模塊電路設(shè)計及比較

電源模塊
一、本設(shè)計共用到電源有兩種：即+5V、+12V。穩(wěn)壓電源由電源變壓器、 整流電路、濾波電路和穩(wěn)壓電路組成，穩(wěn)壓集成選用7805、7812。 7805提供的+5V電源負(fù)責(zé)給系統(tǒng)自身供電，主要包括單片機(jī)（AT89S52 ）、數(shù)碼顯示（包括74LS164）、鍵盤和各部分芯片；7812提供的 +12V電壓負(fù)責(zé)給外接負(fù)載供電和LM358的電源電壓。為了減小紋波系 數(shù)本設(shè)計還在兩個4700uF電容之間接入有源濾波電路[2]。
（一）數(shù)碼管顯示模塊
由于輸出電流最大達(dá)到2000mA電壓步進(jìn)最小值為0.5V，因此本作品設(shè) 計了雙五位數(shù)碼管顯示電路，1-5號數(shù)碼管顯示預(yù)設(shè)值，6-10號數(shù)碼 管顯示實(shí)際輸出值，74LS164為串行輸入并行輸出的移位寄存器，可 以作為靜態(tài)顯示器接口，接在AT89S52的串行口上用于數(shù)碼的顯示[3] 。
（二）D/A轉(zhuǎn)換模塊
通過4*4鍵盤將需要電壓或電流值輸入給單片機(jī)，單片機(jī)再將這個信 號發(fā)送給D/A轉(zhuǎn)換器，D/A工作，由D/A的12位分辨率可得它的最高數(shù) 值為4095，本設(shè)計中D/A的數(shù)字信號輸入data與系統(tǒng)輸出的模擬信號 對應(yīng)關(guān)系如下：電流檔時，單片機(jī)輸入D/A的數(shù)字信號與系統(tǒng)輸出的 電流信號數(shù)值量為1比1關(guān)系，要求最大輸出電流為2000mA，則單片機(jī) 輸入D/A的數(shù)字信號為2000，電壓檔時，單片機(jī)輸入D/A的數(shù)字信號與 系統(tǒng)輸出的電壓信號（Uout）數(shù)值量對應(yīng)關(guān)系為： Data=Uout*11.1111。
（四）A/D轉(zhuǎn)換模塊
本作品選用TLC2543作為A/D轉(zhuǎn)換模塊，串行輸入輸出，采樣精度達(dá)12 位，外接串行時鐘最高頻率較高，能滿足多數(shù)較高精度、多通道數(shù)據(jù) 采集的要求。TLC2543的控制字寫入及轉(zhuǎn)換結(jié)果的輸出都是通過串行 數(shù)據(jù)完成的，所需的外部數(shù)據(jù)線及控制線較少，可方便地與單片機(jī)進(jìn) 行連接，是12位數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的最佳選擇器件之一。在本系統(tǒng)中，由 A/D檢測輸出電壓（作為恒壓源時）、康銅絲兩端壓差放大信號（作 為恒流源時），轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號發(fā)送給單片機(jī)經(jīng)單片機(jī)進(jìn)行處理[4] 。
（五）恒壓源、恒流源模塊
恒壓源：電壓預(yù)置值從鍵盤輸送給單片機(jī)，由單片機(jī)進(jìn)行判斷并發(fā)送 指令代碼給D/A，D/A輸出一個對應(yīng)電壓給運(yùn)放，作為參考電壓，經(jīng)過 運(yùn)放比較后輸出。輸出電壓精度高，穩(wěn)定性好，由于PID調(diào)節(jié)作用， 使得電壓調(diào)節(jié)的響應(yīng)速度較快，鍵入預(yù)值之后可以迅速輸出相應(yīng)電壓 值。恒流源：電壓從D/A輸出，作為恒流源運(yùn)放一端的參考電壓，另 一端由AD620構(gòu)成電壓跟隨器提供負(fù)端口電壓。利用晶體管平坦的輸 出特性即可得到恒流輸出。由于跟隨器是一種深度的電壓負(fù)反饋電路 ，因此電流源具有較好的穩(wěn)定性。為了提高穩(wěn)定度，D/A采用＋5V作 為參考電壓。R1采用較大線徑康銅絲制作，康銅絲溫度系數(shù)很小 （5ppm/oC），使其檢測更加精確。受變壓器限制，工作于電流檔時 必須由外界引入12V電壓作為AD620-12V參考電壓端，否則AD620不能 正常工作，外界正確提供12V電壓時電源上綠燈亮，電流檔可正常工 作。
二、軟件設(shè)計
本作品由軟件實(shí)現(xiàn)的功能有：鍵盤對單片機(jī)輸入數(shù)據(jù)，單片機(jī)對獲得 的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理并送入12位數(shù)模轉(zhuǎn)換器（TLC5618），接收12位模數(shù) 轉(zhuǎn)換器TLC2543將輸出電壓或電流信號轉(zhuǎn)換成的數(shù)字量，使數(shù)碼管顯 示預(yù)值和實(shí)際值，自調(diào)功能。軟件設(shè)計的主要特點(diǎn)在于它的自調(diào)節(jié)設(shè) 計和PID原理調(diào)節(jié)設(shè)計。自調(diào)節(jié)設(shè)計在依靠外部A/D、D/A等硬件設(shè)施 下對輸出模擬信號進(jìn)行實(shí)時檢測、數(shù)據(jù)判斷后，依靠程序自動改變 D/A數(shù)字輸入信號，通過改變了D/A輸出的參考電壓準(zhǔn)確的調(diào)節(jié)輸出模 擬信號。自調(diào)節(jié)的關(guān)鍵之處在于單片機(jī)、A/D和D/A聯(lián)絡(luò)穩(wěn)定性的高低 ，三者必須時刻穩(wěn)定的對信號做出判斷、處理，通過各方面調(diào)節(jié)，三 者綜合后的穩(wěn)定性基本保證。PID原理調(diào)節(jié)是自調(diào)節(jié)對數(shù)字信號的處 理方式，在接收實(shí)測數(shù)字信號后，通過對比實(shí)際值和預(yù)置值的大小得 出差值，根據(jù)設(shè)定的PID處理方式，按不同比例及時、最快的取得最 合適的D/A輸入數(shù)字信號值，并準(zhǔn)確調(diào)節(jié)好輸出模擬信號。
三、測試方法及測試結(jié)果
為了確定系統(tǒng)與題目要求的符合程度，對系統(tǒng)中的關(guān)鍵部分進(jìn)行了實(shí) 際測試。主要包括在不同負(fù)載下電源輸出電壓電流的檢測值、實(shí)際值 與預(yù)置值的誤差；電壓源的紋波電壓，電流源的紋波電流。
測試分為兩部分，第一部分測試電壓源部分，采用工具有：數(shù)字萬用 表、數(shù)字示波器、負(fù)載電阻（10Ω），測量范圍：0～9V（空載及加 10Ω負(fù)載）；第二部分測試電流源部分，采用工具：數(shù)字萬用表、數(shù) 字示波器、負(fù)載電阻（10Ω），測量范圍：100mA～1500mA（空載） 、100mA～1000mA（加5Ω負(fù)載）、100mA～850mA（加10Ω負(fù)載）。從 測試數(shù)據(jù)看來，本作品已經(jīng)基本達(dá)到要求。
四、結(jié)束語
本系統(tǒng)以SiliconLaboratories公司的C8051F040單片機(jī)為核心控制器 件，控制液晶顯示、鍵盤輸入、輸出設(shè)定和輸出檢測等各個部分。數(shù) 控電源可以在輸出口電壓不超過10伏的情況下輸出10mA到1A的恒定電 流，具有輸出準(zhǔn)確、輸出穩(wěn)定、紋波小等特點(diǎn)。