数控直流稳压电源设计1

1、广东石油化工学院课程设计说明书课程名称： 模拟电子技术课程设计 题 目： 数控直流稳压电源设计 学生姓名： 专 业： 电子信息工程 班 级： 电信10-2 学 号： 指导教师： 刘晓燕 日 期： 2012 年 11 月 23 日数控直流稳压电源设计一、设计任务与要求 1功能与主要技术指标 输出电压：099v步进可调，调整步距01v； 输出电流：500ma； 精 度：静态误差1%fsr，纹波10mv； 显 示：输出电压值用led数码管显示； 电压调整：由“+”、“-”两键分别控制输出电压的步进增减； 输出电压预置：输出电压可预置在099v之间的任意一个值； 其 它：自制电路工作所需的直流稳压电源

2、，输出电压为15v，+5v； 2数控直流稳压电源组成框图之一 操作人员通过按键对系统发出电压调整指令，该指令与输出电路的状态信号一起送入数控部分电路，经过处理后产生符合指令要求的输出电压信号，并经输出电路功率驱动后输出。当输出电路的输出电流超过极限值时，由过流保护电路产生的信号送入数控电路，关闭系统的电压输出，对系统的输出电路进行保护。另外，数控部分还产生显示信息送入显示电路，将输出电压或其它信息报告给操作人员。图1提示： 用可预置的加减计数器和d/a实现电压预置和电压步进控制； 用集成运放实现功率扩展或用三端集成稳压电源； 可用电压比较器实现过流控制；二、方案设计与论证根据设计任务要求，数控

3、直流稳压电源的工作原理框图如上图1所示。主要包括这几部分：自制稳压电源、数控部分电路、显示电路、模拟/数字转换电路（d/a变换器）、过流保护及输出电路部分。数字控制部分用“+”、“-”按键控制可逆计数器，计数器的输出输入到d/a变换器，经d/a器转换成相应的电压，此电压经过放大到合适的电压值后，去控制稳压电源的输出，使稳压电源的输出电压以0.1v的步进值增减。方案一：采用7805构成直流电源采用7805构成直流电源的电路如图2所示，改变rp阻值使7805的公共端的电压在-5v到10v之间可调，则7805的输出端电压就可实现015v之间可调了。这种方案是利用了7805的输出端与公共端的电压固定为

4、+5的特性来设计的。但存在不好数控的问题。图2方案二：采用串联型稳压电路 采用串联型稳压电路的原理图如图3所示，数控基准电压源的电压大小可以通过可逆计数器进行数据设置，计数器的内容对应于稳压电源的输出电压，同时该计数器值经过译码显示电路，显示出当前稳压电源的输出电压。计数器的输出送至d/a转换器，转换成相应的电压，此电压去控制稳压电源的输出，使稳压电源的输出以0.1v的步进值增或减。 优点：容易进行数控，调节简单。图3 串联型稳压电路原理图图4 数控基准电压源框图方案选择：方案一采用7805构成直流电源，设计原理简单易懂，但存在不好数控的问题。方案二采用串联型稳压电路，容易进行数控且具有控制精

5、度高，调节简单。故本次设计采用方案二，即串联型稳压电路。三、单元电路设计与参数计算此数控直流稳压电源共有六部分，输出电压的调节是通过“+”、“-”两按键操作，步进电压精确到 0.1v 。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，需要自制15v、+5v的直流稳压电源。本文设计的数控电源主要是对自制15v、+5v的直流稳压电源电压进行控制，使输出099v步进可调，调整步距为0.1v的稳

6、定可调直流电压。此原理方框图如下图5所示。+5-15+15220v ac稳压电路数显电路调 整输 出d / a转换可逆计数器“+”、“-”按键 图53.1“+”、“-”键控制的可逆计数器的设计此部分电路主要用两按键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，十进制（bcd 码）可逆计数器。由于输出电压从0v到9.9v可以调节，所以74ls192计数器总计数范围从00000000到10011001（即 099）,而 74ls19

7、2 本身为十进制可逆计数器，所以只需两块这样的芯片级联就可以达到目的，此芯片封装和功能表如下图6、图7 所示。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。t

8、cu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。图6 74ls192的引脚排列及逻辑符号图7 74ls192功能表3.2数字显示电路的设计数字显示驱动采用两块74ls248芯片，74ls248为四线七段译码驱动器，内部输出带上拉电阻，它把从计数器传送来的二至十进制码，驱动数码管显示数码。引脚及功能表如下图8、图9所示。图8 74ls248引脚图图9 74ls248功能表74ls248为七段译码器，输出高电平有

9、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，用来检查数码管的好坏，ibr为清零输出信号，用来动态清零，ib/qbr 为灭灯输出信号，该端既可以作输入端也可以作输出端。3.3 d/a 转换电路（数模转换器）的设计数模转换电路，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 输出模拟量相加后送入运

10、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，集成运放采用具有调零的低噪声高速优质运放 ne5534。dac0832的引脚图如图10所示。图10 dac0832的引脚图dac0832芯片主要引脚功能：di1di7：8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；rfb：内接反馈电阻，rfb=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，

11、vcc 的范围为+5v+15v；vref：参考电压，范围在-10v+10v；gnd：接地端。 当 ile=1,cs=0,wr=0，输入数据 di1di7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di1di7的关系式为：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 转换器内容可用一个公

12、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11所示。图11in-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；comp/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+为正负电源引脚；3.4调整输出电路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

13、成稳压器7815、7915和7805提供，调整管所需输入电压，经简单整流、滤波即可得到，但要求能提供500ma的电流。输出电压的调整，主要是运用射极输出器发射极上所接的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，当同相输入端in+和反向输入端in-有差别时，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。四、总原理图及元器件清单1总原理图（如下图12所示）图122元件清单元件序号型号主要参数数量备注r1，r2,r6两端电阻1k,1k,1k3接按键及输出部分r3,r5两端电阻5002接ne5534r4两端电阻1001接ne5534rv1，r

14、v3可调电阻5002接dac0832管脚8rv2可调电阻10k1接ne5534r7两端电阻4.7k1接调整输出部分电路c1极性电容100uf1接调整输出，滤波q1，q2三极管npn2接调整输出，放大sw1，sw2按键2计数调整按键74ls192双时钟2可预置数74ls248译码器2驱动数码管dac0832双缓冲28位数/模转换ne5534单路opamp2高效低噪声运放7seg共阳2七段共阳数码管五、仿真调试与分析1. 自制稳压电源的仿真实现 在自制稳压电源设计中，我们采用 tpan-2p3s 变压器将 220v 交流电压降压处理，再通过2w005g桥式整流电路得到正向电压，然后通过7805、7

15、815三段稳压器电路，得到+5v、+15v 的直流电源，再在+15v 的基础上加一方向器即可得到需要的-15v直流电压。其仿真结果如图13所示。图132.数显电路的仿真实现74ls47d是驱动共阳数码管的译码驱动器，我们用逻辑电平开关来代替bcd码；调整开关sw1、sw2、sw3、sw4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。在实际电路中，采用74ls248，分别改变各个开关的状态，观察显示值的变化并记录。仿真结果见图14所示。 图143.控制电路的仿真实现 控制电路采用

16、了两个按键，分别为“+”和“-”，用来调节设定电压，可以以0.1v的步进增加或减少。当按下“+”和“-”键，产生的脉冲输入到74lsl92的cp、up端或down端来控制74lsl92的输出是作加计数还是减计数。仿真结果如图15所示。图154.数模转换电路的仿真实现 数模转换电路用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。测试结果分析如图16所示，输出电压符合设计要求。图165.输出电路的仿真实现 输出电路由运放ne5534和调整q1构成，调整管采用大功率达林顿管2n6038（实际仿真中采用两个三极管来实现），运放和调整管组成射极

17、跟随器，调整管的输出电压精确地与da转换器输出电压保持一致。仿真结果如图17所示。 图176.设计总体图仿真数控直流稳压电源的主要包括自制稳压电源、数控部分电路、显示电路、模拟/数字转换电路（d/a变换器）、过流保护及输出电路部分。数字控制部分用“+”、“-”按键控制可逆计数器，计数器的输出输入到d/a变换器，经d/a器转换成相应的电压，此电压经过放大到合适的电压值后，去控制稳压电源的输出，使稳压电源的输出电压以0.1v的步进值增减。仿真结果如图18所示。图18六、结论与心得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015v，额定工作电流为500ma，并具有“+”、“-”步进电压调节功能。数控直流稳压电源与传统的稳压电源相比，具有操作方便、电压稳定性高的特点，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。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，并用数码管来显示其输出电压值，体现了测量的准确性和直观显示能力等优点。通过本次课程设计，对模电、数电的知识有了进一步的巩固，掌握了proteus仿真软件的设计，提高了自己独立思考问题的能力。