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1、数字逻辑课程设计 姓名：邓凯旋 学号：班级：计1341 简易数控直流稳压电源一、概述 随着电子技术的高速发展，电子系统的应用领域越来越广泛，电子设备的种类也越来越多，电子设备与人们的工作、生活的关系益密切。任何电子设备都离不开可靠的电源，它们对电源的要求也越来越高。特别是随着小型电子设备的应用越来越广泛，也要求能够提供稳定的电源，以满足小型电子设备的用电需要。本文基于这个思想，设计和制作了符合指标要求的开关稳压电源。数字化控制无疑是人们追求的目标之一,它所给人带来的方便也是不可否定的,其中数控直流稳压电源就是一个很好的典型例子,但人们对它的要求也越来越高,要为现代人工作、科研，生活、提供更好的
2、，更方便的设施就需要从数字电子技术入手，一切向数字化，智能化方向发展.本报告所介绍的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，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 转换器等电路，具有控制精度高，制作比较容易等优点。直流稳压电源是常用的电子设备，用以保证在电网电压波动或负载改变时，输出稳定的电压。低纹波、高精度的稳压电源在仪器仪表、工业控制及测量领域都有重要的实际应用价值。这里设计的稳压电源输出电压范围为5-15V，额定工作电流为500 mA，并具有“+”、“”步进电压调节功能，最小
3、步进电压为1 V纹波不大于10mV。二、方案论证数控直流稳压电源的工作原理框图如图1所示。主要包括数字控制部分、模拟/数字转换部分（D/A变换器）及可调稳压电源。数字控制部分用+、-按键控制可逆二进制计数器，二进制计数器的输出到D/A变换器，经D/A转换相应的电压，经放大后去控制稳压电源的输出，来实现输出电压值步进增减。方案：数控直流稳压电源的工作原理框图如图1所示。此电路分以下几部分：1、数字控制电路部分。主要包括电压增减步进按键的设计，电脉冲的产生（应用SR锁存器产生单脉冲，也可应用555组成的多谢震荡器，本电路设计应用的前者）和可逆计数器（应用74LS193）。其主要部分就是可逆计数器。
4、2、D/A变换器部分。从可逆计数器输出的步进变化到控制电压步进变化要经过一个D/A转换器来完成，D/A转换器电路是由反相加法器和电压可上下偏移的反相器构成。3、稳压调节部分。因为要满足稳压电源最大输出电流500mA的要求，可调稳压电路要选用三端集成稳压器LM7805CT，而且该稳压器除了最大输出电流满足设计要求外，输出电阻、纹波大小、稳压系数等性能指标均满足要求。稳压调节部分数模转换部分单脉冲产生电压增减步进按键市电整流/滤波Uo图1 数控直流稳压电源工作原理图 4、输入电源的设计部分。市电接入变压器，经过变压器得到的二次侧电压为20V，在经过全桥整流和滤波电容得到要求的输入电压。三、电路设计
5、1、 数字控制电路部分 涉及到一个由与非门连接而成的SR触发器。每当两个开关有打开或者关断的时候就会产生脉冲，并把脉冲输出给74LS193D。74LS193D的输出端将会把信号传递给D/A转换电路。电路原理图如下图2所示： 数字控制部分的核心就是可逆计数器的使用。74LS193是双时钟4位二进制同步可逆计数器。 74LS193的特点是有两个时钟脉冲（计数脉冲）输入端CPU和CPD。在RD=0、LD1的条件下，作加计数时,令CPD1,计数脉冲从CPU输入；作减计数时，令CPU1，计数脉冲从CPD输入。图2 数字控制部分电路图 此外，74LS193还具有异步清零和异步预置数的功能。当清零信号RD1
6、时，不管时钟脉冲的状态如何,计数器的输出将被直接置零；当RD0,LD0时，不管时钟脉冲的状态如何，将立即把预置数数据输入端A、B、C、D的状态置入计数器的QA、QB、QC、QD端，称为异步预置数。2、 D/A转换部分 电路原理图如图3所示： 该电路由一个反向加法器和电压可上下偏移的反相器构成，输入端接到可逆计数器的输出端，计数器输出的高电平UH为5V，输出的低电平UL0V。由于运算放大器的虚短作用（UP=UN），可得到输出电压Uo1的表达式： Uo1=-Rf(Q0UH/8R+Q1UH/4R+Q2UH/2R+Q3UH/R) =-RfUH/23R(23Q3+22Q2+2Q1+20Q0)设Uo2=-
7、Uo1【UIN】当D3D2D1D0（Q3Q2Q1Q0）=1111时 要求UIN=10V 即10=RfUH/23R*15当UH=5V时，Rf=1.067R即R=20k ，Rf由20k电阻和电阻为10k的电位器串联组成。电位器R10实现的是调节步进电压的作用，电位器R13是调节最小输出电压的作用。图3 转换部分电路图3、稳压调节部分图4稳压调节电路图 电路原理图如图所示： 可调稳压电路的设计主要是应用三端稳压器LW7805，输出电压和最大输出电流取决于所选用的三端稳压器。设运算放大器为理想器件，即：Up=UnUp=(R1/R1+R4)Uin Un=5(R3/R3+R2)UoUo=(R18/R14+
8、R18)Uin+5(R3/R4+R3)R2=R4=0,R1=R3=1kUo=Uin+5由此可见，当Uin变化时，输出电压也跟着变化，而且最小为5v。4.、输入电源设计部分电路原理图如图5：图5输入电源电路图 T1为变压器，实现将市电降压为我们所需要的电压。D1-D4是四个1N4001二极管，由他们组成桥式整流电路，实现对交流电流的整流作用。为了使稳压电源正常工作，整流滤波电路的输出电压U要满足下面的式子：U=Uomax+(Ui-Uo)min+Ur+UUomax:稳压电源输出最大值 (Ui-Uo)min：集成稳压器输出最小电压差Ur=滤波器输出电压的纹波电压值取Uo与（Ui-Uo）之和的10%U
9、:电网波动引起的输入电压的变化一般取Uo、（Ui-Uo）和Ur之和的10%对于集成三端稳压器，当（Ui-Uo）=2-10v时，具有较好的稳压特性故滤波器输出电压值：U=15+3+1.8+1.98=22v取Ui=22v，根据Ui可以去定变压器次级电压：U2=Ui/1.2=20v 在桥式整流中，变压器、变压器次级电流与滤波器输出电流的关系为：I2=1.5I1=1.5I0=1.5*0.5=0.75A取变压器的效率为=80%，则变压器的容量为：P=U2I2/=20*0.75/0.8=18.75w 所以选用20w的变压器。因为流过桥式整流电路中的每只整流二极管的电流为：Id=1/2Imax=1/2Iom
10、ax=0.5/2=0.25A所以，每只整流二极管承受的最大反向电压为：Urm=1.414Umax=1.414*20*(1+100%)=31v根据以上有关整流部分的计算，选用二极管1N4001组正整流桥，其参数为：Id=1A，Urm=100v,可以满足要求。 滤波电容的设计原则是取其放电时间常数R1C是其充电周期的2-5倍。对于桥式整流电路，滤波电容C的充电周期等于交流周期的一半，即：RLC=(2-5)T/2=(2-5)/2f因为w=2f，故wRLC=3则：C=3/wR其中RL=Ui/Ii，所以滤波电容的容量为：C=3Ii/2fUi=(3*0.5)/2*50*22=0.68*103uf根据以上计
11、算可以取电容C是值为1mf。电容耐压值应考虑电网电压最高、负载电流最小的情况，即：Ucmax=1.1*1.414U2max=1.1*1.414*20=31v 综上所述，最好选用C=1mf,50v的电解电容，选用的高频瓷片电容是为了消除高频干扰和改善电源的动态特性。四、性能的测试1、数字控制部分性能测试。 每当电压增步进按键按下一次后就会产生一个脉冲，经可逆计数器后就会产生从0000到1010的依次增加的脉冲波形；如果按下电压减步进按键后，又会产生相应的减信号脉冲，从而实现增减步进的功能。经性能测试后得到的波形如图6所示。图中所示的四条脉冲信号从上至下依次是A、B、C、D四个通道的输出波形。图6
12、数字控制部分性能测试图2、可调稳压电源部分调试将电路连接好，在运算放大器同相输入端加入一010V的直流电压，用示波器观察输出稳压电压值的变化情况。当存在误差时，我们通过改变滑动变阻器的阻值来稳定电压输出。如表1所示。表1,可调稳压电源调试输入电压0v1v2v3v4v5v6v7v8v9v10v输出电压5.121v6.121v7.122 v8.122v9.134v10.133v11.145v12.167v13.165v14.174v15.179v3、电源性能测试。 测量经过整流后的电源电压，为满足要求，实际电压应该在20v左右为最佳。实验测得电压如图7所示：图7 电源性能测试3、 纹波测试 经稳压
13、调节部分后输出的电压用示波器测量其纹波电压及波形，将示波器调到AC档，观察得到的纹波电压及波形如图8所示。选用A通道，比例为5mf,由图可知纹波被控制在10mf以内。图8 纹波电压4、 总电路测试 不断按下电压增减按键，按下增按键，电压就会以1v为步进电压增加1v，按下减按键，电压又会减少1v。因为实验存在误差，所以步进电压会在1.2-0.8v范围内波动，所以所测得的电压与理论电压有偏差。实验测得电压如图9所示。图9 输出电压 五、结论 整个设计的电路基本可以实现课设要求的指标，电压可以在5-15v内以1v为步进增减，纹波控制在10mv以内等等，只是电压调节的精度有待提高。附录I 总电路图附录II 元器件清单序号编号名称型号数量1U1-U4与非门74ALS00N42U5可逆计数去74LS93D13U6-U8运算放大器LM324D34U9集成三端稳压器LM780515U10四管脚与非门74LS20D16U11非门74LS90417D1-D4二极管1N400148R10，R13电位器10k29R1-R9，R11R12，R14-R16电阻R1410C1,C2电容1mf211J1，J2开关2