模塊電路設計及比較

電源模塊
一、本設計共用到電源有兩種：即+5V、+12V。穩壓電源由電源變壓器、 整流電路、濾波電路和穩壓電路組成，穩壓集成選用7805、7812。 7805提供的+5V電源負責給系統自身供電，主要包括單片機（AT89S52 ）、數碼顯示（包括74LS164）、鍵盤和各部分芯片；7812提供的 +12V電壓負責給外接負載供電和LM358的電源電壓。為了減小紋波系 數本設計還在兩個4700uF電容之間接入有源濾波電路[2]。
（一）數碼管顯示模塊
由于輸出電流最大達到2000mA電壓步進最小值為0.5V，因此本作品設 計了雙五位數碼管顯示電路，1-5號數碼管顯示預設值，6-10號數碼 管顯示實際輸出值，74LS164為串行輸入并行輸出的移位寄存器，可 以作為靜態顯示器接口，接在AT89S52的串行口上用于數碼的顯示[3] 。
（二）D/A轉換模塊
通過4*4鍵盤將需要電壓或電流值輸入給單片機，單片機再將這個信 號發送給D/A轉換器，D/A工作，由D/A的12位分辨率可得它的最高數 值為4095，本設計中D/A的數字信號輸入data與系統輸出的模擬信號 對應關系如下：電流檔時，單片機輸入D/A的數字信號與系統輸出的 電流信號數值量為1比1關系，要求最大輸出電流為2000mA，則單片機 輸入D/A的數字信號為2000，電壓檔時，單片機輸入D/A的數字信號與 系統輸出的電壓信號（Uout）數值量對應關系為： Data=Uout*11.1111。
（四）A/D轉換模塊
本作品選用TLC2543作為A/D轉換模塊，串行輸入輸出，采樣精度達12 位，外接串行時鐘最高頻率較高，能滿足多數較高精度、多通道數據 采集的要求。TLC2543的控制字寫入及轉換結果的輸出都是通過串行 數據完成的，所需的外部數據線及控制線較少，可方便地與單片機進 行連接，是12位數據采集系統的最佳選擇器件之一。在本系統中，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），轉換為數字信號發送給單片機經單片機進行處理[4] 。
（五）恒壓源、恒流源模塊
恒壓源：電壓預置值從鍵盤輸送給單片機，由單片機進行判斷并發送 指令代碼給D/A，D/A輸出一個對應電壓給運放，作為參考電壓，經過 運放比較后輸出。輸出電壓精度高，穩定性好，由于PID調節作用， 使得電壓調節的響應速度較快，鍵入預值之后可以迅速輸出相應電壓 值。恒流源：電壓從D/A輸出，作為恒流源運放一端的參考電壓，另 一端由AD620構成電壓跟隨器提供負端口電壓。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反饋電路 ，因此電流源具有較好的穩定性。為了提高穩定度，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、軟件設計
本作品由軟件實現的功能有：鍵盤對單片機輸入數據，單片機對獲得 的數據進行處理并送入12位數模轉換器（TLC5618），接收12位模數 轉換器TLC2543將輸出電壓或電流信號轉換成的數字量，使數碼管顯 示預值和實際值，自調功能。軟件設計的主要特點在于它的自調節設 計和PID原理調節設計。自調節設計在依靠外部A/D、D/A等硬件設施 下對輸出模擬信號進行實時檢測、數據判斷后，依靠程序自動改變 D/A數字輸入信號，通過改變了D/A輸出的參考電壓準確的調節輸出模 擬信號。自調節的關鍵之處在于單片機、A/D和D/A聯絡穩定性的高低 ，三者必須時刻穩定的對信號做出判斷、處理，通過各方面調節，三 者綜合后的穩定性基本保證。PID原理調節是自調節對數字信號的處 理方式，在接收實測數字信號后，通過對比實際值和預置值的大小得 出差值，根據設定的PID處理方式，按不同比例及時、最快的取得最 合適的D/A輸入數字信號值，并準確調節好輸出模擬信號。
三、測試方法及測試結果
為了確定系統與題目要求的符合程度，對系統中的關鍵部分進行了實 際測試。主要包括在不同負載下電源輸出電壓電流的檢測值、實際值 與預置值的誤差；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：數字萬用 表、數字示波器、負載電阻（10Ω），測量范圍：0～9V（空載及加 10Ω負載）；第二部分測試電流源部分，采用工具：數字萬用表、數 字示波器、負載電阻（10Ω），測量范圍：100mA～1500mA（空載） 、100mA～1000mA（加5Ω負載）、100mA～850mA（加10Ω負載）。從 測試數據看來，本作品已經基本達到要求。
四、結束語
本系統以SiliconLaboratories公司的C8051F040單片機為核心控制器 件，控制液晶顯示、鍵盤輸入、輸出設定和輸出檢測等各個部分。數 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，具有輸出準確、輸出穩定、紋波小等特點。