高稳定度数控直流稳压电源的设计与调试毕业论文

1、目录 绪论11功能与主要技术指标12数控直流稳压电源组成框图之一13单元电路设计23.1电压源模块23.2系统各方框图的作用33.3数控模块43.4计数模块43.4.1设计思想43.4.2设计方法43.4.3工作原理43.4.4193工作原理53.5数字显示电路的设计63.5.1工作原理63.6d/a转换电路（数模转换器）的设计63.6.1dac0832工作原理介绍63.6.2数模转换芯片的输入73.6.3dac0832芯片的特点73.7输出电路设计73.7.1dac0832输出电路73.7.2调整输出的设计83.7.3放大模块设计84改进措施95本设计总体图示96本设计部分主要电路106.1

2、数显电路的仿真实现106.2控制电路的仿真实现106.3数模转换电路的仿真实现107系统调试117.1调试结果118误差分析119结论12参考文献13高稳定度数控直流稳压电源的设计与调试摘要随着人们生活水平的不断提高,数字化控制无疑是人们追求的目标之一,它所给人们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,要为现代人的工作、科研和生活提供更好更方便的设施，就需要从数字电子技术入手，一切向数字化和智能化方向发展。本文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，其输出电压的调节是通过“+”和“-”两个按键来操

3、作的，步进电压精确到0.1v，所以可以设定电压值在09.9v之间变化。输出电压大小采用数字显示，可用于对电源精度要求比较高的设备，或供科研实验电源使用，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、运算放大器等电路，具有控制精度高，制作比较容易等优点。【关键词】数字化 直流稳压电源 可逆计数器 d/a转换器 运算放大器high stability cnc dc power supply designing and debuggingabstractwith the continuous improvement of peoples living stand

4、ard ,the digital control is undoubtedly one of the goals that people pursue ,the convenience it brings people is undeniable .nc dc power supply is a good typical example .but the requirements are also getting higher and higher ,for the modern work. scientific research and life provide better and mor

5、e convenient facilities will need to start from the digital electronic technology ,all develop to digital and intelligent direction .nc dc power supply described in this article has easy operation ,high voltage stability characteristics comparing with the traditional power supply ,the output voltage

6、 is adjusted by the “+”and “-” two keys to operate, the step voltage accurate to 0.1v,so you can set voltage between 0 to 9.9v,and the size of output voltage using the digital display is mainly for power high precision equipment ,or scientific research power ,and this design did not use the scm ,onl

7、y using the reversible counter of digital circuit ,d/a converter ,decoding display circuit, operational amplifier and so on ,it has the advantages of high control accuracy and easy to manufacture.【key words】digital dc regulated power supply reversible counter d /a converter operational amplifier绪论如今

8、的经济活动已经到了工业化经济时代，并正在进行经济结构调整，高新技术产业在经济、科研等活动中所占的比重迅速升高，高新技术产业技术同时也正在以不可阻挡的势头迅猛发展，直流稳压电源是电子技术常用到的仪器设备之一，广泛用于教学、科研等领域，是电子实验员、电子工程师进行设计与开发电路的实验操作和科学研究所不可缺少的电子仪器，在电子电路中通常需要电压稳定的直流电源来供电，而整个过程是由电源变压器、整流、滤波、稳压等四部分组成。而传统的直流稳压电源功能简单、不好控制、可靠性低、干扰大、精度低、体积大、复杂度高。从上述方面我们能看出传统的直流稳压电源已经不满足现在的需要，但是直流稳压电源又是电子设备中必不可少

9、的部分，在我们实际生活中都是由220v交流电网供电，就需要通过变压、整流、滤波、稳压电路将交流电转为稳定的直流电，传统的直流稳压电源的电压调节技术并且通过电压表指示电压的大小，从而造成电压的调节精度不高，读书欠直观，而基于单片机的数控直流稳压电源可以很好的解决传统的直流稳压电源的不足，并且数控直流稳压电源具有操作简便，电压稳定度高的优点，其结构简单、制作方便、成本低的特点，并且波纹低，电压调节准确，输出电压大小采用数字显示，直观易读。随着科学技术的发展，人们对物质需求也越来越高，特别是一些高新技术产品电源，作为当今人们生活普遍存在的电子商品，从上世纪九十年代未起便迅速发展。随着对系统更高效率和

10、功耗更低的要求，电信与数据通信技术更推动电源行业中直流电源向更高灵活性和高智能化方向发展，从80年代的第一代分布式供电系统开始转向20世纪末更为先进的第四代分布式供电结及中间母线结构，直流电源行业面临着新的挑战，即如何在现有系统中加入嵌入式电源智能系统和数字控制，然而，早在90年代，半导体生产商就开发出了数控电源管理技术，而在当时，这种方案的性价比与当时广泛使用的模拟控制方案相比处于劣势，因而无法被广泛采用。如今的直流电源技术的飞跃发展，从而使直流电源智能化，具有遥测、遥信、遥控的三遥功能。1功能与主要技术指标输出电压：09.9v步进可调，调整步距0.1v；输出电流：0.99a；精 度：静态误

11、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，输出电压为15v，+10v；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。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。如图2.1所示：“+”“-”可逆计数器放大输出da转换数显电路稳压电路+15v+10

12、v-15v-ac220v图2.1整机电路提示： 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； 用集成运放实现电压转换和功率扩展； 用电压比较器实现功率放大控制；3单元电路设计3.1电压源模块由于本系统需要多个电压给芯片供电，555时基芯片、运放15v、d/a转换芯片。因此可以采用线性稳压电路，交流市电经全波整流，电路滤波，三端稳压器件lm317稳压产生各种直流正电压，lm337相应的产生负电压-15v。其原理图如图3.1，3.2和3.3所示：图3.1 自制稳压电路图图3.2整流滤波图 图3.3供电电源电路设计图3.2系统各方框图的作用(1)电源变压器是降压变压器，它将电网220v交

13、流电压变换成符合需要的交流电压，并送给整流电路，变压器的变比由变压器的副边电压确定。(2)整流滤波电路整流电路将交流电压ui变换成脉动的直流电压。再经滤波电路滤除较大的纹波成分，输出纹波较小的直流电压u1。常用的整流滤波电路有全波整流滤波、桥式整流滤波等。(3)滤波电路可以将整流电路输出电压中的交流成分大部分加以滤除，从而得到比较平滑的直流电压各滤波电容c满足rl-c（35）t/2，或中t为输入交流信号周期，rl为整流滤波电路的等效负载电阻。(4)稳压电路稳压电路的功能是使输出的直流电压稳定，不随交流电网电压和负载的变化而变化。常用的集成稳压器有固定式三端稳压器与可调式三端稳压器。常用可调式正

14、压集成稳压器有cw317（lm317）系列，它们的输出电压从1.25v37伏可调，最简单的电路外接元件只需一个固定电阻和一只电位器。其芯片内有过渡、过热和安全工作区保护，最大输出电流为1.5a。(5)芯片管脚图、功能图可调式三端稳压器的引脚图及其典型应用电路(以lm317为例)如图3.4所示：图3.4输出电压调节如图，与组成输出电压调节电路，输出电压，的值为120240，流经的泄放电流为510ma。为精密可调电位器。电容可以进一步消除纹波，电容与还能起到相位补偿作用，以防止电路产生自激振荡。电容与并联组成滤波电路，电位器两端的纹波电压通过电容旁路掉，以减小输出电压中的纹波。二极管的作用是防止输

15、出端与地短路时，因电容上的电压太大而损坏稳压器。3.3数控模块此输出电压的数控调节是通过“+，-” 两个按键来操作的，步进电压精确到 0.1v。通过时钟信号来控制可逆计数器分别作加、减计数，可逆计数器的二进制数输出分两路运行：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，然后经过电压放大，功率放大，可以输出稳定直流电压。555时基芯片产生时钟信号原理方框图如图3.5所示：图3.5输出脉冲信号3.4计数模块3.4.1设计思想采用555时基芯片产生脉冲并将它作为计数器的输入脉冲，使用74ls192和74ls1

16、93计数器进行计数并输出显示，利用数模转换芯片dac0832将计数器输出的数字量转化为模拟量，其中dac0832采用直通的方式，提供给恒流源模块标准电压。3.4.2设计方法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，十进制（bcd 码）可逆计数器。3.4.3工作原理由于输出电压从0v9.9v可以调节，所以74ls192两计数器总计数范围从0000000010011001(即 099）,而 74ls192

17、 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到目的，此芯片封装和工作模式表如下图3.6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

18、。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。图3.6192芯片工作模式图3.4.4193工作原理193为可预制的十六进制同步加/减计数器，它的清除端是异步的，当清除端（clear）为高电平时，不管时钟端（down/up）状态如何，即可完成清除功能。193的预置是异步的，当置入控制端（load）为低电平时，不管时钟的状态如何，输出端即可预置成与输入端相一致的状态。193的计数是同步的，靠

19、down/up来实现的，当down/up遇到上升沿的时钟脉冲时，就会使输出端的计数加一，从而完成计数功能。当计数上溢时，进位输出端（bo）输出一个低电平脉冲，当计数下益时，借位输出端（co）输出一个低电平脉冲。当把进位输出端和借位输出端分别连接后一级的down/up，即可进行级联。如图：图3.7193芯片图其功能表如表3.1所示： 表3.1193计数模式输入输出mrp3p2p1p0q3q2q1q01xxxxxxx000000xxdcbadcba011xxxx加计数器011xxxx减计数器3.5数字显示电路的设计3.5.1工作原理由于要显示两位数字电压值，所以要用两个7段数码管，因此数字显示驱动

20、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二-十进制码，驱动数码管显示数码。具体功能如图3.8真值表所示：图3.8数码管驱动显示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，该端既可以作输入也可以作输出，具体工作如上真值表所示。3.6d/a 转换电路（数模转换器）的设计3.6.1dac083

21、2工作原理介绍数模转换电路，由于dac0832是一个 8 位数/模转换电路，因此可以采用一块dac0832集成块。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。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。具体封装图如图3.9所示：图3.9dac0832芯片dac0832 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 ：

22、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 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 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，电路输出量和输入 d7d0 的关系式为： 3.6.2数模转换芯片的输入74ls192为十进制计数器，两个芯片通过级联可以实现100进制的计数，然后通过数码管显示1

23、92的计数值。74ls193为十六进制的计数器，两个芯片用的是同一个时钟信号，当192计数到1001时，193也计数到1001，当下一个时钟信号到来时，192输出端为0000，数码管个位也显示0，然后向十位进一位，而193继续向后计数为1010，这样的话数码管显示就和193的计数数值一样，但是192 两个芯片级联可以实现100进制的计数，而193 两个芯片级联可以实现256进制的计数，193的计数值直接接入数模转换电路的输入端，也就是说数模转换电路也要实现256进制的计数，而本电路需要的是100进制的计数，因此需要加一个与门电路来实现193的100进制的计数。当192计数到10011001时，

24、193计数到01100011，当下一个计数脉冲到来时，192计数为00000000，这时193也要为00000000。193如果不为00000000，下一个计数应该为0110 0100，所以要在下一个计数时实现193计数为00000000.这就需要193输出端的tt，cc，uu通过一个与非门电路，在通过一个非门电路，将输出端接入到192,193芯片的所有mr端，从而实现置零操作，这样192和193就能实现同步计数了。3.6.3dac0832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

25、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。3.7输出电路设计3.7.1dac0832输出电路由于dac0832输出级没有加集成运放，所以需外加lm324相配适用。lm324 封装如下图3.10所示：图3.10lm324芯片图lm324系列器件带有真差动输入的四运算放大器，与单电源应用场合的标准运算放大器相比，它们有一些显著优点。该四放大器可以工作在低到3.0伏或者高到32伏的电源下，静态电流为mc1741的静态电流的五分之一。共模输入范围包括负电源，因而消除了在许多应用场合中采用外部偏置元件的必要性。每一组运算放大器，可用图3.

26、10所示的符号来表示，它有5个引出脚，其中“+”、“-”为两个信号输入端，“v+”、“v-”为正、负电源端，“vo”为输出端。两个信号输入端中，vi-（-）为反相输入端，表示运放输出端vo的信号与该输入端的位相反；vi+（+）为同相输入端，表示运放输出端vo的信号与该输入端的相位相同。 3.7.2调整输出的设计74ls193和74ls192的up和down输入脉冲相同，所以这两个计数器能够同时计数，同时加减。其中74ls192构成的计数器主要作用是用来输出给7段数码管显示；74ls193构成的256进制计数器作为计数输出送给dac0832。da0832是8位数模转换芯片，我们设定的基准电压为+

27、10v，采用直通方式输出。输出电压计算方法如下：即。其中为74ls193输出的8位二进制数，范围从0256.所以输出电压可以从-10v0v之间变化。3.7.3放大模块设计该模块是利用集成运放lm324构成的，前一级是反比例电路，后一级是差分放大电路，能够起到稳定作用.由于运放lm324的输出电流只有ma量级，达不到要求，所以添加稳压管irf540来控制电流。前一级的放大倍数计算如下： ； 因此 ； =； 根据运放的虚短特性则： ； 输出电流 ； 当74ls193的输出从099变化时，输出电压可以从09.9v变化，输出电流可以从00.99a变化。4改进措施本电源输出电压大小尚受限制，在需要较高输

28、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。5本设计总体图示本电源总的设计电路图如图5.1所示：图5.1设计总图6本设计部分主要电路6.1数显电路的仿真实现如图6.1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

29、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。图6.1数码管显示仿真电路6.2控制电路的仿真实现如图6.2所示，采用了两个按键，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。按下+和-键，产生的脉冲输入到74lsl92的cp的up或down端来控制74lsl92的输出是作加计数还是减计数。图6.2按键控制电路6.3 数模转换电路的仿真实现图6.3数模转换模拟电路将图6.3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

30、合设计要求。7系统调试7.1调试结果此次设计的调试结果是用仿真软件得到的，结果如表7.1：表7.1仿真输出结果设定电压值（v）实际输出电压值（v）测量误差(v)绝对误差（%）0.00.0050.0050.10.1040.0044.001.11.0990.0010.913.13.0920.0080.264.14.0830.0170.415.15.0790.0210.416.05.9770.0230.387.06.9650.0350.507.17.0640.0360.518.18.0590.0410.519.08.9560.0340.389.19.0560.0440.489.89.7510.049

31、0.509.99.8500.0500.518误差分析造成误差的原因有：（1）运放零点漂移由于运算放大器的零点漂移，温度漂移等带来的误差，可以通过温度补偿措施来解决此误差。（2）采样电阻自热效应引起的误差由于电阻在温度上升时阻值会发生变化，因此会引起温度飘移，给系统带来测量的误差。（3） a/d，d/a转换误差受ad转换器精度及基准源稳定程度的限制，不可避免地带来一定的误差，为了更精确的输出恒流电源，必须选用更多位数的ad、da芯片。（4）干扰因素因外界突发干扰或仪表显示值等引起的随机误差或粗大误差，纹波对电流输出的影响。9结论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09.9 v，额定工作电流为0.99 a，并具有+、-步进电压调节功能，其最小步进为0.1 v，纹波不大于10mv。此外，还可用led数码管显示其输出电压值。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。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multisim和proteus 两个仿真软件。参考文献1 胡诗妍，赵德良.低纹波、宽调整范围数控直