課設(shè)計(jì)說(shuō)明課程名稱(chēng)：

模擬電技課程設(shè)題

目：

數(shù)控直穩(wěn)電源設(shè)

電信工電

年11月23日

數(shù)控直流壓電源設(shè)計(jì)一、設(shè)計(jì)任務(wù)與要求1．功能與主要技術(shù)指標(biāo)⑴輸出電壓：0．9V步進(jìn)可調(diào)，調(diào)整步距0．1V；⑵輸出電流：；⑶精⑷顯

度：靜態(tài)誤差≤，紋波≤10mV；示：輸出電壓值用數(shù)碼管顯示；⑸電壓調(diào)整：由“+”、“-”兩鍵分別控制輸出電壓的步進(jìn)增減；⑹輸出電壓預(yù)置：輸出電壓可預(yù)置在∽9．9V之間的任意一個(gè)值；⑺其

它：自制電路工作所需的直流穩(wěn)壓電源，輸出電壓為±，+5V；2．?dāng)?shù)控直流穩(wěn)壓電源組成框圖之一操作人員通過(guò)按鍵對(duì)系統(tǒng)發(fā)出電壓調(diào)整指令令與輸出電路的狀態(tài)信號(hào)一起送入數(shù)控部分電路過(guò)處理后產(chǎn)生符合指令要求的輸出電壓信號(hào)經(jīng)輸出電路功率驅(qū)動(dòng)后輸出輸出電路的輸出電流超過(guò)極限值時(shí)過(guò)流保護(hù)電路產(chǎn)生的信號(hào)送入數(shù)控電路，關(guān)閉系統(tǒng)的電壓輸出，對(duì)系統(tǒng)的輸出電路進(jìn)行保護(hù)。另外控部分還產(chǎn)生顯示信息送入顯示電路輸出電壓或其它信息報(bào)告給操作人員。圖1提示：⑴用可預(yù)置的加減計(jì)數(shù)器和D/A實(shí)現(xiàn)電壓預(yù)置和電壓步進(jìn)控制；2

⑵用集成運(yùn)放實(shí)現(xiàn)功率擴(kuò)展或用三端集成穩(wěn)壓電源；⑶可用電壓比較器實(shí)現(xiàn)過(guò)流控制；二、方案設(shè)計(jì)與論證根據(jù)設(shè)計(jì)任務(wù)要求數(shù)控直流穩(wěn)壓電源的工作原理框圖如上圖1所示主要包括這幾部分：自制穩(wěn)壓電源、數(shù)控部分電路、顯示電路、模/數(shù)字轉(zhuǎn)換電路（D/A變換器）、過(guò)流保護(hù)及輸出電路部分。數(shù)字控制部分用“+”、“-”按鍵控制可逆計(jì)數(shù)器數(shù)器的輸出輸入到D/A換器D/A器轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電壓，此電壓經(jīng)過(guò)放大到合適的電壓值后去控制穩(wěn)壓電源的輸出使穩(wěn)壓電源的輸出電壓以0.1V的步進(jìn)值增減。方案一：采用構(gòu)成直流電源采用7805成直流電源的電路如圖2所示，改變RP阻值使7805公共端的電壓在-5V到10V之間可調(diào)則7805的輸出端電壓就可實(shí)現(xiàn)－15V之間可調(diào)了種方案是利用了7805輸出端與公共端的電壓固定為+5的特性來(lái)設(shè)計(jì)的。但存在不好數(shù)控的問(wèn)題。圖2方案二：采用串聯(lián)型穩(wěn)壓電路采用串聯(lián)型穩(wěn)壓電路的原理圖如圖所示，數(shù)控基準(zhǔn)電壓源的電壓大小可以通過(guò)可逆計(jì)數(shù)器進(jìn)行數(shù)據(jù)設(shè)置計(jì)數(shù)器的內(nèi)容對(duì)應(yīng)于穩(wěn)壓電源的輸出電壓同3

時(shí)該計(jì)數(shù)器值經(jīng)過(guò)譯碼顯示電路顯示出當(dāng)前穩(wěn)壓電源的輸出電壓計(jì)數(shù)器的輸出送至D/A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電壓此電壓去控制穩(wěn)壓電源的輸出使穩(wěn)壓電源的輸出以0.1V的步進(jìn)值增或減。優(yōu)點(diǎn)：容易進(jìn)行數(shù)控，調(diào)節(jié)簡(jiǎn)單。圖3串型穩(wěn)壓電路原理圖圖4數(shù)控基準(zhǔn)電壓源框圖方案選擇：方案一采用7805構(gòu)成直流電源設(shè)計(jì)原理簡(jiǎn)單易懂但存在不好數(shù)控的問(wèn)題。方案二采用串聯(lián)型穩(wěn)壓電路，容易進(jìn)行數(shù)控且具有控制精度高，調(diào)節(jié)簡(jiǎn)單。故本次設(shè)計(jì)采用方案二，即串聯(lián)型穩(wěn)壓電路。4

三、單元電路設(shè)計(jì)與參數(shù)計(jì)算此數(shù)控直流穩(wěn)壓電源共有六部分，輸出電壓的調(diào)節(jié)是通過(guò)+”“-兩按鍵操作步進(jìn)電壓精確到0.1V可逆計(jì)數(shù)器的二進(jìn)制數(shù)字輸出分兩路運(yùn)行一路用于驅(qū)動(dòng)數(shù)字顯示電路精確顯示當(dāng)前輸出電壓值另一路進(jìn)入數(shù)模轉(zhuǎn)換電路（D/A轉(zhuǎn)換電路數(shù)模轉(zhuǎn)換電路將數(shù)字量按比例轉(zhuǎn)換成模擬電壓然后經(jīng)過(guò)射極跟隨器控制調(diào)整輸出級(jí)，輸出穩(wěn)定直流電壓。為了實(shí)現(xiàn)上述幾部分的正常工作，需要自制±+5V的直流穩(wěn)壓電源。本文設(shè)計(jì)的數(shù)控電源主要是對(duì)自制±15V、+5V的直流穩(wěn)壓電源電壓進(jìn)行控制，使輸出09．9V步進(jìn)可調(diào)，調(diào)整步距為0.1V的穩(wěn)定可調(diào)直流電壓。此原理方框圖如下圖所示。數(shù)顯電路“按鍵

可逆計(jì)數(shù)器

D/A轉(zhuǎn)換

調(diào)整輸出+5

穩(wěn)壓電路220VAC圖3.1+”、-”控制的可逆數(shù)器的計(jì)此部分電路主要用兩按鍵開(kāi)關(guān)作為電壓調(diào)整鍵可逆計(jì)數(shù)器的加計(jì)數(shù)CPU時(shí)鐘輸入端和減計(jì)數(shù)CPD時(shí)鐘輸入端相連，可逆計(jì)數(shù)器采用兩片四位十進(jìn)制同步加/減計(jì)數(shù)集成塊74LS192級(jí)聯(lián)而成74LS192是雙時(shí)鐘，可預(yù)置數(shù)，異步復(fù)位，十進(jìn)制（BCD碼）可逆計(jì)數(shù)器。由于輸出電壓從到9.9V可以調(diào)節(jié)，所以74LS192計(jì)數(shù)器總計(jì)數(shù)范圍從00000000到10011001即0∽99）,而74LS192本身為十進(jìn)制可逆計(jì)數(shù)器，所以只需兩塊這樣的芯片級(jí)聯(lián)就可以達(dá)到目的，此芯片封裝和功能表如下圖6、圖7所示。5

PL低電平有效的預(yù)置數(shù)允許端，PL=0，預(yù)置數(shù)輸入端上的數(shù)據(jù)被置入計(jì)數(shù)器。MR是高電平有效的復(fù)位端，時(shí)，計(jì)數(shù)器被復(fù)位，所有輸出端都為低電平。CPU加計(jì)數(shù)時(shí)鐘，CPD減計(jì)數(shù)時(shí)鐘，當(dāng)時(shí)，計(jì)數(shù)器處于保持狀態(tài)，不計(jì)數(shù)。當(dāng)CPD=1，CPU由0變?yōu)?時(shí)，計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)值加1；當(dāng)CPU=1，CPD由0變1時(shí)，計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)值減1。TCU進(jìn)位輸出端，當(dāng)加計(jì)數(shù)器達(dá)到最大計(jì)數(shù)值時(shí)，即達(dá)到，在后半個(gè)時(shí)鐘周期（CPU=0）內(nèi)變成低電平，其他情況均為高電平TCU是借位輸出端，當(dāng)減計(jì)數(shù)器計(jì)到零時(shí)，TCD在時(shí)鐘的后半個(gè)周期（CPD=0）內(nèi)變成低電平，其他情況下均為高電平。為實(shí)現(xiàn)100進(jìn)制的計(jì)數(shù)，可把第一塊芯片TCU，TCD分別接后一級(jí)的CPU，CPD就可以級(jí)聯(lián)使用，這就達(dá)到了0~99的計(jì)數(shù)。圖674LS192的腳排列及邏符號(hào)圖774LS192功表6

3.2字顯示路的設(shè)計(jì)數(shù)字顯示驅(qū)動(dòng)采用兩塊芯片，74LS248為四線(xiàn)七段譯碼驅(qū)動(dòng)器，內(nèi)部輸出帶上拉電阻把從計(jì)數(shù)器傳送來(lái)的二至十進(jìn)制碼動(dòng)數(shù)碼管顯示數(shù)碼。引腳及功能表如下圖8、圖9所示。圖8引圖圖9功表74LS248為七段譯碼器，輸出高電平有效，適合于共陰極接法的七段數(shù)碼管使用A3，A2A1，A0，為8421BCD輸入，b、、、e、f、g為七段數(shù)碼輸出，LT為試燈輸入信號(hào)，用來(lái)檢查數(shù)碼管的好壞IBR為清零輸出信號(hào)，用來(lái)動(dòng)態(tài)清零，IB/QBR為滅燈輸出信號(hào)，該端既可以作輸入端也可以作輸出端。7

3.3D/A轉(zhuǎn)換電（數(shù)模轉(zhuǎn)換）的設(shè)數(shù)模轉(zhuǎn)換電路，采用兩塊成塊，它是一個(gè)8位數(shù)/模轉(zhuǎn)換電路，這里只使用高4位數(shù)字量輸入端。由于DAC0832不包含運(yùn)算放大器，所以需要外接一個(gè)運(yùn)算放大器相配，才構(gòu)成完整的D/A轉(zhuǎn)換器，低位DAC輸出模擬量經(jīng)9：1分流器分流后與高位輸出模擬量相加后送入運(yùn)放，具體實(shí)現(xiàn)由900Ω和100Ω的電阻相并聯(lián)分流實(shí)現(xiàn)運(yùn)放將其轉(zhuǎn)換成與數(shù)字端輸入的數(shù)值成正比的模擬輸出電壓集成運(yùn)放采用具有調(diào)零的低噪聲高速優(yōu)質(zhì)運(yùn)放NE5534DAC0832的引腳圖如圖10所示。圖DAC0832的引圖DAC0832芯片主要引腳功能：DI1~DI7：8位二進(jìn)制數(shù)據(jù)輸入端；ILE：輸入鎖存允許，高電平有效；CS：片選信號(hào)，低電平有效；WR1，WR2：寫(xiě)選通信號(hào)，低電平有效；XFER：轉(zhuǎn)移控制信號(hào)，低電平有效；Rfb：內(nèi)接反饋電阻，Rfb=15KΩIOUT1，IOUT2：輸出端，其中IOUT1和運(yùn)放反相輸入相連，IOUT2和運(yùn)放同相輸入端相連并接地端；Vcc：電源電壓，Vcc的范圍為+5V~+15V；Vref：參考電壓，范圍在-10V~+10V；GND：接地端。8

當(dāng)ILE=1,CS=0,WR=0輸入數(shù)據(jù)DI1~DI7存入8位輸入寄存器中當(dāng)WR2=0，XFER=0時(shí)，輸入寄存器中所存內(nèi)容進(jìn)入8位寄存器并進(jìn)行D/A換。當(dāng)DAC0832外接運(yùn)放A構(gòu)成D/A轉(zhuǎn)換電路時(shí)電路輸出量V0和輸入的關(guān)系式為：VO

Vref2*R

(7*2

7

DI6*2

6

DI0*2

0

)DAC0832最具特色是輸入為雙緩沖結(jié)構(gòu)，數(shù)字信號(hào)在進(jìn)入D/A轉(zhuǎn)換前，需經(jīng)過(guò)兩個(gè)獨(dú)立控制的8鎖存器傳送。其優(yōu)點(diǎn)是D/A轉(zhuǎn)換的同時(shí)，DAC寄存器中保留現(xiàn)有的數(shù)據(jù)，而在輸入寄存器中可送入新的數(shù)據(jù)。系統(tǒng)中多個(gè)D/A轉(zhuǎn)換器內(nèi)容可用一個(gè)公共的選通信號(hào)選通輸出。由于DAC0832輸出級(jí)沒(méi)有加集成運(yùn)放以需外加相配適用封裝如下圖11所示。圖11IN-為反相輸入端,IN+為同相輸入端；OUT為輸出端；BALANCE為平衡輸入端,主要作用是使內(nèi)部電路的差動(dòng)放大電路處于平衡狀態(tài)；COMP/BAL的作用為通過(guò)調(diào)節(jié)外接電阻,以達(dá)到改善放大器的性能和輸出電壓；Vcc-和Vcc+為正負(fù)電源引腳；3.4調(diào)整輸出電的設(shè)計(jì)調(diào)整輸出級(jí)采用運(yùn)放作射極跟隨器，使調(diào)整管的輸出電壓精確地與D/A轉(zhuǎn)換器輸出電壓保持一致調(diào)整管采用大功率達(dá)林頓管確保電路的輸出電流值達(dá)到設(shè)計(jì)要求控電源各部分工作所需的和5V電源由固定集成穩(wěn)壓器7815、7915和7805提供，調(diào)整管所需輸入電壓，經(jīng)簡(jiǎn)單整流、濾波即可得到，但要求能提供500mA的電流。9

輸出電壓的調(diào)整，主要是運(yùn)用射極輸出器發(fā)射極上所接的電阻來(lái)完成的反饋電阻的主要作用是把輸出電壓反饋到NE5534輸入級(jí)的反向輸入端，當(dāng)同相輸入端IN+和反向輸入端IN-有差別時(shí)，調(diào)整輸出電壓使之趨于穩(wěn)定，從而達(dá)到調(diào)整輸出電壓的目的。四、總原理圖及元器件清單1．總原理圖（如下圖12所示）圖122．元件清單元件序號(hào)R1，R2,R6R3,R5R4RV1，RV2R7C1Q1，Q2SW1，74LS19274LS248DAC0832NE55347SEG

型號(hào)兩端電阻兩端電阻兩端電阻可調(diào)電阻可調(diào)電阻兩端電阻極性電容三極管NPN按鍵雙時(shí)鐘譯碼器雙緩沖單路opamp共陽(yáng)

主要參數(shù)1K,1k,1k50010050010k4.7k100uf

數(shù)量32121112222222

備注接按鍵及輸出部分接NE5534接NE5534接DAC0832管8接NE5534接調(diào)整輸出部分電路接調(diào)整輸出，濾波接調(diào)整輸出，放大計(jì)數(shù)調(diào)整按鍵可預(yù)置數(shù)驅(qū)動(dòng)數(shù)碼管8位數(shù)/模轉(zhuǎn)換高效低噪聲運(yùn)放七段共陽(yáng)數(shù)碼管10

五、仿真調(diào)試與分析1.自制穩(wěn)壓源的仿實(shí)現(xiàn)在自制穩(wěn)壓電源設(shè)計(jì)中，我們采用TPAN-2P3S變壓器將220V交流電壓降壓處理再通過(guò)2W005G橋式整流電路得到正向電壓然后通過(guò)78057815三段穩(wěn)壓器電路，得到+5V、+15V直流電源，再在15V的基礎(chǔ)上加一方向器即可得到需要的-15V直流電壓。其仿真結(jié)果如圖所示。圖132.顯電路的真實(shí)現(xiàn)74LS47D是驅(qū)動(dòng)共陽(yáng)數(shù)碼管的譯碼驅(qū)動(dòng)器，我們用邏輯電平開(kāi)關(guān)來(lái)代替碼；調(diào)整開(kāi)關(guān)、SW2、SW3、SW4狀態(tài)，可以得到不同的碼組合。運(yùn)行仿真，“撥動(dòng)開(kāi)關(guān)”數(shù)碼管的顯示結(jié)果會(huì)隨之變化R1在實(shí)際應(yīng)用電路中是一個(gè)較為有用的器件。如果沒(méi)有這只電阻，數(shù)碼管極易受損壞。在實(shí)際電路中，采用74LS248，分別改變各個(gè)開(kāi)關(guān)的狀態(tài)，觀察顯示值的變化并記錄。仿真結(jié)果見(jiàn)圖14所示。11

圖143.制電路的真實(shí)現(xiàn)控制電路采用了兩個(gè)按鍵，分別為+”和-”，用來(lái)調(diào)節(jié)設(shè)定電壓，可以以0.1V的步進(jìn)增加或減少。當(dāng)按下+”和”鍵，產(chǎn)生的脈沖輸入到74LSl92的CPUP端或DOWN端來(lái)控制74LSl92的輸出是作加計(jì)數(shù)還是減計(jì)數(shù)仿真結(jié)果如圖15所示。圖1512

4.模轉(zhuǎn)換電的仿真現(xiàn)數(shù)模轉(zhuǎn)換電路用四個(gè)單刀雙擲開(kāi)關(guān)按照二進(jìn)制自然碼順序開(kāi)關(guān)得每個(gè)開(kāi)關(guān)都在運(yùn)算放大器的同相端和反相端間切換觀察輸出電壓測(cè)試結(jié)果分析如圖16所示，輸出電壓符合設(shè)計(jì)要求。圖165.出電路的真實(shí)現(xiàn)輸出電路由運(yùn)放NE5534和調(diào)整Q1構(gòu)成，調(diào)整管采用大功率達(dá)林頓管2N6038（實(shí)際仿真中采用兩個(gè)三極來(lái)實(shí)現(xiàn)運(yùn)放和調(diào)整管組成射極跟隨器，調(diào)整管的輸出電壓精確地與D／轉(zhuǎn)換器輸出電壓保持一致。仿真結(jié)果如圖所示。圖1713

6.計(jì)總體圖真數(shù)控直流穩(wěn)壓電源的主要包括自制穩(wěn)壓電源數(shù)控部分電路顯示電路模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換電路（D/A變器）、過(guò)流保護(hù)及輸出電路部分。數(shù)字控制部分用“+”、“”按鍵控制可逆計(jì)數(shù)器，計(jì)數(shù)器的輸出輸入到D/A變換器，經(jīng)D/A器轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電壓此電壓經(jīng)過(guò)放大到合適的電壓值后去控制穩(wěn)壓電源的輸出，使穩(wěn)壓電源的輸出電壓以0.1V的步進(jìn)值增減。仿真結(jié)果如圖18所示。圖18六、結(jié)論與心得直流穩(wěn)壓電源是常用的電子設(shè)備能保證在電網(wǎng)電壓波動(dòng)或負(fù)載發(fā)生變化時(shí)，輸出穩(wěn)定的電壓。一個(gè)低紋波、高精度的穩(wěn)壓源在儀器儀表、工業(yè)控制及測(cè)量領(lǐng)域中有著重要的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。本設(shè)計(jì)給出的穩(wěn)壓電源的輸出電壓范圍為0～15V，額定工作電流為500mA，并具有“”、“-”步進(jìn)電壓調(diào)節(jié)功能。數(shù)控直流穩(wěn)壓電源與傳統(tǒng)的穩(wěn)壓電源相比具有操作方便電壓穩(wěn)定性高的特點(diǎn)其輸出電壓大小采用數(shù)字顯示主要用于要求電源精度比較高的設(shè)備或科研實(shí)驗(yàn)電源使用設(shè)計(jì)沒(méi)有用到單片機(jī)到了數(shù)字技術(shù)中的可逆計(jì)數(shù)器，采用A／D換模塊完成電壓的測(cè)量，并用數(shù)碼管來(lái)顯示其輸出電壓值，體現(xiàn)了測(cè)量的準(zhǔn)確性和直觀顯示能力等優(yōu)點(diǎn)。14

通過(guò)本次課程設(shè)計(jì)模電電的知識(shí)有了進(jìn)一步的鞏固握了仿真軟件的設(shè)計(jì)提高了自己獨(dú)立思考問(wèn)題的能力