简易数控直流电源的设计

1、简易数控直流电源的设计摘 要屯子系统的正常运行离不开稳定的屯源，除了在某些特定场合下采用太阳能电 池或化学电池作电源外，多数电路的直流电是由电网的交流电转换來的，能长期、 连续地工作，给人们生产生活带来了极大的方便。但是当前的大部分稳压电源输出 电压不稳定，给设备造成致命伤害或谋动作，影响设备的使用寿命、加速设备 的老化。本文所研究的数控直流电源具有输出电压稳定、工作可靠，范围可调、 成本较低等特点。木课题主要对简易数控直流电源电路的硬件设计进行了详细的描述。首先、本文概述了数控电源的背景、发展状况及其设计要求。其次、本文讲述了简易数控电源系统的总体设计方案及其论证。再次、本文介绍了本课题用到

2、的集成电路的内部结构及外围引脚功能。最后、本文简述了整流滤波屯路、数字控制电路、d/a转换器及稳压调节电路 的设计方法，并设计出整体电路。关键词：整流滤波电路，数字控制电路，d/a转换器，稳压调节电路the design of simple digital control dc powerauthor: xxx tutor: xxxabstractthe normal operation of electronic systems can not do without a stable power supply, except in certain specific situations or

3、 chemical batteries powered by solar batteries for power, most of the dc circuit is converted to ac power, and long-term, continuous work, to produce the life of people has has brought great convenience.but most of the current power supply output voltage is unstable, causing fatal injuries to the de

4、vice, or malfunction, the service life of equipment and accelerate device aging. nc studied in this paper has the output voltage dc power supply, reliable, adjustable range, lower cost and so on.the main subject of the dc power supply circuit for easy cnc hardware design is described in detail.first

5、, the paper outlines the numerical power of the background, development and design requirements.secondly, this article describes a simple digital controlled power system design and its overall argument.again, this paper introduces the integrated circuit used this topic the internal structure and the

6、 peripheral pin function.finally, this paper describes the rectifier filter circuit, digital control circuit, d / a converter and voltage regulation circuit design, and design the whole circuit.keywords： rectifier filter circuit, digital control circuit, d / a converters1绪论31课题背景11.2国内外发展状况11.3设计课题的

7、技术要求22设计方案论证22.1系统的工作原理22.2各部分电路的作用33各单元电路设计43.1整流滤波电路设计43.2数字控制电路设计73.2.1芯片介绍73.2.2数字控制电路设计93.3d/a变换器103.3lm324放大器介绍103.3.2 d/a转换器功能及其组成113.4可调稳压电路的设计123.4.1集成三端稳压器123.4.2可调稳压电路工作原理及其设计133.5辅助电源设计144总体电路设计15结论17致谢18参考文献191绪论1.1课题背景电源技术尤其是数控电源技术是一门实践性很强的工程技术，服务于各行各 业。电力电子技术是电能的最佳应用技术z-o随着计算机和通讯技术发展而

8、来的 现代信息技术革命，给电力电了技术提供了广阔的发展而景，同时也给电源提出了 更高的要求。普通电源在工作吋产生的误差，可能会影响整个系统的精确度，世界 各国纷纷对电源产甜提出了不同要求，并制定了一系列的产品精度标准。只有满足 产品标准，才能够进入市场。随着经济全球化的发展，满足国际标准的产品才能获 得进出的通行证。数控电源是从80年代才真正的发展起来的，期间系统的电力电 了理论开始建立。这些理论为其后來的发展提供了一个良好的基础。在以后的一段 时间里，数控屯源技术有了长足的发展。但其产品存在数控程度达不到要求、分辨 率不高、功率密度比较低、可靠性较差的缺点。因此数控电源主要的发展方向，是 针

9、对上述缺点不断加以改善。单片机技术及电压转换模块的出现为精确数控电源的 发展捉供了冇利的条件。随着新的变换技术和控制理论的不断发展，各种类型专用 集成电路、数字信号处理器件的研制应用，数控电源的发展也极为迅速。到90年 代，己出现了数控精度达到0.05v的数控屯源，功率密度达到每立方英寸50w的 数控电源。数控电源口前的发展，主要朝着更高的数控精度和分辨率及更好的动态 特性、更好的环保性能、智能化与高可靠性、更广泛的应用等方向发展。1.2国内外发展状况1955年美国的科学家罗那（gh.royer）首先研制成功了利用磁芯的饱和 来进行激振荡的晶体管直流变换器。此后，利用这一技术的各种形式的精益

10、求精直流变换器不断地被研制和涌现出来，从而取代了早期采用的寿命短、可 靠性差、转换效率低的旋转和机械振子示换流设备。60年代，由于微电子技 术的快速发展，高反压的晶体管出现了，从此直流变换器就可以直接由市电经 整流、滤波后输入，不再需要工频变压器降压了，从而极大地扩大了它的应用 范围，并在此基础上诞生了无工频降压变压器的开关电源。省掉了工频变压器， 又使稳压电源的体积和重量大为减小，稳压电源才真正做到了效率高、体积小、 重量轻。70年代以后，与这种技术有关的高频，高反压的功率晶体管、高频电容、 开关二极管、开关变压器的铁芯等元件也不断地研制和生产出来，使无工频变 压器开关稳压电源得到了飞速的发

11、展，并且被广泛地应用于电子计算机、通信、 航天、彩色电视机等领域，从而使无工频变压器稳压电源成为各种电源的佼佼 者。近年来，我国数控可调稳压电源也随着数字时代的步伐前进，数控可调稳压电 源以其数控可调、使用方便、长期投入费用低等的特点深受人们的喜爱。随着集成 芯片的不断发展，电源的设计也变得简单了，不用一步一步地去连接复杂的电路， 各部分的电路都集成在各部分的功能模块中，然后将其封装起来，构成模块整体， 这样，电源的设计、制作以及故障维修也相对比较简单了。1.3设计课题的技术要求木课题的技术要求主要如下：1、输出直流电压调节范围5-15v,纹波小于15mvo2、输出电流为500ma。3、输出直

12、流电压能步进调节，调节值为iv,由“尸、两键分别控制输出电 压步进增和减。2设计方案论证2.1系统的工作原理木次设计主要采用了整流滤波电路、可逆二进制计数器、d/a变换器、及稳压 调节屯路來进行设计。通过按增或减按钮产生脉冲信号，脉冲信号进入可逆计数器 之后会产生数字信号输入d/a变换器转变成模拟信号t/创,输送进入稳压调节电路 由于e和c/川成线性比例关系所以需要整流滤波电路来提供直流电压5以使电路 稳定，而最终的输出电压s与匕¥的关系为u严w 可得出最终的宜流电压。其 原理示意图如图2.1所示。图2.1电路结构总体框图2.2各部分电路的作用1、整流滤波电路：整流电路将交流电压变换

13、成脉动的直流屯压。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5。2、数字控制电路：它由单脉冲产生和可逆计数器组成的，当输入脉冲信号的 时候，通过可逆计数器将脉冲信号转变为数字信号。3、d/a变换器：主要作用就是将可逆二进制计数器传来的数字信号转变为模 拟信号，然后输入到稳压电路。4、稳压调节电路：根根据要求在一定的范围内输出稳定可靠的直流电压，供 外设备使用。5、辅助电源电路：出于本次设计各部分电路需要不少外在的稳压电源提供电 压，如d/a转换器，稳压电路和数字控制电路都需要外在的直流电源供电，因此木电路主要是实现+15v,15v,和+5v的电源设计确保对各个部分的电路提供电压。

14、3各单元电路设计3.1整流滤波电路设计木次整流滤波电路设计主要采用的是桥式整流、电容滤波电路來实现。如下图3.1所示为整流滤波屯路结构原理图。图3整流滤波电路图由图3可看出，电路中采用四个二极管，互相接成桥式结构。利用二极管的 电流导向作用，在交流输入电压/的正半周内，二极管di、d3导通，d2、d4截 止，在负载rl上得到上正下负的输出电压；在负半周内，正好相反，di、d3截止， d2、d4导通，流过负载rl的电流方向与正半周一致。因此，利用变压器的一个 副边绕组和四个二极管，使得在交流电源的正、负半周内，整流电路的负载上都冇 方向不变的脉动直流电压和电流。电压应满足公式3.1：5 

15、7; /叭 +（s - t/0）min + urjp +（3.1）式屮，/喚为稳压电源输岀最大值；（6-/）罰为集成稳压器输入输岀最小 电压差；u财为滤波器输出电压的纹波电压值（一般 取（口-u。）罰z和的 10%） ； /为电网波动引起的输入电压的变化（一般取（5-匕）品，urwz 和的10%）。对于集成三端稳压器：（6-/）翻=2107具冇较好的稳压输出特性.故滤波器输出电压值为：u、>15 + 2 + 1.8 + 1.98>22r取uj = 22v o根据s可确定变压器次级电压/为：u, = = -20k-(1.1 1.2) 1.1在桥式整流电路中，变压器次级电流与滤波器输出

16、电流的关系为：12 =(1.5-2)z1 = 1.5 x 0.5 = 0.75/取变压器的效率n=o.8,则变压器的容量为：p = u2x = 20x 必= 18.75(0)0.8选择容量为20w的变压器.因为流过桥式电路中毎只二极管的电流为id = 0.5z0max =0.5x0.5 = 0.25(a)每只整流二极管承受的最大反向电压为urk1 =1.414t/2max =1.414x20x(l + 10%)-31(v)选用二极管in4001,其参数为：id =l(?f), urm = 100( d，可见能满足 耍求。整流电路输出的直流电压脉动较大，一般不能满足实际需耍，必须用滤波电路 滤除

17、交流分量，得到平滑的直流屯压。在小功率直流屯源中，常用的滤波屯路有屯 容滤波、r型滤波和n滤波。在整流电路输出端与负载之间并联一只大容量的电容, 即可构成最简单的电容滤波器。其工作原理是利用电容两端的电压在电路状态改变 时不能跃变的特性。加了一只电容后，二极管导通时，一方而给负载rl供电，一 方面对电容c充电。在忽略二极管止向压降后，充电时，充电时间常数i=2rdc, 其中/?d为二极管的正向导通电阻，其值非常小，充电电压uc与上升的正弦电压6 一致，u严当如充到/的最大值时，/开始下降，且下降速率逐渐加 快。当|/|<乂时，四个二极管均截止，电容c经负载心放电，放电时间常数为t 放电=

18、&c,故放电较慢，直到负半周。在负半周，当u2>uc吋，另外二个二极管 (vd2、vd4)导通，再次给电容c充电，当充到/的最大值时，/开始下降，且下降速率逐渐加快。当|tz2|<(/c时，四个二极管再次截止，电容c经负载放 电，重复上述过程。有电容滤波后，负载两端输出电压波形如图3.2所示。0图3.2电容滤波波形图3.2数字控制电路设计数字控制电路就是当想调节数控直流电源的电压时输入脉冲，然后将脉冲信号 转换成数字信号。再将数字信号经过d/a 转换器转换成模拟信号进而改变电压。 木次设计的简易数控电源由于要使电压在5到15v屮间调节，因此数字控制电路显 得尤为重要。数字控

19、制电路一般都是采用二进制计数器进行构成，在本次设计中我 釆用了 74ls193芯片进行电路组成。3.2.1芯片介绍1、74ls193的引脚图及其各引脚的功能74ls193引脚图如图3.3所示。图3.3 74ls193引脚图齐个引脚功能介绍：cpg：计数芯片时钟脉冲输入；cpd：倒计时时钟脉冲输入；mr：异步主复 位（清除）输入；pl :异步并行负载（低电平）输入；pn：并行数据输入；qn : 触发器输曲tcd：终端倒计时（借）输曲tcu :终端数最多输出。74ls193是双时钟4位二进制同步可逆计数器。74ls193的特点是冇两个时 钟脉冲（计数脉冲）输入端cpu和cpd。在mr=o、pl=1

20、的条件下，作加计数时, 令cpd=1,计数脉冲从cpu输入；作减计数时,令cpu=l，计数脉冲从cpd输入。 此外，74ls193的清除端是异步的，当清除端为高电平吋，不管吋钊端状态如何， 即可完成清除功能。74ls193的预置是异步的，当置入控制端为低电平时，不管时 钟的状态如何，输出端与预制端的状态一致。74ls193的计数是同步的，靠cpd、 cpu同时加载四个触发器上而实现的，在cpd、cpu上升沿作用下输出端同时变化, 从而消除了异步计数器中出现的计数尖峰。当进行加计数或者减计数吋可分别利用 cpd或cpu，此时另一个吋钟应为高电平。当计数上溢出吋，进位输出端输出一个 低电平脉冲；当

21、计数下溢出时，错位输出端输出一个低电平脉冲，其宽度为cpd低 电平部分的低电平脉冲。2、cd4538的功用与特点cd4538是一款双通道，精密独立触发和复位控制芯片。该设备是可以触发单 稳态多谐振荡器并可使其复位，并在内部控制输入锁存。两个触发器输入允许上升 沿或下降沿触发。复位输入活跃，同时，为了避免引发低活性。精确控制输出脉冲 宽度己达到使用线性cmos技术。脉冲持续时间和准确性取决于rx和cx的外部 元件。由于该设备不允许定时电容通过对休眠状态的时间针放电。基于这个原因， 没冇外部保护电阻是需要时间与针系列静电放电保护的投入上提供所冇引脚。cd4538由两个高精度可重触发地单稳态触发器组

22、成。该器件工作吋，需外接 一个电阻rx和一个电容cx,调节rx和cx数值，可得到两个不同宽度地单稳态 脉冲。传输延迟时间不受rx和cx变化地彩响。cd4538捉供了 16引线多层陶瓷 双列直插（d）、熔封陶瓷双列直插（j）、塑料双列直插（p）和陶瓷片状载体（c） 4种封装形式。其屯源屯压范围是3v15v,输入电压范围是0vvdd，工作温度 范围是-40125°c。其引脚如图3.4所不。t1a116215 厂314 -astxprt.1i t .rjxprrr1z t512乐（xtj*.1 1 1ti" ig71 1 r10-89 图3.4 cd4538引脚图ntxpi7 j

23、wxprt6* rqa、qb为单稳态止脉冲触发器输出端，6、0则为单稳态负脉冲触发器输 出端，aa、ab、ba、bb为输入信号。3.2.2数字控制电路设计数字控制电路的核心是一可逆二进制计数器,74ls 193就是双时钟4位二进制同 步可逆计数器，计数器数字输出的加/减控制是由两按键组成，当需要某个电 压时按下加或减按键，cd4538产生的输入脉冲输入到74ls193的cpd或cpu端， 以便控制74ls193的输出是作加计数还是减计数，为了消除按键的抖动脉冲，分别 在控制口接入了由双集成单稳态触发器cd4538组成的单脉冲发生器，每当 按下一次按键时，输出一个100ms左右的单脉冲，该单脉冲

24、送入74ls193后产生的 数字信号由qoq3输出该数字信号到后续电路d/a变换器的输入端dod34。其原 理图如图3.5所示。图3.5数字控制电路原理图3.3 d/a变换器3.3.1 lm324放大器介绍lm324系列器件为价格便宜的带冇真差动输入的四运算放人器。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伏的电源下共模输入范围包拈负电源，因而消除了 在许多应用场合屮采用外部偏置元件的必要性。其引脚如图3.6所示。输出1输入1回输出4工| vee? gnd输入4输入3 习输出3图3.6 lm324放人器lm324与其他放大器相比具

25、有以下特点：1 短路保护输出；2.真差动输入级；3.可单电源工作：3v-32v； 4.低偏置 电流：最大loona； 5.每封装含四个运算放大器；6.具有内部补偿的功能；7. 共模范围扩展到负电源；8行业标准的引脚排列；9输入端具冇静电保护功能。 因此，木次设计选用了 lm324便于设计的简便。3.3.2 d/a转换器功能及其组成d/a转换器一种将二进制数字量形式的离散信号转换成以标准量(或参考 量)为基准的模拟量的转换器。当数字信号进入电路之后，经过放大器处理之 后转化为模拟信号，d/a转换器基本上由4个部分组成，即权电阻网络、运算放 大器、基准电源和模拟开关，具体电路图如图3.7所示。由稳

26、压电路可以了解5与t/血成线性关系，因此若要t/例步进变化，则需要数 字/模拟转换器来完成，由电路图可以知道电路的输入信号接四位二进制计数器的输 出端，设计数器输出高电平为vh = +57，输出低电平ul = ou，此电路接成反向加法 器，其输出电压为如公式3.2所示。% = rf (vu d. /sr + vh d /4r + vu d2/2r + vh djr)(3.2)= /?frw(23p3 +22p2 +2'd +2°d()/2 吹设 % 叫(5)，当 did2dmq3q2qq() = l 时，要求 uin =0v ,即:10 = 15尺匕/2吹,所以在 vh =+

27、5r 时，7?r =1.0677?,取 r=20kq,心由 20ko 固定 电阻和10kq电位器吊联组成。3.4可调稳压电路的设计3.4.1集成三端稳压器本次所釆用的集成三端稳压器型号为cw7805, cw7805的三端同定正输岀、 负输出集成稳压器采用单片集成技术将电路齐单元及电阻取样网络都集中在一块 芯片上，够成只冇三个引出端，不需外接元件就能获得固定输出电压，足够大的输 击电流而性能稳定，使用方便的固定正电源和负电源。该器件可广泛用于逻辑系统、 电子仪器仪表、高保真电子系统及其它需要稳定电压源的各种电子设备中。其主 要特点是：1输出能力可达lao内含短路限流保护、过压保护和过热保护。采用

28、带隙 基准源结构，器件的温度漂移小，噪声低。2采用to-220型三引线单列塑料封装。不需外接元件，使用方便。cw7805的工作各种参数如表3.1：表3cw7805工作参数参数名称符号/单位cw7805输岀电压固定+5最小输入电压与输出电压差(s -叽(?)2-3最人输入电压u 鬧（?）35最大输出电流（41.53.4.2可调稳压电路工作原理及其设计当电网电压或负载电流发生变化时，滤波电路输出的直流电压的幅值也将随之 变化，因此，稳压电路的作用是使整流滤波后的盲流电压基本上不随交流电网电压 和负载的变化而变化。利用二极管的单向导电性组成整流电路，可将交流电压变为 单向脉动屯压。本次为便于分析整流

29、电路，把整流二极管当作理想元件，即认为 它的正向导通电阻为零，而反向电阻为无穷大。但在实际应用屮，应考虑到二极管 有内阻，整流后所得波形，其输出幅度会减少0.6iv,当整流电路输入电压大时， 这部分压降可以忽略。但输入电压小时，例如输入为3v,则输出只冇2v多，需要 考虑二极管止向压降的影响。曲图3.8可知道，为了满足稳压电源设计的最大输岀电流500ma的要求，可调 稳压电路选用集成三端稳压器cw7805组成，该稳压器的组大输出电流可达1.5a, 稳压系数、输出电阻、纹波大小等性能指标均能满足设计要求。u1图3.8稳压电路加木框图uo设运算放大器为理想器件，则有:g + 心)（危+心）所以，输

30、出电压满足如下关系式：u0 = u,nr1 + %（尺+7?2）（他+出）令& =人斗=0,7?3 =他=1kq，贝|j得至ij公式3.3(3.3)由此可见，与卩例成线性关系，当t/刖变化时，输出电压也相应改变，若要 求输出电压进增或减，t/川步进增或减即可。3.5辅助电源设计本次设计的数控直流稳压电源需耍不少外在的稳压电源捉供电压，如d/a转换 器，稳压电路和数字控制电路都需要外在的直流电源供电，因此木次设计的辅助电 源主要实现+15v, -15v,和+5v以便于对各个部分的电路提供电压。如d/a转换 器所需的±157,数字控制电路所需的+5v和稳压电路所需的±1

31、57。对于辅助电 源的设计我主要采用了整流滤波电路和cw7805、cw7815、cw7915集成三端稳压 器进行实现说】。其电路如图3.9所示。图3.9辅助电源电路图通过整流滤波电路将交流电转变为稳压直流电，然后通过三端集成稳压器cw7805、cw7815、cw7915获得固定输出电压，进而对d/a转换器，稳压电路和 数字控制电路各个部分所需要的固定电压进行定点输送。4总体电路设计将上述齐单元电路连接起来就会得到整体电路原理图如图4所示。图4.1整体电路图图4.1中将辅助电源的各部分电压相应的接入到整体电路中所需要的对应的电 压屮去，因此，当想调节数控直流稳压电源的电压值吋，按动如图屮的s1或

32、者s2 经过cd4538单脉冲产生器产生脉冲进入到74ls193中产生了数字信号,由74ls193 的qo. ql q2、qs引脚将信号输送到d（）、dr d2. d3进而通过d/a转换电路将数字信 号转化为模拟信号卩爪,由于稳压电路屮的5与成线性关系，因此促进s也改 变，要使5改变就要通过整流滤波电路将交流电转变成需要的直流电压，以完成电路的稳定。由前文公式3.3可知最终的所得的电压u严通过5的改变可完成木次设计的要求使稳压直流电源能在5-15v z间改变。完成了输出直流电压能 步进调节，出“+"、两键分别控制输出电压步进增和减。在木次设计过程中，对纹波没有提出非常的严格耍求，所以

33、常用的集成电路就 可以满足要求，整个电路简单可靠，选用低价格通用元器件具有较高的性价比。系 统成本低。木文的各个部分分别阐述了简易数控直流稳压电源的设计思路和电路组成部 件的功能和作用。简易数控直流稳压电源选用了整流滤波电路、数字控制电路、d/a 转换电路和稳压电路。整流滤波电路采用的是桥式整流、电容滤波进行设计的，数 字控制电路采用了 74ls193芯片來进行实现的，d/a转换电路采用了 lm324放大 器实现的，稳压电路则主要由cw7805稳压器构成的，最后由于各个屯路还需要 直流稳压电源来提供固定电压，因此我又设计了由整流滤波电路和cw7805、 cw7815. cw7915组成了辅助电源来实现本次的设计课题。因此本次设计所实现 的直流稳压数控电源具冇操作简便，便丁实现5至15v的电压传换。在木次设计的过程中，我发现很多的问题，给我的感觉就是很难，很不顺手， 看似很简单的屯路，要动手把它设计出來却冇各种的问题，还冇资