数控直流稳压电源设计

1、 数控直流稳压电源的设计 学校: 学院: 学生姓名 : 班级: 指导老师 : 摘要：随着时代的发展，数字电路技术已经普及到了我们的生活、工作、科研等各个领域。在此将介绍一种简易数控直流稳压电源。该电路采用以74LS192为控制中心，控制8位数模转换器DAC0832，将其输出的电流信号经过放大器UA741，将其转换为电压信号，并经过100K的滑动变阻器来扩展输出的电压范围，使电压在0+9.9V之间变化。以及通过 “+”，“-”按键来实现电压步进。用15V，5V自制电源作为电路中的稳压电源，以可逆计数器为控制中心，将采取按键的情况，进行相应的处理将数据传给DAC0832，进行DA转换，并将转换出来

2、的电流信号经过电流转换电压模块，变成电压信号并经过运算放大模块，最终输出电压，同时让数码管显示。关键词： DAC0832 UA741 74LS192 第一章绪论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之一。当今电源技术融合了电气、电子、系统集成、控制理论、材料等诸多学科领域。随着计算机和通讯技术发展而来的现代信息技术革命，给电力电子技术提供了广阔的发展前景，同时也给电源提出了更高的要求。随着数控电源在电子装置中的普遍使用，普通电源在工作时产生的误差，会影响整个系统的精确度。电源在使用时会造成很多不良后果，世界各国纷纷对电源产品提出了

3、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，期间系统的电力电子理论开始建立。这些理论为其后来的发展提供了一个良好的基础。在以后的一段时间里，数控电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，是针对上述缺点不断加以改善。从组成上，数控电源可分成器件、主电路与控制等三部分。目前在电力电子器件方面，几乎都为旋纽开关调节电压，调节精度不高，而且经常跳变，使用麻烦数字化智能电源模块是针对传统智

4、能电源模块的不足提出的，数字化能够减少生产过程中的不确定因素和人为参与的环节数，有效地解决电源模块中诸如可靠性、智能化和产品一致性等工程问题，极大地提高生产效率和产品的可维护性。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，并且此设计，只用到了数字技术中的可逆计数器，D/A转换器，译码显示等电路，具有控制精度高，制作比较容易等优点。第二章 系统功能与整体框图2.1 功能与主要技术指标 输出电压：099V步进可调，调整步距0.1V; 输出电流：1A； 精 度：静态误差1%FSR

5、，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； 其它：自制电路工作所需的直流稳压电源，输出电压为15V，+5V；2.2 数控直流稳压电源组成框图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。可用D/A转换器实现步进，集成运放实现功率扩展，三端集成稳压芯片制作稳压电源电源。自制稳压电源显示电路数控部分电路 输出电路按 键第三章硬件电路3.1整体方案论证与比较方案一：模拟部分采用UA741将DAC0832输出的电流变电

6、压，然后再经过达林顿管管放大，达到要求的量，在数字部分，采用74LS193，是一个同步十六进制的可逆计数器。再采用74LS48进行译码，在数码管显示数字。方案二：模拟部分采用两个DAC0832分别对两个74LS192的输出量进行调节，数字部分，采用74LS192，是一个同步十进制可逆计数器。通过两个0832控制数码管显示。综上所述，方案一使用芯片少，但是显示直观。方案二，使用芯片比方案一多，但是显示直观，便于调节。所以我们采用方案二。3.2 单元电路设计此数控直流稳压电源共有六部分，输出电压的调节是通过“+，-” 两键操作，步进电压精确到 0.1V 控制可逆计数器分别作加，减计数，可逆计数器的

7、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，需要另制15V和5V的直流稳压电源此下所讲的数控电源主要就是对此组电压进行控制，使输出 09.9V 的稳定的可调直流电压。此原理方框图如下图 1 所示。图 1 原理方框图 3.2.1 “+”,“-”键控制的可逆计数器的设计此部分电路我们有两个方案。方案一：用四个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

8、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。两计数器之间相互独立。仿真图如下：方案二：用两个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。仿真图如下：相对于方案二，我们认为方案一更加方便，例如要调一个5V的电压，方案二要按50次按键，而方案一只需要按5次，所以我们选择方案一。3.2.1.1 74LS192工作原理74LS192是双时钟，可预置数，异步复位，十进制（BCD 码）可逆计数器。与之功能相同的还有其它芯片，比较容易找到。PL是低电平

9、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。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

10、变成低电平，其他情况下均为高电平。3.2.1.2 元件的选择74LS192 是双时钟，可预置数，异步复位，十进制（ BCD 码）可逆计数器，还可选用 54HC192，54HCT192，74HC192，74HCT192 等。3.2.2 按键去抖电路的设计作为一个按键从没有按下到按下以及释放是一个完整的过程，也就是说，当我们按下一个按键时，总希望某个命令只执行一次，而在按键按下的过程中，不要有干扰进来，因为，在按下的过程中，一旦有干扰过来，可能造成误触发过程，这并不是我们所想要的。因此在按键按下的时候,要把我们手上的干扰信号以及按键的机械接触等干扰信号给滤除掉，一般情况下，我们可以采用电容来滤除掉

11、这些干扰信号，但实际上，会增加硬件成本及硬件电路的体积，这是我们不希望，总得有个办法解决这个问题，因此我们可以采用软件滤波的方法去除这些干扰信号，一般情况下，一个按键按下的时候，总是在按下的时刻存在着一定的干扰信号，按下之后就基本上进入了稳定的状态。具体的一个按键从按下到释放的全过程的信号图如下图所示：在本设计中我们采用基于51单片机的软件去抖动方法。 如图所示，采用了两个按键，分别为+和一，用来调节设定电压，可以以01V的步进增加或减少。按下+和一键，产生的脉冲输入到单片机的P1的四个端口,通过单片机的去抖处理后，用P2的四个端口来控制74LSl92N的输出是作加计数还是减计数。3.2.2.

12、1 AT89S51简介AT89S51是一个低功耗，高性能CMOS 8位单片机，片内含4k Bytes ISP(In-system programmable)的可反复擦写1000次的Flash只读程序存储器，器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术制造，兼容标准MCS-51指令系统及80C51引脚结构，芯片内集成了通用8位中央处理器和ISP Flash存储单元，功能强大的微型计算机的AT89S51可为许多嵌入式控制应用系统提供高性价比的解决方案。AT89S51具有如下特点：40个引脚，4k Bytes Flash片内程序存储器，128 bytes的随机存取数据存储器（RAM），32个外部

13、双向输入/输出（I/O）口，5个中断优先级2层中断嵌套中断，2个16位可编程定时计数器,2个全双工串行通信口，看门狗（WDT）电路，片内时钟振荡器。 此外，AT89S51设计和配置了振荡频率可为0Hz并可通过软件设置省电模式。空闲模式下，CPU暂停工作，而RAM定时计数器，串行口，外中断系统可继续工作，掉电模式冻结振荡器而保存RAM的数据，停止芯片其它功能直至外中断激活或硬件复位。同时该芯片还具有PDIP、TQFP和PLCC等三种封装形式，以适应不同产品的需求。3.2.2.2 主要特征及引脚说明1主要特性： 8031 CPU与MCS-51 兼容 4K字节可编程FLASH存储器(寿命：1000写

14、/擦循环) 全静态工作：0Hz-24KHz 三级程序存储器保密锁定 128*8位内部RAM 32条可编程I/O线 两个16位定时器/计数器 6个中断源 可编程串行通道 低功耗的闲置和掉电模式 片内振荡器和时钟电路2管脚说明：VCC：供电电压。GND：接地。P0口：P0口为一个8位漏级开路双向I/O口，每脚可吸收8TTL门电流。当P1口的管脚第一次写1时，被定义为高阻输入。P0能够用于外部程序数据存储器，它可以被定义为数据/地址的第八位。在FIASH编程时，P0 口作为原码输入口，当FIASH进行校验时，P0输出原码，此时P0外部必须被拉高。P1口：P1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O口

15、，P1口缓冲器能接收输出4TTL门电流。P1口管脚写入1后，被内部上拉为高，可用作输入，P1口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。在FLASH编程和校验时，P1口作为第八位地址接收。P2口：P2口为一个内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2口缓冲器可接收，输出4个TTL门电流，当P2口被写“1”时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入。并因此作为输入时，P2口的管脚被外部拉低，将输出电流。这是由于内部上拉的缘故。P2口当用于外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进行存取时，P2口输出地址的高八位。在给出地址“1”时，它利用内部上拉优势，当对外部八位地址数据存储器进行读写时

16、，P2口输出其特殊功能寄存器的内容。P2口在FLASH编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。P3口：P3口管脚是8个带内部上拉电阻的双向I/O口，可接收输出4个TTL门电流。当P3口写入“1”后，它们被内部上拉为高电平，并用作输入。作为输入，由于外部下拉为低电平，P3口将输出电流（ILL）这是由于上拉的缘故。P3.0 RXD（串行输入口）P3.1 TXD（串行输出口）P3.2 /INT0（外部中断0）P3.3 /INT1（外部中断1）P3.4 T0（记时器0外部输入）P3.5 T1（记时器1外部输入）P3.6 /WR（外部数据存储器写选通）P3.7 /RD（外部数据存储器读选通）P3口同时

17、为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号。RST：复位输入。当振荡器复位器件时，要保持RST脚两个机器周期的高电平时间。ALE/PROG：当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的地位字节。在FLASH编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。在平时，ALE端以不变的频率周期输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率的1/6。因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。然而要注意的是：每当用作外部数据存储器时，将跳过一个ALE脉冲。如想禁止ALE的输出可在SFR8EH地址上置0。此时， ALE只有在执行MOVX，MOVC指令是ALE才起作用。另外，该引脚被略微拉高。如果微处理器在外部执行状态ALE禁

18、止，置位无效。/PSEN：外部程序存储器的选通信号。在由外部程序存储器取指期间，每个机器周期两次/PSEN有效。但在访问外部数据存储器时，这两次有效的/PSEN信号将不出现。/EA/VPP：当/EA保持低电平时，则在此期间外部程序存储器（0000H-FFFFH），不管是否有内部程序存储器。注意加密方式1时，/EA将内部锁定为RESET；当/EA端保持高电平时，此间内部程序存储器。在FLASH编程期间，此引脚也用于施加12V编程电源（VPP）。XTAL1：反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。XTAL2：来自反向振荡器的输出。3.2.2.3 程序框图 开始按键是否按下NY延时10ms按键

19、是否按下NY与按键对应的端口输出高电平结束 3.2.3数字显示电路的设计如图所示，74LS48D是驱动共阴数码管的译码驱动器。用逻辑电平开关来代替BCD码；调整各引脚的状态，可以得到不同的BCD码组合；运行仿真，数码管的显示结果会随之变化，R12、R13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。3.2.3.1 74LS248工作原理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。具体功能如下图3 真值表所示。74LS24

20、8，七段译码器，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，具体工作如图3真值表所示。3.2.3.2原件选择与 74LS248 功能相同的还有，74LS247，7CD4511 等。3.2.4 D/A 转换电路的设计 数模转换电路有两种方案。方案一：采用两块DAC0832集成块，再分别用两个电位器调节D/A的输出，使其中一个的输出值与显示的整数值相对应，

21、另一个与显示的小数值相对应，最后用反向加法电路将两个输出值结合成一个值。仿真图如下：方案二：采用一块DAC0832集成块，再用一个电位器调节D/A的输出，使其输出值与显示的整数值相对应。 仿真图如下：表1 模拟量增长趋势表数字量低四位模拟量模拟量n-模拟量n-1高四位模拟量模拟量n-模拟量n-1000.0100.3410.010.030.340.3420.040.020.680.3530.060.021.030.3440.080.021.370.3450.10.031.710.3560.130.022.060.3470.150.022.40.3480.170.022.740.3490.193.

22、08如表1所示，数字量加1，低四位模拟量平均加0.02，而高四位模拟量加0.34，两者的增长幅度不同，如果用方案二，很难调节电位器，使D/A的输出量与显示值一致。另外，由于方案二没有用反向加法电路，致使DAC0832的基准电压VREF接负电源，这样就增加了辅助电源的数量，使整个电路变得更加复杂。综上，我们选择方案一。3.2.4.1 DAC0832 工作原理介绍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

23、可用一公共的选通信号选通输出。具体封装图如下图 4 所示。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：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

24、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 d7d0 的关系式为：3.2.4.2 UA741介绍由于 DAC0832 输出级没有加集成运放，所以需外加运放相配适用。运放采用具有调零的低噪声高速优质运放UA741。UA741封装如下图 5所示1和5为偏置(调零端)2为正向输入端3为反向输入端4接地6为输出7接电源8空脚3.2.5调整输出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BD681，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