《数字化小功率高压电源设计.doc》由会员分享，可在线阅读，更多相关《数字化小功率高压电源设计.doc（30页珍藏版）》请在taowenge.com淘文阁网|工程机械CAD图纸|机械工程制图|CAD装配图下载|SolidWorks_CaTia_CAD_UG_PROE_设计图分享下载上搜索。
1、目 录引言11.传统高压电源升压方式21.1 变压器升压原理22系统整体设计5高压电源整体设计53各模块单元设计53.1.功率场效应管驱动控制5功率MOSFET工作原理7单片机选择7单片机时钟电路设计9单片机复位电路设计9键盘输入模块设计10显示模块设计10功率整流二极管123.9 过载采样13报警指示133.11 A/D 转换133.12 高压发生电路设计143.13 串行接口通信154.数字化小功率高压电源电路原理图及软硬件设计16数字化小功率高压电源整体电路图及各部分接线图164.2 高压逆变硬件设计16单片机软件设计185主回路仿真实验18仿真软件介绍185.2 数字化小功率高压电源系
2、统仿真196总结217.致谢21参考文献21附录23第 28 页数字化小功率高压电源设计摘要:高压直流电源在科学与工业生产中有着普遍应用，光学仪器，医疗设备，质谱分析，静电喷涂，激光器，x射线衍射仪与其他有些分析成像射线类仪器中很重要部件。传统高压电源很多都采用线性技术，缺点是这种结构形式使电源变换损失功率增多，体积大，重量沉，操作与维修都不方便。由于电源技术快速发展，人们对于高压电源智能化与数字化程度、转换效率与带负载能力提出了更高要求。设计了一种以单片机技术为基础智能化小型高压电源。该电源由单片AT89C51机控制，利用黑白电视机中高压包与一些简单易购元件来制作高压发生器实现升压输出直流，
3、该电源源具有通用性强、输出可调范围宽、制性能优良等特点。关键词： 高压电源；数字控制；单片机 Digital low-power high-voltage power supply design ABSTRACT High voltage DC power supply in the scientific and industrial production has a broad application, Optical instruments, medical equipment, mass spectrometry, electrostatic spraying, laser, X ray
4、 diffraction and some other analysis imaging ray instrument in an important and indispensable component. The traditional high voltage power supply with linear technique, the structure causing the power transform efficiency is low, large volume, heavy weight, inconvenient repair operation. With the p
5、ower of technology development, people on the high-voltage power supply intelligent degree, conversion efficiency and load ability raised taller requirement. Design of a microcontroller based intelligent miniature high voltage power supply. The power supply is composed of STC89C51 single chip microc
6、omputer control, Useof FBT and some simple components to make available high voltage generator to achieve step-up DC output.The high voltage power supply with high universality, adjustable output range, high precision, good control performance characteristics.Key word: High voltage power supply; dig
7、ital control ;MCU引言小体积高压电源在高能离子能量分析器与小功率X光管供电等方面有重要应用, 这些应用对高压电源提出特殊要求:(1) 输出电压值高, 一般在+ 30 + 50kV；(2) 高压稳定性好, 一般要求输出波动范围是千分之几；(3) 输出高压范围比较宽, 而且能连续可调；(4) 体积小、输入功率较低, 适合野外操作等；根据这四点要求, 文中使用全集成化电路设计出稳定并且可靠新型数字化高压电源, 该电源具有功率损耗低、体积小、重量轻、绝缘性能强等特点, 而且输出高压能连续可调,稳定性好。现在研究现状是20世纪70年代世界电源史上出现了一场革命，即20kHz开关频率融合脉
8、宽调制技术(PWM)在电源市场应用。到现在为止，电源频率已经能达到数百赫兹，使用先进准谐振技术几乎能达到兆赫兹水平。以减少结构体积与性能要求高电压变压器，滤波电容器，电抗器，高压电容器等电子元件，使高压电源体积减少。高频电源，高压电源体积轻，便于携带，实用性与易用性，大大减少并有明显改善。世界正在大力开发新高压高频电源供应，包括电力新理论，新模块化电路，新型电子设备，以满足电子设备小型化，高效率与高性能发展要求，目前，国外高压直流电源已经比较成熟，已生产出小型，高效，智能高压直流电源斯佩尔曼，像Classman高电压电源公司。在20世纪70年代开始，美国有些公司将直流电直接逆变成500Hz中频
9、方波送给高压发生器，从而减少了尺寸与重量。日本国家开始使用开关电源技术，将电流整流逆变到3kHz范围中频电流，然后升压。到了20世纪80年代，高压电源技术大幅度发展，西门子公司研究了手机镜头大功率晶体管开关元件，电源开关频率在20kHz以上。而且将干式变压器技术正在实现用于高频高压电源，省去了高压变压器油箱，使变压器系统体积减小。我国高压开关电源技术虽然已取得了很大进步，但跟国外一些技术很是没得比，尤其是大功率高压开关电源技术仍处研究与开放中。虽然高频高压电源研发工作已经取得了很多进展，但是在电压恒定、纹波系数等指标方面仍然及理想中有很大差别，及国外同类技术水平也有不小差距，我们仍需要增加科研
10、力度来促进更广泛高频高压电源使用，在工业，农业，医疗，环保等领域尤其重要。1.传统高压电源升压方式 1.1 变压器升压原理从工频交流电源得到交流供电，然后经过高压隔离升压变压器升压后，得到高电压交流电，再通过整流滤波最后输出直流高电压。它有很多接线方式比如半波整流、全波整流、桥式整流、倍压整流、多相整流等。1全波倍压电路 全波倍压电路原理 如图1。图1全波整流电压电路 （a）正半周 （b）负半周(1)正半周时，D1导通，D2截止，电容器C1充电到Vm，其电流路径及电容C1极性如上图（a）所示。负半周时，D1截止，D2导通，电容器C2充电到Vm，其电流路径及电容C2极性如上图（b）所示。 (2)
11、由于C1及C2串联，故输出直流电压，V0=Vm。如果没有自电路抽取负载电流话，电容器C1及C2上电压是2Vm。如果自电路抽取负载电流话，电容器C1及C2上电压是及由全波整流电路馈送一个电容器上电压同样。不同之处是，实效电容为C1及C2串联电容，这比C1及C2单独都要小。这种较低电容值将会使它滤波作用不及单电容滤波电路好。优缺点：这类整流电路优点是接线简单，缺点是所用设备、组件电压较高，体积、重量与占地面积大，一般只能作为试验室内使用。最大缺陷就是带负载能力差，带负载后电压掉得厉害2. N倍压电路半波倍压电路推广形式，它能产生输入峰值三倍或四倍电压。根据线路接法发式可看出，如果在接上额外二极管及
12、电容器将使输出电压变成基本峰值（Vm）五、六、七、甚至更多倍。（即N倍）原理如图2。图2 N倍压工作原理(1)负半周时，D1导通，其他二极管皆截止，电容器C1充电到Vm，其电流路径及电容器极性如图（a）所示。(2)正半周时，D2导通，其他二极管皆截止，电容器C2充电到2Vm，其电流路径及电容器极性如上图（b）所示。(3)负半周时，D3导通，其他二极管皆截止，电容器C3充电到2Vm，其电流路径及电容器极性如上图（c）所示。(4)正半周时，D4导通，其他二极管皆截止，电容器C4充电到2Vm，其电流路径及电容器极性如上图（d）所示。所以从变压器绕线顶上量起话，在输出处就可以得到Vm奇数倍，如果从变压
13、器绕线底部量起话，输出电压就会是峰值电压Vm偶数倍。优缺点:这种电路能提高直流电压输出幅度，是带负载能力越来越差。因此只能用于小电流电路。综上原因可知传统高压电源存在设备重、体积大、精度低、效率低等这些缺点已经无法适应现代电源技发展市场。随着开关元件研发与电力电子技术发展，开关电源技术已经广泛地应用于高压开关电源技术之中。采用高压电源技术产生比工频高上千倍频率方波或正弦波可以大幅度减小高压电源体积与重量，并且提高高压电源输出电压精度、输出电压功率，实现自动化控制，高压电源发展趋势重要性就在于此。随着这几年电子电力技术快速发展，如MOSFET，IGBT等新一代电子器件应用，高频逆变技术逐步成熟，
14、出现了数字智能化高压电源，及其相比它突出优点是：储能少、重量轻、效率高、体积小、响应速度快、设计及制造周期短。由于其优越特点，如今已逐步代替了传统高压电源。50/60 Hz交流电流首先通过整流后得到相应直流电，经过高频逆变、高频变压器、整流器输出高压，进行误差信号进一步处理产生IGBT功率开关管PWM控制信号并通过负载电压反馈信号及指定电压信号相比较，采用闭环反馈来实现输出电压精确控制。开关电源技术数字高压电源具有纹波系数低、重量轻、保护速度快、体积小、稳定性高、控制精度高等优点，因此它必将在高压电源中有着更广泛应用。基于高频逆变数字化高压电源工作原理如图3:图3基于高频逆变高压电源示意图2系
15、统整体设计高压电源整体设计整体设计图如图4，将从高压侧得到电压输入单片机，经功率管驱动送入高频逆变器。将高压发生电路得到交流电压进行过载采样与A/D转换后送入单片机并将结果用LCD显示出来。同时串行通信接口及单片机信息进行持续交换。报警显示 LCD显示过载采样高压发生电路单片机输入串行通信接口驱动控制A/D转换图4高压电源整体设计图4 高压电源整体设计3各模块单元设计3.1.功率场效应管驱动控制使用M0SFET功率管比使用双极型晶体管可得到更多好处。特别当器件用在高频时(一般在100kHz或更高)，M0SFET突出优点更会显现出来。所以M0SFET工作频率一般都很高，必须采用一些预防措施来设计
16、，把高频时出现问题，如寄生振荡等应于消除。M0SFETT管在高频工作时，防止振荡，必须注意两点。首先，M0SFET各端点连接线长度尽可能减少，尤其是栅极引线。但是若无法让引线剪短，则可按图5所示，靠近栅极处串联一个小电阻以便抑制寄生振荡。第二，由于M帕FET输入阻抗高，为了避免正反馈所引起振荡，驱动电源阻抗必须较低。特别是，M0SFET直流输入阻抗非常高，但是它交流输入阻抗是随频率变化而改变。因此，M0SFET驱动波形上升与下降时间，及驱动脉冲发生器阻抗有关。另一个重要事情是：氧化硅层之间M0SFET压力栅耐压是有限，如果实际电压数值超过元件额定值，将会被击穿，造成永久性损坏。实际栅源电压最大
17、值在2030V之间。值得注意是，虽然实际电压是20V，我们要细致分析看是否可能会出现因为寄生电感引起电压急速上升产生尖峰从而引起击穿M0SFET硅氧化层问题。为了方便起见，我采用直接驱动式：(1)用TTL工驱动M0SFET 如图6,但如果M0SFET中有些晶体管，工作经线性区间，达到饱与需要一段较长时间，使M0SFET性能不可能达到最佳状态，可如图5所示，在TTL器件及M0SFET之间加上Tr1、Tr2，可减少开关上升及下降时间。 图5 MOSFET作为开关工作在共源板结构图图6 用TIL器件驱动MOSFET功率MOSFET工作原理 截止：漏源极间加上正电源，栅源之间电压为零。P基区及N漂移区
18、之间形成PN结反偏，无电流从漏源极之间流过。 导电：在栅源极间加正电压，电流不会从栅极流过因为栅极是绝缘。但栅极正电压会将它下面P区中空穴推开，将P区中少子电子吸引到栅极下面P区表面。 当正电压大于开启电压或阈值电压时，由于栅极下P区表面电子浓度将超过空穴浓度，反型层形成N沟道而使PN结消失是因为P型半导体反型成N型而成为反型层，漏极与源极就导电。单片机选择单片机是将CPU、存储器、定时/计数器、I/O接口电路与必要外设集成在一块芯片上，构成一个既小巧又完善计算机硬件系统，可实现微型计算机基本功能。单片机具有机构简单、控制功能强、可靠性高、体积小、价格低等优点，此外，单片机易于扩展，很容易构成
19、各种规模应用系统。片内具有计算机正常运行所必需部件，芯片外部有许多供扩展用三总线及并行、穿行I/O口，为应用系统设计与生产带来极大方便，而且单片机工作电压低，功耗也低，在许多行业都得到了广泛应用并发挥了巨大作用。单片机是整个系统核心，本设计采用AT89C51型号单片机，其引脚图如下图7： 图7 AT89C51单片机引脚排列图AT89C51是一种带4K字节FLASH存储器低电压、高性能CMOS 8位微处理器，通常也被称为单片机。该器件采用ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造，其可擦除只读存储器可以反复擦除1000次,即可重复写入程序约1000次，且及工业标准MCS-51输出管脚与指令集相兼容
20、。ATMELAT89C51是一种高效微控制器，因其将多功能8位CPU与闪烁存储器组合在单个芯片中。AT89C51具有以下功能：4K字节Flash 闪速存储器， 5向量两级中断结构，128字节内部RAM，两个16位定时/计数器，32 个I/O 口线，全双工串行通信口，时钟电路以及片内振荡器。同时，AT89C51支持两种软件可选节电工作模式，并可降至0Hz静态逻辑操作。掉电方式保存RAM中内容，但振荡器停止工作并禁止其它所有部件工作直到下一个硬件复位。空闲方式停止CPU工作，但允许定时/计数器，RAM，中断系统及串行通信口继续工作。AT89C51各引脚功能如下：VCC ：AT89C51 电源正极输
21、入端，接+5V电压。 GND ：电源接地端。 RST ：AT89C51 复位信号输入端，高电平工作，当要对芯片复位时，只要将RST输入端保持2个机器周期以上高电平，单片机即完成复位初始化操作，使得单片机内部特殊功能寄存器内容均被设成初始已知状态。XTAL1 与XTAL2：时钟引脚，外接晶体引线端。当使用芯片内部时钟时，此两引脚端用于外接石英晶体与微调电容；当使用外部时钟时，用于外接时钟脉冲信号。 ALE/PROG ：AT89C51地址锁存允许信号输出端。在访问外存储器时，作用为锁存低8位地址信号。当单片机上电，正常工作时，ALE端就以时钟振荡频率1/16固定频率周期性地向外输出正脉冲信号。该端
22、第二功能PROG为当对片内带有4KB EPROM8751单片机烧写程序时，此引脚作为编程脉冲输入端。PSEN ：AT89C51程序存储允许输出端，低电平有效。PSEN信号是片外程序存储器读选通信号。CPU从外部程序存储器取指令时，PSEN信号自动产生负脉冲，作为外部程序存储器选通信号。在读片外程序存储器读取指令码时，每个机器周期产生二次PSEN信号。在执行片内程序存储器指令时，不产生PSEN信号，在存取外部数据时，也不产生PSEN信号。 EA/VPP ：程序存储器地址允许输入端。当EA为高电平时，CPU执行片内程序存储器指令，但当PC中值超过0FFFH时，将自动转向执行片外程序存储器指令；当E
23、A为低电平时，CPU只执行片外程序存储器指令。对8031单片机而言，EA必须接低电平。在8751中，当对片内EPROM编程时，该端接21V编程电压。P0 ：P0 口(P0.0P0.7)是一个8位双向输入/输出端口，其漏极开路，当访问外部数据时，它是地址总线（低8位）与数据总线复用。P0 口每一个端口可以驱动8个LSTTL负载。当单片机外部不进行扩展而仅单片使用时，该输入输出端口则可作一般双向I/O口用。P1 ：P1 口(P1.0P1.7)口是具有内部提升电路双向 I/0 端口(准双向并行I/O口)，仅作为输入输出端口使用。其输出可以驱动 4个LSTTL负载。P2：P2口(P2.0P2.7)口是
24、具有内部提升电路双向I/0端口(准双向并行I/O口)，当存取外部程序存储器时，它是用作高8位地址。P2口每一个引脚可以驱动4个LSTTL负载。当单片机外部不进行扩展而仅单片使用时，则作一般双向I/O口使用。P3：P3P3.7)口是具有内部提升电路双向 I/0 端口，为准双向并行I/O口。此外P3口还提供外部随机存储器内容读取或写入控制，外部中断控制、计时计数控制及串行通信等特殊功能。其特殊功能引脚分配如表一。表一 AT89C51单片机P3口特殊功能分配表RXD串行通信输入TXD串行通信输出INT0外部中断0输入，低电平有效INT1外部中断1输入，低电平有效T0计数器计数器0输入端T1计数器计数
25、器1输入端WR外部RAM写选通信号端，低电平有效RD外部RAM读选通信号端，低电平有效单片机时钟电路设计时钟电路用于产生单片机所需要时钟信号，单片机在时钟信号控制下各部件之间同步协调工作。根据产生方式不同，分为内部与外部两种时钟电路。在AT89C51芯片内部有一个用于构成振荡器高增益反相放大器，其输入端为芯片引脚XTAL1，其输出端为引脚XTAL2。在由多片单片机组成系统中为了各单片机之间时钟信号同步，应当引入唯一公用外部脉冲信号作为各单片机振荡脉冲。这时，外部脉冲信号是经XTAL2引脚注入，由于XTAL2端逻辑电平不是TTL，故需外接一个上拉电阻，外接信号应为时钟频率低于12MHz方波信号。
26、本设计只用到一个单片机，单片机时钟电路采用内部振荡电路，其接线原理图如图8所示。在芯片外部，XTAL1与XTAL2之间跨接晶体振荡器与微调电容，从而构成一个稳定自激振荡器，在引脚XALT2上输出3V左右正弦波。通常，电容与取30pF左右，主要作用是帮助振荡器起振，晶体频率范围是1.212MHz。晶体振荡频率高，则系统时钟频率也高，单片机运行速度也就快，在通常情况下，AT89C51使用振荡频率为6MHz或12MHz，本设计系统中采用12MHz振荡频率。图8单片机振荡电路单片机复位电路设计复位时单片机初始化工作，复位后中央处理器CPU与单片机内其他功能部件都处在一定初始状态，并从这个状态开始工作。
27、一般在单片机刚开始接上电源时，或是断电、发生故障后都要复位。在单片机RST引脚引入高电平并保持2个机器周期时，单片机内部就执行复位操作。本设计中时钟频率为12MHz，每个机器周期为1s，则只需2s以上时间高电平即可实现复位。若该引脚持续保持高电平，单片机就处于循环复位状态。常用复位电路有两种基本形式：一种是上电复位；另一种是按键复位。上电复位电路利用电容充电来实现。在接通电源瞬间，RST引脚获得高电平，随着电容充电，充电电流减小，RST引脚电位逐渐下降，高点平只要能保持足够时间，单片机就可进行复位操作。按键复位电路除具有上电复位功能之外，还可通过按键复位。在本设计中，复位电路采用按键复位，原理
28、图如图9所示。图9 按键复位电路如图9，单片机需要复位时，只需按下图中按键，此时电源经经电阻分压，在RST引脚上产生一个高电平，单片机就进行了复位操作。复位后不会改变片内RAM中低于128B内容,但是特殊功能寄存器SFR值被初始化。键盘输入模块设计键盘电路可分为矩阵式、独立式键盘等键盘电路。在按键较少，操作速度较高或程序设计较为简单情况下，可选择独立式键盘。独立式键盘各按键独立，每个按键分别接一根输入/输出线，每个输入/输出线上按键工作状态不会干扰到其他输入/输出线上工作状态。所以通过对输入/输出线上电平检测就可以很容易地判断哪个按键被按下了。独立式键盘电路每一个按键开关占用一根I/O口线，当
29、所需按键数较多时，就会占用较多I/O口线。因此在按键较多情况下，通常多采用矩阵式键盘电路，它由列线与行线组成，按键位于列线与行线交点上。我设计电路用按键（+ ）调电压，（+）按键就是增加电压，（）按键就是减小电压。用指示灯作为电源开关按键。如图10 图10 按键显示模块设计显示模块可采用4位数码管显示，也可采用LCD液晶显示器显示。数码管显示亮度大，显示比较清晰完整，能够将电机转速完整显示出来，但功耗较大，显示信息少。液晶显示是一种极低功耗、抗干扰能力强显示器，可显示信息较多，美观大方有利于人及系统交互及显示内容扩展。本设计使用LM016L液晶显示,如图11所示。LM016L液晶显示器具有功能
30、较强且简单指令集，可以实现显示字符移动与光标闪烁等功能，可采用4位或8位并行传输这两种方式实现单片机及LM016L进行通讯,如图11所示。图11 LM016L液晶LM016L液晶模块引脚功能如下表二所示：表二 LM016L液晶模块引脚功能引脚符号功能说明1VSS一般接地2VDD接电源（+5V）3VEELM016L液晶显示模块对比度调整端，接地时对比度最高，接VCC时对比度最弱。4RS寄存器选择端，低电平时选择指令寄存器，高电平时选择数据寄存器。5R/WR/W为读写控制信号线，低电平时进行写操作，高电平时进行读操作。6EE为使能端，下降沿使能7DB0底4位三态、 双向数据总线 0位（最低位）8D
31、B1底4位三态、 双向数据总线 1位9DB2底4位三态、 双向数据总线 2位10DB3底4位三态、 双向数据总线 3位11DB4高4位三态、 双向数据总线 4位12DB5高4位三态、 双向数据总线 5位13DB6高4位三态、 双向数据总线 6位14DB7高4位三态、 双向数据总线 7位（最高位）（也是busy flag）LM016L寄存器控制如表三：表三 LM016L寄存器控制表RSR/W操作说明00写入指令寄存器（清除屏等）01都busy flag（DB7），以及读取位址计数器（DB0DB6）值10写入数据寄存器（显示各字型等）11从数据寄存器读取数据关于LM016L读写控制，这里不作详述，
32、液晶电路接口电路设计为：AT89C51P0口作为数据输出端，并在P0口上接上拉电阻以提高P0口驱动能力，P2.0与P2.1，作为控制信号输出端功率整流二极管在开关电源中常见功率整流管有：快恢复二极管、超快恢复二极管、肖特基二极管以及同步整流管等。整流用功率二极管作为高频ACDC或DCDC开关变换器输出，具有正向压降小、反向漏电流小、反向恢复时间少等特点。对于在高频下工作功率二极管，在建立其等效电路模型时，必须考虑引线及器件寄生参数作用。图12表示一个功率二极管等效电路程型。图中D为一个理想二极管，L代表封装引线电感，Cj为结电容，Rp为并联电阻(高阻值)，B1为引线电阻。图12 二极管电路模型
33、图13 二极管正向恢复过程从关断到导通过渡过程中，二极管有一个正向恢复过程，如图13，其持续时间称为正向恢复时间他tfr；在正向恢复过程中，二极管电流ID由零上升到IF，而二极管电压VD阶跃上升到正向恢复电压(峰值)Vfrm，其典型值在5v至20v之间，但在略时间内Tfr时间内VD又从Vfrm衰减到稳态正向电压Vdf，因此，正向恢复过程中，二极管正向功耗比稳态导通损耗要大，并且，正向恢复电压Vfrm (其值比Vdf大得多)加到电路中其它元器件上可能会产生故障。 过载采样过电压保护：是为了防止被保护元件完全绝缘而采取方法，就是整定电压小于元件绝缘击穿电压或被保护元件上出现高于整定电压时，过电压保
34、护动作就是对地放电，达到消除过电压对保护元件危害。常见过电压保护器与串联型稳压电路原理类似，是通过采样电路把输出电压信号与基准电路做比较，然后，由开关管做关断电路。 保护器一般是用在电压要求范围很窄，且容易损坏电路上欠压保护：由于短路故障等原因，线路电压会在短时间内出现大幅度降低甚至消失现象。它会给线路与电器设备带来损伤。例如：使电动机疲倒、堵转，从而产生数倍于额定电流过电流，烧坏电动机；当电压恢复时，大量电动机自起动又会使电动机电压大幅度下降，造成危害。以两个比较器分别比较被测电压及过压与欠压基准电压，当出现过压或欠压时，比较器输出将D触发器置位为0状态，继电器由受D触发器Q输出端控制NPN
35、晶体管驱动，当D触发器处于0状态时继电器断开。D触发器Q非端输出作为一个及非门一路输入，及非门另一路输入为时钟信号。及非门输出送计数器作为输入，当计数器计数达到某一设定值时，用其某一位输出脚作为D触发器置1信号，D触发器被置1后，继电器恢复接通，同时D触发器Q非端输出变为0，锁住时钟信号通过及非门输出，计数器停止计数，计数器计数设定值与时钟频率共同决定了继电器切断供电时间。报警指示报警指示包括：欠压指示、过压指示，采用发光二极管作为指示灯由单片机控制。 A/D 转换 A/D转化电路。亦称“模拟数字转换器”，简称“模数转换器”。将模拟量或连续变化量进行量化（离散化），转换为相应数字量电路。 A/
36、D变换由三个部分组成：抽样、量化与编码。多数情况下，量化与编码是一起进行完成。抽样是将模拟信号在时间上离散化过程；量化是将模拟信号在幅度上离散化过程；编码是指将每个量化后样值用一定二进制代码来表示过程。功能模块如图14图14 A/D转换功能模块2 高压发生电路设计（1）目前实验室高压发生电路设备主要有：感应线圈、静电感应起电机。但由于他们体积跟重量都比较大，不方便使用。我们就要想一些办法来制作一种简单、方便且电压至少达到万伏以上高压发生器。本人发现可以利用黑白电视机中高压包与一些简单易购元件来制作高压发生器，简单而方便。 图15是多级一次升压一体化行输出变压器等效电路，图中c1是各线圈分布电容
37、,C2是各线圈对地寄生电容，VD1VD3是各段高压整流二极管，各段感应电压经VD1VD3整流、C1及C2滤波。 图15 高压发生器电路(2)高压电路路上作原理及义特点行输出电路在逆程扫描期间，逆程电容上充得很高反峰电压。由于行输出变压器初级绕组及行偏转线圈并联，所以在行逆程期间，它两端也感应产生约8倍10倍Ec反峰电压。例如，采用+12v电源有自举升压行输出电路，反峰电压可达190v左右。利用行输出变压器将反峰电压升压后，再经过整流滤波电路，即可获得显像管各电极需要高压与中压，以及末级释放电路需要中压。同时还提供AFC比较脉冲、行消隐脉冲及AGC键控脉冲等。对于采用70v、100v供电大屏幕电
38、视机来说，通道电路与显像灯丝等处所需要+12v直流电压也由行输出变压器提供。这里行输出变压器实际是一个工作在行频脉冲变压器，整流滤波电路及一般半波整流电路形式基本一样。不同是，由于脉冲电压频率较高，所以滤波电容可小些，而整流二极管高频性能要好些。行输出变压器铁心采用锰锌铁氧体制成一对U形磁心。这种磁心导磁率高、损耗小。U形磁心外套一个低压议与一个高压包，它们绝缘性能很好。为了减少漏感，低、高压包同装在磁心一侧。在高压包塑封盒上端装有硅堆套，内装高压整流硅堆。把芯片与单片机等材料准备好后接下来就是制作及调试，开始要制作电路板，由于真正电路板制作繁琐且不一定能顺利完成,这里我们就到市面上买万能板，
39、直接用万用版来代替。首先要画整体电路图，设计电子元件布局与电路板上导线走势， 画完图纸检查一遍就进入焊接环节了。慢慢来，先把元件都放在板子上位置对好，再把导线整体好，看看是不是符合整体设计，然后决定是否要不要修改。但是在布线过程中发现如果有导线放不下去，那就只有重新修改整体图了，这一过程需要花一些时间。另外，我们要注意是在布线时候一定要尽量使剪好导线平直。上面过程就绪之后就来焊接了。有一定焊接经验，那么这一过程还是比较顺利。掌握好一些技巧与稍微谨慎就能将板子焊接好。焊完后还要把多余导线剪去。那么高压发生器就制作完成了。最后是调试，要是电路没有接错，元件都焊实，那就几乎没问题。实物就出来了。3.
40、13 串行接口通信串口通信两种最基本方式：同步串行通信方式与异步串行通信方式。1.异步通信在异步通信中，数据通常以字符为单位组成数据帧进行传送。发送端与接收端由各自时钟来控制发送与接收。在异步通信中，帧格式一般是由起始位、数据位、校验位、停止位组成，详细介绍如下：(1)起始位：是字符开始，起始位用“0”以表示数据发送开始。(2)数据位：紧跟起始位之后，他由58位数据组成，低位在前高位在后。(3)奇偶校验位：位于数据位之后，用于保证串行通信可靠性。(4)停止位：该位是字符最后一位，用“1”表示，用于向接收端表示一个字符已经发送完毕。在发送数据完毕后发送端信号变成空闲位，为高电平。在数据发送过程中
41、，两帧数据之间可以有空闲位也可以没有空闲位，可以有一个也可以有多个空闲位。异步通信优点不需要时钟同步，所需连接设备简单，其缺点是每传送一个字符都包括了起始位、校验位与停止位，故而传送效率比较低。同步通信方式中一次传送一个数据包，包括同步字符、数据字符与校验字符。其中同步字符位于帧头，用于确认数据字符传送开始；数据字符位于同步字符后面，数据字符长度由通信双方决定；校验字符位于数据帧结构末尾，用于接收端进行数据传送过程中正确性检验。其中同步字符可以采用统一标准，也可以由通信双方自己确定。例如，在单同步字符帧结构中，同步字符通常采用ASCII码中SYN(即16H)。同步通信数据传输速率较高，但是要求
42、发送时钟与接收时钟严格同步，发送端通常把时钟脉冲同时传送到接收端。波特率是异步通信重要指标。用于表示数据传输速度，波特率定义为每秒钟传送二进制位比特数。在很多应用场合下，我们都希望单片机应用系统能够及其它系统(计算机、PLC或另一个单片机应用系统)通信，51单片机内部集成了一个异步串行通信口(UART)，应用这个UART，我们可以很方便地及一切具有UART接口其它系统进行通信。要在两个不同系统中进行通信，必须保证它们具有相同通信协议与相同波特率，而且能够按照通信发送与接收数据，为此需要设计串行通信程序。51单片机UART接口是一个全双工串行接口，它能同时发送与接收数据。51单片机UART接口有
43、4种工作方式，需要通过对特殊功能寄器SCON设置来定义串行口操作方式与控制它某些功能，来实现串行通信信号传输。4.数字化小功率高压电源电路原理图及软硬件设计数字化小功率高压电源整体电路图及各部分接线图如图16图16 整体接线器4.2 高压逆变硬件设计逆变电路由开关管、高频变压器等组成，当脉冲为高电平时，开关管导通时，电流经过初级线圈通过开关管流向地，电能转化为磁能储存在变压器中。当触发脉冲为低电平时，开关管截止，储存能量经二极管对电容充电，这样就完成了一个周期我高频震荡。高频信号经过升压变压器并由倍压电路整流后输出。单端反激开关电源变压器本质上是一个耦合电感, 它有着储能与变压传递能量等工作。
44、其中主要电路是反激电路如下图17。T为反激式变压器。当TOPSwiteh截止时原边磁通量减少, 原边电压反向副边二极管导通存储在变压器中能量传递给负载并同时给CI充电。此时T能起到能量传递作用相当一个普通变压器。当TOPSwitch 导通时变压器原边有电流流过就产生感应电压, 由于副边及原边同名端相反副边二极管截止, 能量储存在原边线圈中, 负载由电容供电, 此时变压器T就相当及一个电感。图17 单击反激式电源电图根据原边电流是否减少到零, 反激变压器一般工作在二种工作模式下: (1)电流连续模式:当S开通时，N2绕组中电流尚未下降到零。输出电压关系：(2)电流断续模式：S开通前，N2绕组中电
45、流已经下降为0。输出电压高于式计算值，并随负载减小而升高，在负载为零极限情况下，U。趋向于无穷。因此，反激电路不应工作于负载开路状态。两种模式下原边电流波形如图18所示。 (a )电流断续模式, Krp1(b )电流断续模式, Krp=1图18 变压器工作在不同模式下电流波形反激变压器优点：反激型电路一个优点是，能够较简单地实现从一个电源中得到多路输出。这是因为扼流线圈这个元件同时起变压、储能、隔离三个作用，而且，对于所有输出都是共同，这样只需一个二极管与一个电容器就可以得到另外不同一个直流电压输出。晶体管反激变换器分为：单晶体管反激变换器、双晶体管反激变换器。单晶体管反激变换器，在管子关断时
46、，开关晶体管集电极有可能承受至少34倍于输入电压vs电压。 但是这种晶体管造价较高，可以换成双晶体管反激变换器。4.3单片机软件设计有了硬件电路这个平台，还需要结合一定软件才能使系统有效执行预期功能。软件研发主要是针对本单元核心处理器编程，使其在各条指令控制下，有序高效完成各项任务。为了改进系统动态特性与稳定性，在数据处理程序中对PWM占空比规定了上下限，以防连续采样时出现较大偏差，另外若出现意外情况，单片机会及时关断PWM，以防输出电流或电压过大而损坏晶体管。图18是软件设计基本流程：图18 软件设计图5主回路仿真实验Proteus软件是一种低投资电子设计自动化软件，提供可仿真数字与模拟、交
47、流与直流等数千种元器件与多达30多个元件库。Proteus软件提供多种现实存在虚拟仪器仪表。此外，Proteus还具有图形显示功能，可以实时地显示出各条线路上变化信号，并且是以图形形式显示，简洁清晰。Proteus中虚拟仪器仪表本身具有理想参数指标，例如输出阻抗极低、输入阻抗极高，尽可能地减少了仪器对测量结果影响，Proteus软件为了方便对电路进行测试还提供多种测试信号，这些测试信号包括数字信号与模拟信号，软件还提供SPICE仿真、PCB设计及Schematic Drawing功能，同时Proteus还可以仿真单片机与周边设备，其中可以仿真单片机有PIC、AVR、51系列等常用MCU，并提供周边设备（示波器、led、373等）仿真。Proteus提供了大量元件库，有RAM、ROM、AD/DA、LED、LCD、键盘、马达、部分IIC器件、部分SPI器件，程序编译支持Keil与MPLAB等编译器。因此，一套电子仿真软件、一本虚拟实验教程，再加上一台计算机，就可相当于一个设备先进实验室。以软代硬、以虚代实，一个完善虚拟实验室就得以建立起来了。在此基础上，我们就可以在计算机上学习单片机应用系统，数字电路、模拟电路、电工基础等课