當(dāng)今社會人們極大的享受著電子設(shè)備帶來的便利,，但是任何電子設(shè)備都有一個共同的電路--電源電路,，直流電源趨向多功能和數(shù)字化方向,。直流穩(wěn)壓電源的供電電源大都是交流電源,，當(dāng)交流供電電源的電壓或負載電阻變化時，穩(wěn)壓器的直流輸出電壓都會保持穩(wěn)定,。 直流穩(wěn)壓電源隨著電子設(shè)備向高精度,、高穩(wěn)定性和高可靠性的方向發(fā)展，對電子設(shè)備的供電電源提出了高的要求,。本文以單片機為核心,，構(gòu)成可同時控制6路正負輸出，具有定點顯示和巡回顯示等功能的數(shù)控直流穩(wěn)壓電源,。

　　1 系統(tǒng)的功能和特點

　　系統(tǒng)有6路電壓輸出,，其中3路為正，3路為負,。電壓調(diào)節(jié)范圍為0～35 V ,最大輸出電流（A ）分別為5,2和1,具有過流保護功能,。數(shù)字顯示有5位，其中1位顯示路號,，1位顯示電壓極性,，另3位顯示輸出電壓。鍵盤設(shè)有16個鍵,，數(shù)字鍵0～ 9及小數(shù)點鍵用于設(shè)定電壓輸出路號及幅值,；“↑”鍵為逐步增加輸出電壓或路號；“↓”鍵為逐步減少輸出電壓或路號；“C L R ”鍵用于清除錯誤輸入,，恢復(fù)原先狀態(tài),；“# ”鍵用于啟動電壓設(shè)定狀態(tài)和確認(rèn)新設(shè)定；“@ ”鍵為巡回顯示和定點顯示切換鍵,。

　　本系統(tǒng)設(shè)有巡回顯示,、定點顯示和電壓設(shè)定3種工作狀態(tài)。當(dāng)接通電源時,，自動設(shè)置為巡回顯示狀態(tài),，它將每隔4 s 在顯示器上巡回顯示不同路號和相應(yīng)電壓。若再按“# ”,，則電壓顯示值出現(xiàn)閃爍現(xiàn)象,，表示進入電壓設(shè)定狀態(tài)。如果依次按下“2”,，“6”,，“·”，“3”,，再按“# ”鍵確認(rèn),，新的電壓26.3 V 為實際輸出，設(shè)定完畢,。也可以在電壓設(shè)定狀態(tài)下,， 用“↑”鍵和“↓”鍵以0. 1 V 的增量設(shè)定電壓。系統(tǒng)設(shè)有自動識別功能,，將不接受超出使用范圍的電壓設(shè)定值,。在未按“# ”鍵之前，對誤輸入的電壓可以用“C L R ”鍵清除后重新設(shè)定,。在定點顯示態(tài),，可用數(shù)字鍵、“↑”或“↓”鍵選擇監(jiān)視的電壓路號,。同樣地,，系統(tǒng)將不接受超出實際范圍的路號設(shè)定值。輸出電壓的正負值由系統(tǒng)自動給出,，無需用戶輸入,。巡回顯示和定點顯示的切換按“@”鍵即可。

　　2 硬件電路分析

　　系統(tǒng)選用A T 89C 51單片機為控制核心,，完全兼容了8031單片機的指令和功能,。同時，它還增加了內(nèi)置4 K B 閃速存儲器,，具有128 B 內(nèi)部R A M ,3個I/O 口,，功耗低,，體積小巧，不需擴展存儲器就能滿足系統(tǒng)要求,。圖1為系統(tǒng)硬件原理圖,。

　　2.1 電壓輸出回路

　　電壓輸出回路原理，如圖2所示,。其調(diào)整管采用共射極連接方式,，與常見的共集極連接方式相比，功耗和紋波系數(shù)大為降低,。增并調(diào)整管,，適當(dāng)增加B G 2 的容量即可擴展功率輸出容量。由于電壓反饋調(diào)節(jié)采用了比例積分調(diào)節(jié)器,，輸出電壓在正常的工作區(qū)能完全地跟蹤控制電壓Uin .經(jīng)過推導(dǎo),，可得穩(wěn)態(tài)的輸出電壓值Uo = WinRw /Rr .Rb 及B G 3 等構(gòu)成過流保護電路。理論可以證明,，該回路近似為一階控制系統(tǒng),，具有絕對的穩(wěn)定性。因此,，它十分適合于系統(tǒng)的設(shè)計要求,，詳細的分析說明可參見文獻〔2〕。

　　2.2 控制電壓給定回路

　　控制電壓給定回路由單片機,、D /A 轉(zhuǎn)換器和采樣保持器等組成,。控制電壓由D /A 提供,，

　　系統(tǒng)采用了開環(huán)控制方式,。一般說來,，開環(huán)控制的抗干擾能力和精度差〔3 〕,。但由于本電壓輸出電路采用了特有的結(jié)構(gòu)，能實現(xiàn)無靜差調(diào)節(jié),。這樣,，可以省去類似文獻〔2〕電路中的A /D 采樣和比較電路，既降低了成本,，又簡化了結(jié)構(gòu),。其控制算法簡單，可靠性顯著增強,。D /A 輸出一般很穩(wěn)定,，但分辨率有限。按本系統(tǒng)的設(shè)計要求,，輸出電壓的分辨率必須大于0.1 V .已知穩(wěn)壓輸出量程為0～3 5V , 若D /A 的量程和參考電壓以5V 計,，則D / A 的分辨率B應(yīng)滿足2B> 35/0.1,B> 8.4.故可采用10或12位的D /A 轉(zhuǎn)換器,。為保證一定裕量，系統(tǒng)采用D A C 1210.本系統(tǒng)具有多路正負輸出,，考慮到高位D /A 轉(zhuǎn)換器價格較高,。采樣-保持電路由數(shù)據(jù)鎖存器74L S 273,以及6塊采樣-保持器L F 398組成。當(dāng)D A C 1210輸出第N 路（1≤N≤6）控制電壓時,，通過74L S 273的第N 位輸出狀態(tài)的改變,，使相應(yīng)路的采樣/保持器L F 398由保持狀態(tài)變?yōu)椴蓸訝顟B(tài)。然后,，再恢復(fù)成保持狀態(tài),，從而實現(xiàn)對控制電壓的采樣和保持。

　　2.3 顯示和鍵盤接口電路

　　考慮到本系統(tǒng)監(jiān)控軟件的負擔(dān)較重,，顯示采用了靜態(tài)顯示模式〔5 〕,。不難發(fā)現(xiàn)，電源輸出的極性決定于輸出電壓回路的電路結(jié)構(gòu),，與路號有一一對應(yīng)的關(guān)系,。因而，可由軟件自動設(shè)置,。故兩塊數(shù)碼管完全可以共享一組8位顯示數(shù)據(jù),。這樣5位L E D 只需設(shè)4個鎖存器（74L S273）。鍵盤電路設(shè)置于P 1 口,，為典型的4×4中斷掃描鍵盤,。

　　3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

　　本軟件設(shè)計通過合理安排中斷和劃分各功能模塊，設(shè)置統(tǒng)一的狀態(tài)字,，有效克服了系統(tǒng)的功能多,、狀態(tài)轉(zhuǎn)換復(fù)雜給軟件設(shè)計帶來的困難。系統(tǒng)軟件流程圖,，如圖3所示,。

　　3.1 狀態(tài)字設(shè)計

　　狀態(tài)字（SB ）占用一個字節(jié)，有效位為5位,。狀態(tài)字通道被啟動后,，控制指定的設(shè)備完成規(guī)定的操作，同時,，通道在執(zhí)行對外圍設(shè)備控制的過程中,，要記錄通道與設(shè)備執(zhí)行情況，為此系統(tǒng)在主存中安排另一個固定單元,，用于存放這些被記錄狀態(tài),，有

　　S B .0 = 1,表示處于巡回顯示狀態(tài)， SB .0 = 0,無意義,；

　　S B .1 = 1,表示處于定點顯示狀態(tài),， SB .0 = 0,無意義,；

　　S B .2 = 1,表示處于電壓設(shè)定狀態(tài)， SB .0 = 0,無意義,；

　　S B .3 = 1,表示電壓設(shè)定值有誤,， SB .3 = 0,表示電壓設(shè)定值正確；

　　S B .4 = 1,表示電壓非首次數(shù)字設(shè)定,，SB .4 = 0,表示電壓首次數(shù)字設(shè)定,。

　　3.2 各功能處理模塊

　　主程序。進行系統(tǒng)初始化設(shè)定（I/O 口,、定時,、中斷、狀態(tài)字,、各數(shù)據(jù)緩沖區(qū)等初始化）,，等待中斷。定時中斷服務(wù)程序,。輸出電壓的穩(wěn)定性是穩(wěn)壓器最重要的指標(biāo),。考慮到采樣-保持器輸出有一緩慢的下降速率（當(dāng)L F 398保持電容為0.1 μF 時,，下降速率約200 V ·m in- 1 ）,，故需定時對其進行保持和電壓刷新。本服務(wù)程序完成各路電壓值刷新和顯示,。中斷申請由定時/計數(shù)器T 0 提出,，每隔130 m s 中斷一次，中斷服務(wù)級為最高級,。 鍵盤中斷服務(wù)程序,。根據(jù)鍵碼和當(dāng)前狀態(tài)字，跳轉(zhuǎn)相應(yīng)的功能處理程序,，中斷由IN T 0 引入,。 鍵掃描譯碼程序。將0～9,、小數(shù)點,，以及其它按鍵譯成對應(yīng)00H ～0F H 的十六進制碼,。顯示譯碼程序,。將鍵碼緩沖區(qū)的內(nèi)容譯成七段碼并存入相應(yīng)的顯示緩沖區(qū)。 D /A 譯碼程序,。將鍵碼緩沖區(qū)的內(nèi)容譯成對應(yīng)的12位D /A 二進制數(shù)碼,，并存入相應(yīng)的D /A 數(shù)據(jù)緩沖區(qū)（一路輸出占2 B ）。顯示子程序,。根據(jù)路數(shù),，將該路數(shù)據(jù)緩沖區(qū)的內(nèi)容與屏蔽字相或后,，送對應(yīng)數(shù)管。錯程識別序1.在電壓設(shè)定狀態(tài),，判定鍵入數(shù)字碼后,，鍵碼緩沖區(qū)數(shù)據(jù)格式的錯誤，恢復(fù)鍵入前的狀態(tài)并給出相應(yīng)標(biāo)志（SB .3）,。錯程識別序2.在電壓設(shè)定狀態(tài),，判定鍵入“↑”鍵、“↓”鍵后,，鍵碼緩沖區(qū)數(shù)據(jù)格式的錯誤恢復(fù)鍵入前的狀態(tài),，并給出相應(yīng)標(biāo)志（S B .3）。

　　3.3 數(shù)據(jù)緩沖區(qū)設(shè)定

　　互方之一定義用于數(shù)據(jù)交換的底層內(nèi)存分配機制,。另一方總是使用已公布的接口來分配或釋放緩沖區(qū),，從而避免潛在的不一致。這種模型需要雙方都堅持一個可能與軟件基本功能無關(guān)的編程約定,，而且在一般情況下,，這個編程約定可能使代碼更加不可重用。

　　驅(qū)動數(shù)據(jù)交換的那一方將負責(zé)管理操作 —— 當(dāng)該方充當(dāng)數(shù)據(jù)提供者時,，這是一個相對適當(dāng)?shù)姆桨浮?然而,，當(dāng)該方充當(dāng)數(shù)據(jù)使用者時，事情就變得棘手了,。為避免去發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)大小,，數(shù)據(jù)使用者可以分配一個任意大小的緩沖區(qū)。如果該數(shù)據(jù)緩沖區(qū)沒有足夠大,，就必須對數(shù)據(jù)提供者發(fā)出多次調(diào)用,。因此這種方法需要圍繞該交互調(diào)用編寫額外的循環(huán)代碼，以備多次調(diào)用之需,。

　?。?） D /A 數(shù)據(jù)緩沖區(qū)。存放各路輸出的D /A 值二進制碼,，每路占2 B ,共12 B .（2） 鍵碼緩沖區(qū),。在電壓設(shè)定狀態(tài)，存儲鍵入的數(shù)值碼（包括小數(shù)點）,，一鍵碼用4位二進制數(shù)表示,。故每路占2 B ,共12 B .（3） 顯示緩沖區(qū)。 存儲各路輸出電壓顯示七段碼（含路數(shù),、輸出極性,、電壓大小）,，每路占4 B ,共24 B .（4） 鍵碼備份緩沖區(qū),。進入電壓設(shè)定狀態(tài)時,，程序?qū)?fù)制當(dāng)前路鍵碼緩沖區(qū)的內(nèi)容并存入此區(qū)，共2 B .（5） 顯示備份緩沖區(qū),。進入電壓設(shè)定狀態(tài)時,，程序?qū)?fù)制當(dāng)前路顯示緩沖區(qū)的內(nèi)容并存入此區(qū)，共4 B .

　　除了上述困難之外,，安全性也證明是傳統(tǒng)方法存在的問題：傳統(tǒng)緩沖區(qū)管理方案無法容易地防止惡意用戶刻意改寫數(shù)據(jù)緩沖區(qū),，從而導(dǎo)致程序異常?？紤]到所有這一切,，設(shè)計一個適當(dāng)?shù)臄?shù)據(jù)緩沖區(qū)接口就勢在必行！

　　4 結(jié)束語

　　本文將單片機控制回路與無靜差的電壓輸出回路有機結(jié)合,，構(gòu)成一款新式多路數(shù)字可調(diào)功率直流穩(wěn)壓電源,，非常適合一般教學(xué)和科研使用。單片機,、D A C 與其它外圍電路獨立供電,。D A C 采用高穩(wěn)定性的基準(zhǔn)電源為參考電壓，面板電源開關(guān)可設(shè)計成僅切斷輸出回路的供電電源,。還要注意選擇特性較理想的,、功率適當(dāng)?shù)木w管，加裝大小適當(dāng)?shù)纳崞?。這樣,，一般不需太多調(diào)試就能獲得成功。因此,，本電源推廣容易,，可望獲得廣泛的應(yīng)用。