)鐘線SCLK輸入的訊號(hào)才會(huì)被接收，另一 方面，當(dāng)片選CS設(shè)為低電位時(shí)，模塊的內(nèi)部串行傳輸計(jì)數(shù)與串行資料將會(huì)被重 置。模

52、塊的同步時(shí)鐘線 SCLK 具有獨(dú)立的操作，但是當(dāng)有連續(xù)多個(gè)指令需要被傳 輸，必須確實(shí)等到一個(gè)指令完全執(zhí)行完成才能傳送下一筆資料， 因?yàn)槟K內(nèi)部并沒(méi) 有傳送/ 接收緩沖區(qū)。從一個(gè)完整的串行傳輸流程來(lái)看，一開(kāi)始先傳輸起始位，它 需先接收到五個(gè)連續(xù)的“ 1同步位串 在起始位元組，此時(shí)傳輸計(jì)數(shù)將被重置 并且串行傳輸將被同步，再跟隨的二個(gè) BIT 分別指定傳輸方向位 RW 及暫存器 選擇位 RS ，最后第八位那么為“ 0。在接收到起始位元組后，每個(gè)指令 /數(shù)據(jù)將 分為二組接收到：較高4位元DB& DB4的指令資料將會(huì)被放在第一組的 LSB部 分，而較低4位元DB3- DB0的指令資料那么會(huì)被放在

53、第二組的 LSB局部，至于 相關(guān)的另四位那么都為 0。圖 3.10 串行時(shí)序圖AVF控制芯片與LCD液晶顯示模塊采用串行的連接方式。在串行方式下將使用二條傳輸線作串行資料的傳送，主控制系統(tǒng)將配合傳輸同步時(shí)鐘SCLK與接收串行數(shù)據(jù)線SID，來(lái)完成串行傳輸?shù)膭?dòng)作。在片選CS設(shè)為高電位時(shí)，同步時(shí)鐘線SCLK輸入的訊號(hào)才會(huì)被接收，另一方面，當(dāng)片選CS設(shè)為低電位時(shí)，模塊 的內(nèi)部串行傳輸計(jì)數(shù)與串行資料將會(huì)被重置。模塊的同步時(shí)鐘線 SCLK 具有獨(dú)立 的操作，但是當(dāng)有連續(xù)多個(gè)指令需要被傳輸， 必須確實(shí)等到一個(gè)指令完全執(zhí)行完成 才能傳送下一筆資料，因?yàn)槟K內(nèi)部并沒(méi)有傳送 /接收緩沖區(qū)。從一個(gè)完整的串行 傳輸流

54、程來(lái)看，一開(kāi)始先傳輸起始位，它需先接收到五個(gè)連續(xù)的“ 1同步位串 在起始位元組，此時(shí)傳輸計(jì)數(shù)將被重置并且串行傳輸將被同步，再跟隨的二個(gè) BIT 分別指定傳輸方向位 RW 及暫存器選擇位 RS ，最后第八位那么為“ 0。在接 收到起始位元組后，每個(gè)指令/數(shù)據(jù)將分為二組接收到：較高4位元DB7- DB4 的指令資料將會(huì)被放在第一組的 LSB局部，而較低4位元DB3-DB0的指令資 料那么會(huì)被放在第二組的 LSB 局部，至于相關(guān)的另四位那么都為 0。采用液晶顯示模塊， 克服了系統(tǒng)動(dòng)態(tài)刷新顯示時(shí)LED管閃爍顯示的缺點(diǎn)，更易于測(cè)量觀察。3.8 電源供電電路因?yàn)楹懔髟粗骰芈沸枰粋€(gè)大電流， 為了保證該回路

55、可以得到足夠的電流， 并 且當(dāng)主回路電流急劇增大時(shí)，不至于影響其他器件正常工作，采用多電源供電的方 式。運(yùn)算放大器局部采用15V對(duì)稱電源供電，恒流源產(chǎn)生電路采樣一個(gè)大電流的 12V電源。這樣既減小了電源設(shè)計(jì)的難度， 有杜絕了兩個(gè)電路之間的互相干擾。15V對(duì)稱電源電路圖圖 3.111 11rJL_|11>(圖3.12大電流15V電源圖3.13 控制電路5V電源3.9接口及保護(hù)電路3.9.1 接口電路圖3.14接口電路1. RS232協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)RS232信號(hào)在正負(fù)電平之間擺動(dòng),在發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí),發(fā)送端驅(qū)動(dòng)器輸出正電平在 +5V+15V,負(fù)電平在-5V-15V電平。當(dāng)無(wú)數(shù)據(jù)傳輸時(shí)，線上為 TTL電平，從開(kāi) 始數(shù)據(jù)傳輸?shù)浇Y(jié)束，線上電平從TTL電平到RS232電平再返回TTL電平。接收器典 型的電平在+3V+12V與-3V-12V。由于發(fā)送電平與接收電平的差僅為 23V左 右，所以其共模抑制能力差，再加上雙絞線上的分布電容，其傳輸距離最大為約 15m最高速率為20kbps。2. MAX232簡(jiǎn)介RS232用正負(fù)電壓來(lái)表示邏輯狀態(tài)，與TTL以上下電平表示邏輯狀態(tài)規(guī)定不通，