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1、数控直流电源数控直流电源摘要摘要本文所介绍的数控直流稳压电源，电压输出范围为 0 到 9.9V，在控制端由“+”、“-”两键分别控制输出电压的步进增减，步进值为 0.1V,并且输出电压可预置在 099V 之间的任意一个值；输出电压值用 LED 数码管显示。与传统的稳压电源相比，具有操作方便，电压稳定度高的特点，其输出电压大小采用数码管显示，主要用于要求电源精度比较高的设备，或科研实验电源使用，并且此设计没有用到单片机，只用到了数字技术中的可逆计数器，D/A 转换器，译码显示等电路，具有控制精度高制作比较容易等优点。关键词关键词稳压电源；数控；数模转换；可逆计数目录目录1.设计任务与要求31.1
2、 设计任务31.2 基本要求32.方案论证与比较32.1 方案一32.2 方案二32.3 方案三42.4 方案论证与比较53.理论分析与概述53.1 概述53.2 稳压电路设计53.2.1 稳压电路基本原理53.2.2 数控基准电源83.3“+”,“-”键控制的可逆计数器的设计83.3.1 工作原理83.3.2 元件的选择103.4 数字显示电路的设计103.4.1 工作原理103.4.2 原件选择113.5 D/A 转换电路（数模转换器）的设计113.5.1 DAC0832 工作原理113.5.2 DAC0832 芯片的特点123.6 调整输出的设计123.6.1 运放的选取133.6.2
3、取样电路R1、R2的选取134.电路调试145.性能指标测试145.1 测试所用仪器145.2 测量步骤146.改进措施157.结论158.本设计部分主要电路158.1 数显电路的仿真实现158.2 控制电路的仿真实现168.3 数模转换电路的仿真实现168.4 输出电路的仿真实现179.总结与体会18参考文献18附录191.1.设计任务与要求设计任务与要求1 1.1.1 设计任务设计任务设计并制作有一定输出电压调节范围 和功能的数控直流稳压电源。1.21.2 基本要求基本要求1、输出直流电压调节范围 09.9V，纹波小于 10mV。2、输出电流 0500mA。3、输出直流电压能步进调节，步进
4、值为 0.1V。4、由“+”、“-”两键控制输出电压步进值的增或减。5、用数码管显示输出电压值，当输出电压为 9.9V 时，数码管显示为“9.9”。2.2.方案论证与比较方案论证与比较2.12.1 方案一方案一如图 1.11 所示，该方案的控制部分采用 8031 单片机，输出部分也不采用传统的调整管方式，而是在 D/A 转换之后，经过稳定的功率放大得到，因为使用了单片机，整个系统可编程使得系统的灵活性大大增加。但是对于我们尚未涉足单片机，该方案哟一定的难度。键盘显示器接口单片机8031键盘数码显示电 压预置D/A 转换功率放大A/D转换译 码显示图 2.1单片机的控制方案输出2.22.2 方案
5、二方案二如图 1.12 所示，该方案使用一套十进制计数器，一方面完成预置电压的译码显示，另一方面其输出作为 EPROM 的地址输入，而由 EPROM 的输出经 D/A 变换后控制误差放大器的基准电压来实现输出步进。该方案将控制数据烧录在 EPROM 中，使系统设计的灵活性降低。2.32.3 方案三方案三该数控直流稳压电源共有六部分组成，其中输出电压的调节是通过“+”和“-”两个按键来操作的；步进电压精确到 0.1V 去控制可逆计数器分别作加，减计数；可逆计数器的二进制数字输出分两路运行，一路用于驱动数字显示电路，精确显示当前输出电压值；另一路进入数模转换电路（D/A 转换电路）；数模转换电路将
6、数字量按比例，转换成模拟电压，然后经过射极跟随器的控制,调整输出级，使输出稳定直流电压。可逆计数器的输出是依次递增或递减的数字量，经过 D/A 转换后变成模拟电压值。由于电压的数值可以把输出的模拟电压经过 A/D 转换再显示，也可以直接把 D/A 转换前的数字量直接经译码显示。其原理方框图和总体控制电路图如下图所示：电压预置步进加步进减十进制计数器译码显示EPROMD/A 转换误差放大调整管整流滤波电路过流保护ACAC200200V V稳压电源稳压电源可逆可逆计数器计数器D D/A A转换部分转换部分+1515V V-1515V V+5 5V V1212-1818V V数字数字显示部分显示部分
7、调整调整输出输出“+”-”按键按键图 2.2 传统的调整管方图 2.3 原理方框图和总体控制电路图2.42.4 方案论证与比较方案论证与比较比较上述方案知，方案三具有成本低、电路简单、实用性强的优势，本设计选择方案三。该方案可简述为：数字控制部分用+/按键控制产生可增加货减少的 BCD 码。BCD 码送到 D/A转换电路，转换成相应的电压，此电压通过放大到合适的电平后加到可调稳压电路，控制输出电压以手动 0.1V 的电压步进（或步减），或直流变化到某一设定的电压值。3 3 理论分析与概述理论分析与概述3.13.1 概述概述此数控直流稳压电源共有六部分，输出电压的调节是通过“+，-”两键操作，步
8、进电压精确到 0.1V 控制可逆计数器分别作加，减计数，可逆计数器的二进制数字输出分两路运行：一路用于驱动数字显示电路，精确显示当前输出电压值；另一路进入数模转换电路（D/A 转换电路），数模转换电路将数字量按比例，转换成模拟电压，然后经过射极跟随器控制,调整输出级，输出稳定直流电压。为了实现上述几部分的正常工作，需要另制 15V，和 5V 的直流稳压电源，及一组未经稳压的 12V17V 的直流电压。此下所讲的数控电源主要就是对此组电压进行控制，使输出 09.9V 的稳定的可调直流电压。3.23.2稳压电路设计稳压电路设计3.2.13.2.1 稳压电路稳压电路基本原理基本原理1、直流稳压电源框
9、图、直流稳压电源框图电源变压整流电路滤波电路稳压电路+uO+uI220V50Hz变压器：变压(通常是降压)和隔离。整流电路：是将交流电转换为脉动的直流电。滤波电路：是将脉动直流中的交流成分尽可能滤除，使输出电压变得平滑。稳压电路:稳定输出电压，即当电源电压，负载和环境温度在一定范围内变化时，稳压电路能自动的调节使输出的直流电压基本保持不变。2 2、桥式整流电容滤波电路桥式整流电容滤波电路a3.2.1 桥式整流电容滤波电路u1u2u1bD4D2D1D3RLuoSC单向桥式整流电路输出电压平均值UO(AV)和输出电流的平均值IO(AV),脉动系数：二极管的选择每只二极管只在变压器副边电压的半个周期
10、通过电流，所以每只二极管的平均电流只有负载电阻上电流平均值的一半。二极管承受的最大反向电压等于变压器副边的峰值电压对于二极管最大整流平均电流IF 和最高反向工作电压UR 均应留 10%的余地，以保证二极管安全工作。2202O(AV)9.022)(tdsin21UUtUU L2LAVOAVORU9.0RUI）（）（)4cos1542cos342(22OttUu 67.02232422O(AV)O1mUUUUS L2AVOAVDRU45.02II）（）（2maxR2UUL2AVOFRU21.12I 1.1I）（2R21.1UU电容滤波电路滤波电容容量较大，一般采用电解电容器。输出电压平均值：当负载
11、开路时：当RLC（35)T/2 时：考虑电网电压波动，电容的耐压值应大于。脉动系数S：约为 10%20%3 3、稳压电路工作原理、稳压电路工作原理图 3.2.2输出电压为：122()NOUURRR121ZRUR122()PURRR显然，UO与UZ成线性关系，若UZ是数控的，则UO就可以是数控的。故基准电源电路可用数 R1 R2 RL DZ R+UI UO+A)41(22UUU2OminOmaxAVOCRTUL）（2O(AV)2UU2AVOU2.1U）（2U21.1141O(AV)O1m CRUUSL 比较放大器7 调整管 R1 取样电路 R2 RL+-UI UO+-A 数控 基准电源 UO 控
12、基准电源电路代替输入电压 UI 的确定由模电知识：因设计指标Umax=9.9V，通常Uces=2V，所以U1min11.9V。考虑电源电压波动 10%，则：0.9U111.9V即U113.3V取U1=18V3.2.23.2.2 数控基准电源数控基准电源数控基准电源的原理框图图 3.2.33.33.3“+”,“-”键控制的可逆计数器的设计键控制的可逆计数器的设计此部分电路主要用两按钮开关作为电压调整键，与可逆计数器的加计数 CPU 时钟输入端和减计数 CPD 时钟输入端相连，可逆计数器采用两片四位十进制同步加/减计数集成块 74LS192级联而成。74LS192 是双时钟，可预置数，异步复位，十
13、进制（BCD 码）可逆计数器。3.3.13.3.1 工作原理工作原理由于输出电压从 0V到 9.9V 可以调节，所以 74LS192 PL 是低电平有效的预置数允许端，PL=0 时，预置数输入端 P0P3 上的数据被置入计数器。MR 是高电平有效的复位端，MR=1 时，计数器被复位，所有输出端都为低电平。CPU 是加计数时钟，CPD 是减计数时钟，当 CPU=CPD=1 时，计数器处于保持状态，不计数。当CPD=1，CPU 由 0 变为 1 时，计数器的计数值加 1；当 CPU=1，CPD 由 0 变 1 时，计数器的 单脉冲 产 生 电 路 可 逆 计数器 D/A 转换 电路 译码 显示 电
14、路 基准电压输出 UO ImmaxinOCESUUU计数值减 1。TCU 是进位输出端，当加计数器达到最大计数值时，即达到 9 时，TCU 在后半个时钟周期（CPU=0）内变成低电平，其他情况均为高电平。TCU 是借位输出端，当减计数器计到零时，TCD在时钟的后半个周期（CPD=0）内变成低电平，其他情况下均为高电平。为实现 100 进制的计数可把第一块芯片的 TCU，TCD 分别接后一级的 CPU，CPD 就可以级联使用，这就达到了 099 的计数。（a）引脚排列(b)逻辑符号图 3.3.174LS192 的引脚排列及逻辑符号图中：为置数端，为加计数端，为减计数端，为非同步进位输出端，为非同
15、步借位输出端，P0、P1、P2、P3为计数器输入端，为清除端，Q0、Q1、Q2、Q3为数据输出端。74LS192 功能表输入输出MRP3P2P1P0Q3Q2Q1Q01000000dcbadcba011加计数011减计数3.3.23.3.2 元件的选择元件的选择74LS192 是双时钟，可预置数，异步复位，十进制（BCD 码）可逆计数器，还可选用 54HC192，54HCT192，74HC192，74HCT192 等。3 3.4 4 数字显示电路的设计数字显示电路的设计3 3.4 4.1.1 工作原理工作原理数字显示驱动采用两块 74LS247 芯片，74LS247 为四线七段译码驱动器，内部输
16、出带上拉电阻，它把从计数器传送来的二十进制码，驱动数码管显示数码。具体功能如下图所示。74LS247 器件图及逻辑真值表如下图所示74LS248，七段译码器，输出高电平有效，适合于共阴极接法的七段数码管使用 A3，A2，A1，A0，为 8421BCD 码输入，a,b,c,d,e,f,g 为七段数码输出，LT 为试灯输入信号，用来检 可逆计数器 十进制输出 个位显示 十六进制/BCD 码 转换电路 BCD 锁存 译码驱动 十位显示 BCD 锁存 译码驱动 图 3.4.1 译码显示电路框图图 3.4.2查，数码管的好坏，IBR 为灭零输出信号，用来动态灭零，IB/QBR 为灭灯输出信号，该端既可以
17、作输入也可以作输出，具体工作如上真值表所示。3 3.4 4.2.2原件选择原件选择与 74LS248 功能相同的还有，74LS247，7CD4511 等。3.53.5 D/AD/A 转换电路（数模转换器）的设计转换电路（数模转换器）的设计3.5.13.5.1 DAC0832DAC0832 工作原理工作原理数模转换电路，采用两块 DAC0832 集成块，它是一个 8 位数/模转换电路，这里只使用高4 位数字量输入端。由于 DAC0832 不包含运算放大器，所以需要外接一个运算放大器相配，才构成完整的 D/A 转换器，低位 DAC 输出模拟量经 9：1 分流器分流后与高位 DAC 输出模拟量相加后
18、送入运放，具体实现，由 900和 100的电阻相并联分流实现，运放将其转换成与数字端输入的数值成正比的模拟输出电压，运放采用具有调零的低噪声高速优质运放 NE5534。具体封装图如下图 3.5.1 所示图 3.5.1DAC0832 芯片主要功能引脚的名称和作用如下：d7d0：8 位二进制数据输入端；ILE：输入锁存允许，高电平有效CS：片选信号，低电平有效WR1，WR2：写选通信号，低电平有效XFER：转移控制信号，低电平有效Rf：内接反馈电阻，Rf=15K；IOUT1，IOUT2：输出端，其中 IOUT1 和运放反相输入相连，IOUT2 和运放同相输入端相连并接地端。Vcc：电源电压，Vcc
19、 的范围为+5V+15V；Vref：参考电压，范围在-10V+10V;GND：接地端。VREF设置：当 ILE=1,CS=0,WR=0，输入数据 d7d0 存入 8 位输入寄存器中，当 WR2=0，XFER=0 时，输入寄存器中所存内容进入 8 位 DAC 寄存器并进行 D/A 转换。当 DAC0832 外接运放 A 构成 D/A 转换电路时，电路输出量 V0 和输入 d7d0 的关系式为：因计数器输出只有4位，只能接D/A转换器中D0D7的4位，故输出电压与输入端的选择有关，由计算可知，要同时达到输出电压为9.9V并且步进值为0.1V，使用一个可逆计数器是不行的，所以D/A转换电路也需使用两
20、个。3.5.23.5.2 DAC0832DAC0832 芯片的特点芯片的特点DAC0832 最具特色是输入为双缓冲结构，数字信号在进入 D/A 转换前，需经过两个独立控制的8 位锁存器传送。其优点是 D/A 转换的同时，DAC 寄存器中保留现有的数据，而在输入寄存器中可送入新的数据。系统中多个 D/A 转换器内容可用一公共的选通信号选通输出。由于 DAC0832 输出级没有加集成运放，所以需外加 NE5534 相配适用。NE5534 封装如下图 5所示。IN-为反相输入端,IN+为同相输入端；OUT 为输出端；Balance 为平衡输入端,主要作用是,使内部电路的差动放大电路处于平衡状态；CO
21、Mp/Bal 的作用为,通过调节外接电阻,以达到改善放大器的性能和输出电压;VCC-和 Vcc+为正负电源供。3.63.6 调整输出的设计调整输出的设计调整输出级采用运放作射极跟随器，使调整管的输出电压精确地与 D/A 转换器输出电压保持一致。调整管采用大功率达林顿管，确保电路的输出电流值达到设计要求。数控电源各部分工作所需的15V 和5V 电源由固定集成稳压器 7815、7915、和 7805 提供，调整管所需输765076508(2222)2256REFREFOVVUddddD 图 3.5.3入电压，经简单整流，滤波即可得到，但要求能提供 5A 的电流。输出电压的调整，主要是运用射极输出器
22、发射极上所接的 4.7K 电阻来完成的，此反馈电阻的主要作用是，把输出电压反馈到 NE5534 的输入级的反向输入端，当同相输入 IN+和反向输入端 IN-有差别是，调整输出电压使之趋于稳定，从而达到调整输出电压的目的。3.6.13.6.1 运放的选取运放的选取图 3.6.1图 3.6.2基准电源的运放要求：若选高4位比较放大器的运放要求：显然，满足比较放大器的要求，就可以满足基准电源的要求，故运放可选用同一种。3.6.23.6.2 取样电路取样电路R1R1、R2R2的选取的选取设计指标：U0=09.9V步进值：输出电压：步进值：则当则：R1、R2比例越大，调整越困难，故应选择合适的。实际电路
23、中，R1可用一个固定电阻和一个可调电阻串联，以便于调整比例。VDD ILE VREF RF IOUT1 IOUT2 AGND D7 .D0 XFERWRWRCS21 A DAC0832+5V Uo 比 较 放 大 器7 调整管 R1 取样电路 R2 RL+-UI UO+-A 数控 基准电源 UO max9.375OUVmax0.9375OImAmax15.7UV放max500/ImA放1OUV12(1)OORUUR12(1)OORUUR0.01OUV121(1)100ORRU1299RROU121(1)OOOURRUU4.4.电路调试电路调试调节步骤如下：1输入数字 00000000，短接 R
24、e1、Re、Rf 调运放调零电位器 Rw，用数字万用表检测，使输出电压 Vo=0 1mV。2输入数字 10011001，调整 Re1、Re2、Rf 使输出电压 Vo 达到预定的满量程 9.9V。3主要技术指标本文所设计数控直流电源的电压输出范围为 09.9V，步进电压值为 0.1V，输出纹波电压不大于10mV，输出电流为 0.5A。5.5.性能指标测试性能指标测试5.15.1 测试所用仪器测试所用仪器2A电流表、DT890D 型数字万用表、YB4320G 双踪示波器（20MHz）和可变绕绕电阻器。5.25.2 测量步骤测量步骤1.输出电压的测量接上负载，串接入电流表，数字万用表与负载并接，电压
25、设置为 5V，调整绕线电阻阻值的大小，使流过负载的电流为250mA，然后用“+”、“-”键控制输出电压的步进或步减。检查数码显示器显示的电压是否与数字万用表的测量电压相符。按住“*”键不放，则应发现发现电压连续步进，按住“-”键不放则连续步减，检查减到0.0V后是否停止扫描。2.输出负载电流的测量输出电压智成5V，改变绕线电阻的大小，使负载电流达500Ma,测量输出电压的变化。本设计负载开路与满载之间输出电压的变化范围为5V0.02V。输出电压设置成2.0V和9.0V,重复上述过程，测量其变化仅为0.04V。3.输出纹波电压的测量用示波器观测直流输出电压的纹波，测量其纹波电压的峰-峰值。经测量
26、，本设计的纹波抑制比为60dB。4.电压预置检查用拨盘开关BCD+SW1与BCD-SW1设置电压，按下S4键，经检查其输出电压与设置的电压相符合。6.6.改进措施改进措施本电源输出电压大小尚受限制，在需要较高输出电压时，在不改变调节精度（即步进电压值）前提下，只要增加计数器的级联数和相应 D/A 转换器的个数，扩大数显指示范围，配合选用高电压输出运放，就能轻易地满足要求。当需要正负对称输出电压时，只要另增一组电源，对 D/A 转换器及调整输出电路稍作改动即可达到目的。7.7.结论结论本设计按照“简单可靠”、选用低价格通用元器件“的宗旨，达到了设计任务书中提出的技术指标。例如，数字控制部分舍弃了
27、ROM芯片，可调稳压部分选用了低价格的CW7800系列。本设计具有较高的性价比，并简单、可靠。但系统设计人有改进之处。例如，DAC中运放的电源岁电压的精度有很高的要求，设计中考虑较少，使系统电压的精度有所下降。8.8.本设计部分主要电路本设计部分主要电路8.18.1 数显电路的仿真实现数显电路的仿真实现如图所示，74LS47D 是驱动共阳数码管的译码驱动器。用逻辑电平开关来代替 BCD 码；调整开关 J1、J2，J3，J4 的状态，可以得到不同的 BCD 码组合；运行仿真，拨动开关数码管的显示结果会随之变化，R1 在实际应用电路中是一个较为有用的器件。如果没有这只电阻，数码管极易受损坏。在实际
28、电路中，采用 74LS2 分别改变各个开关的状态，观察显示值的变化并记录。图 8.18.8.2 2 控制电路的仿真实现控制电路的仿真实现如图 3.8.2 所示，采用了两个按键，分别为+和一，用来调节设定电压，可以以 01V的步进增加或减少。按下+和一键，产生的脉冲输入到 74LSl92N 的 CP 的 UP 或 DOWN 端来控制 74LSl92N 的输出是作加计数还是减计数。8.8.3 3 数模转换电路的仿真实现数模转换电路的仿真实现图 8.2图 8.3将图中的四个单刀双掷开关按照二进制自然码顺序开关，使得每个开关都在运算放大器的同相端和反相端间切换观察输出电压。测试结果分析，输出电压符合设
29、计要求。8.8.4 4 输出电路的仿真实现输出电路的仿真实现输出仿真电路由运放NE5534和调整管Q1构成，调整管采用大功率达林顿管2N6038，运放和调整管组成射极跟随器，如图3.8.5所示，调整管的输出电压精确地与DA转换器输出电压保持一致。图.8.49.9.总结与体会总结与体会直流稳压电源是常用的电子设备，它能保证在电网电压波动或负载发生变化时，输出稳定的电压。一个低纹波、高精度的稳压源在仪器仪表、工业控制及测量领域中有着重要的实际应用价值。本设计给出的稳压电源的输出电压范围为018 V，额定工作电流为0.5 A，并具有+、-步进电压调节功能，其最小步进为0.05 V，纹波不大于10 m
30、V，此外，还可用LCD液晶显示器显示其输出电压值。数控直流稳压电源与传统的稳压电源相比，具有操作方便，电压稳定度高的特点，其输出电压大小采用数字显示，主要用于要求电源精度比较高的设备，或科研实验电源使用，并且此设计，没有用到单片机，只用到了数字技术中的可逆计数器，采用4位AD转换模块完成电压的测量，并用LCD液晶显示，则提高了测量的准确性和直观显示能力等优点。这次课程设计中，真正了解到设计一个电路器件的困难。原因有很多，譬如之前学习数电模电时，没有牢固的掌握好知识点。更主要的是平时动手机会少，难以将理论知识与实际结合。所以，设计期间我学会了将回顾之前的知识，学会参考和查阅其他资料。这次课程设计中还掌握了，mUlTiBoard 10.0和 protel99 两个仿真软件。参考文献参考文献1唐竞新数字电子电路第 版北京：清华大学出版社，20032康华光电子技术基础数字部分第 版北京：高等教育出版社，19983电子工程手册编委会等中外集成电路简明速查手册，北京：电子工业出版社，19914杨长春论数字技术电子报合订本成都：四川科学技术出版社，2002.125阎石模拟电子技术第四版北京：清华大学出版社，20046梅开乡梅军进电子电路设计与制作第一版北京：北京理工大学出版社2010附录附录设计总图纸：