模拟课程设计课内容之三

1、模拟课程设计课内容之三第1页，共37页，2022年，5月20日，6点41分，星期四3精度：静态误差1%FSR，纹波10mV；4显示：输出电压值由LED数码管显示；5电压调整：由“+”、“-”两键分别控制输出电压的步进增减；6输出电压预置：输出电压可预置在09.9V之间的任意一个值；7其他：自制电路工作所需的直流稳压电源，输出电压为15V，+5V。第2页，共37页，2022年，5月20日，6点41分，星期四三、具体要求1. 总体框图针对设计任务所提出的要求和条件，可以用具有一定功能的若干单元方框图构成一个总方框图，并将系统的性能指标分配到各单元方框中去。一般来说，不太可能用某种简单结构一下子满足

2、总体功能要求，这就需要进行功能分解。总功能可分解成若干子功能，子功能还可以进一步分解，直到功能元素，这样就形成了第3页，共37页，2022年，5月20日，6点41分，星期四所谓功能结构。在分解过程中得到的每一个基本功能元素，至少可用一个能满足其功能的方案去实现。如果将有关功能元素进行不同组合，则可得到不同联法的多种系统方案，逐一分析每个方案的可行性和优缺点，再加以比较、优化、筛选，就可得到较理想的系统方案。2. 单元电路设计根据选定的方案对单元电路进行设计，选择合适的器件，将总体性能指标分解并落实到关键的器件上，写出器件的选择依据以及第4页，共37页，2022年，5月20日，6点41分，星期四

3、参数的计算和校核过程。3. 总体逻辑图 在单元电路设计的基础上，画出数控直流稳压电源的总体逻辑图。要求将图画在毫米方格纸上，并标出器件的型号、阻容元件的参数及关键点的技术指标。4. 安装 根据总体逻辑图列出元器件明细表，领取元器件。在实验电路板上设计总体布线，焊接元器件和导线。要求布线简洁、整齐，焊接可靠。第5页，共37页，2022年，5月20日，6点41分，星期四5. 调试 先进行单元电路调试，然后进行分块联调，最后是总体调试。调试时要详细记录调试过程中出现的异常现象和改进措施、电路设计或电路参数的修改原因、修改结果，并将调试记录写入设计报告中。6. 指标测试调试完成后应对电路的性能指标作最

4、终测试和校核，并将电路实际达到的指标与校核数据记录下来，写入设计报告中。第6页，共37页，2022年，5月20日，6点41分，星期四7. 精度分析 精度指标是数控直流稳压电源的一个重要指标，应从理论上分析造成误差的原因，并提出改进的设想。8. 设计报告将上述内容整理成完整的设计报告，总结本次设计的收获、存在的问题，并对选题、设计和调试过程中的指导等方面提出改进意见等。第7页，共37页，2022年，5月20日，6点41分，星期四3.2 总体方案的确定根据系统功能及技术要求，系统可由按键、数控部分、输出电路、过流保护、显示及稳压电源等六个部分组成，如图3.1所示。操作人员通过按键对系统发出电压调整

5、指令，该指令与输出电路的状态信号一起送入数控部分，经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部分，关闭系统的电压输出，对系统的输出电路进行保护。另外，数控部分还第8页，共37页，2022年，5月20日，6点41分，星期四产生显示信息送入显示部分，将输出电压或其他信息报告给操作人员。系统工作所需的15V，+5V电源由自制稳压电源提供。显 示数控部分输出电路自制稳压电源过流保护按 键图3.1 数控直流稳压电源原理框图 第9页，共37页，2022年，5月20日，6点41分，星期四3.3 单元电路设计要点 本节

6、只对数控直流稳压电源的主要功能模块（单元电路）进行方案论证，具体单元电路的选择、细化及总体电路，读者可根据方案论证的内容自己完成。一、按键输入/模拟电压量输出 根据系统要求，用户操作“+”、“-”按键实现对输出电压幅值进行控制。从3.1的原理框图可知，按键输入到模拟电压量的输出转换功能是由数控部分完成的，要实现按键输入到模拟电压量的输出转换，其数控部分可由以下两种方式完成： 第10页，共37页，2022年，5月20日，6点41分，星期四1. 用计数器实现步进输入 此方案采用一套二进制计数器和D/A转换器实现输入按键到模拟电压量的转换功能，如图3.2所示。二进制计数器D/A转换器输出电路电压预置

7、步进加步进减图3.2用计数器实现步进输入原理框图第11页，共37页，2022年，5月20日，6点41分，星期四“+”、“-”按键的操作分别接入可逆二进制计数器的加法和减法计数脉冲输入端，从而改变了二进制计数器的输出数码，并通过D/A转换器将数字信号转换为模拟电压量，然后送到输出电路作进一步处理。2. 用单片机实现步进输入 此方案采用单片机作控制，如图3.3所示。单片机接受来自按键或键盘的信息，经处理后形成数字量输出到D/A转换器，再由D/A转换器将数字信号转换为模拟电压量，送输出电路作进一步处理第12页，共37页，2022年，5月20日，6点41分，星期四单片机键盘接口电压预置键盘或按键D/A

8、转换器输出电路3.3 用单片机实现步进输入原理框图 第13页，共37页，2022年，5月20日，6点41分，星期四二、电压信号功率放大 按技术要求，系统输出电流最大达500mA。由于D/A转换输出的模拟电压信号一般只有几个毫安电流驱动能力，因此必须通过输出电路中的功率放大部分将电流驱动能力提高到500mA以上。实现电压信号功率放大的方案有如下几种：1.采用分立元件构成功率放大电路此方案采用分立元件构成功率放大电路。但随着集成技术的发展，构成功率放大器的单元第14页，共37页，2022年，5月20日，6点41分，星期四2. 采用运放加功率器件构成功率放大电路电路已经很少全部采用分立元件了，因此这

9、里不作进一步讨论。此方案在电压放大级采用集成运放，功率放大级采用分立元件进行功率扩展，原理如图3.4所示。通过改变集成运放的外接电阻R1，R2，系统可以方便地改变输出电压的调整范围；通过改变功放级分立元件的输出功率，也可以方便地改变系统输出的电流驱动能力。因此，此方案比较实用、灵活。第15页，共37页，2022年，5月20日，6点41分，星期四互补对称功放级负载AR1R2ViVo图3.4 集成运放功率扩展原理框图 第16页，共37页，2022年，5月20日，6点41分，星期四3. 采用集成功率放大器 此方案采用集成功率放大器。集成功率放大器将运算放大器的输出级改为复合管形式，以增大输出电流。但

10、由于受到集成工艺的限制。集成功放中的某些元器件仍只能留待外接。尤其是为了使用方便，在制造集成功放时，常常有意留下若干接线端供应用时灵活连接。因此，使用集成功率放大器时必须注意正确连接。第17页，共37页，2022年，5月20日，6点41分，星期四4. 采用集成稳压器件 此方案采用集成稳压器。如图3.5所示，集成稳压器7805原本是输出固定电压+5V的器件，其输出端与基准点之间的电压固定为+5V。但是，只要外接电路改变基准点的电压值，则其输出电压也跟随发生改变。实践证明：这种可调稳压输出具有良好的负载特性，输出最大负载电流达1.5A，且内部还集成了过流保护和过热保护等电路，因此完全能满足本例技术

11、要求，且具有较高性能/价格比。第18页，共37页，2022年，5月20日，6点41分，星期四7805电压偏移+15VVoD/A转换器基准点图3.5 用集成稳压器组成功率放大电路需要注意的是，系统要求输出电压范围为09.9V，因此7805基准点电压范围应控制在-5V+5V之间，而D/A转换器应采用双极性输出，或者采用电压偏移电路将单极性输出转为双极性输出。第19页，共37页，2022年，5月20日，6点41分，星期四三、过流保护 过流保护电路的功能是当输出电流因负载的变化而超过设定值(500mA)时产生保护作用，使输出电压降低或完全关闭输出，以保护输出电路不会因过流、过热而造成永久性损坏。过流保

12、护电路可有下列几种方案：1. 利用三极管的导通特性 此方案利用三极管导通时基极发射极之间电压差VBE0.7V的特性，当采样电阻上因负载电流增加而使压降大于0.7V时使三极管导通，产生过流保护信号。第20页，共37页，2022年，5月20日，6点41分，星期四此信号可直接接输出驱动管，限制输出电流的继续增加，也可以送入数控部分，经处理后切断输出电压信号，如图3.6所示。互补对称功放级去数控电路RsVoR1R2-15V图3.6 用三极管作过流保护电路原理图 第21页，共37页，2022年，5月20日，6点41分，星期四2. 用电压比较器 输出电路+-ARs+15VVoVsR1去数控部分图3.7 用

13、电压比较器作过流保护电路原理图 第22页，共37页，2022年，5月20日，6点41分，星期四此方案利用电压比较器，当采样电阻压降达到某个设定值时，比较器输出信号发生翻转，起到过流保护的作用。其原理如图3.7所示，当电压比较器同相输入端电压比VO高出Vs(即Rs上的压降达到Vs)时，电压比较器输出信号发生翻转。同样，该信号经处理后可直接控制输出电路的输出，也可送到数控部分，由数控部分切断整个电路的输出，实现保护功能。第23页，共37页，2022年，5月20日，6点41分，星期四3. 采用A/D转换器 此方案先将采样电阻两端压差用差分放大电路处理后送A/D转换器，转换的结果送入单片机系统，由单片

14、机系统通过软件判断输出回路的负载电流情况，如图3.8所示。当负载电流大于设定值时，由软件控制D/A转换器，切断整个电路的输出。这个方案的优点是过流点的设置可由软件完成，调整比较灵活，缺点是需要增加差分放大电路和A/D转换器，硬件略显复杂。另外，用多输入通道的A/D转换器直接将采样电阻两端的电压值采入单片机系统后， 第24页，共37页，2022年，5月20日，6点41分，星期四也可用软件的方法求差获得采样电阻的压差，在硬件上可以省去差分放大电路。 差分放大电路输出电路RsVoA/D转换器单片机系统D/A转换器图3.8 用差分放大器和A/D转换器作过流保护电路原理图第25页，共37页，2022年，

15、5月20日，6点41分，星期四四、输出电压显示 输出电压的显示可以显示电压的设定值，也可按实测的输出电压进行显示，或者将设定值与实测值同时显示出来。当只显示设定值或实测值时可用2位或3位LED数码管，显示范围为0.09.9V或0.009.99V。输出电压显示实现电路可采用以下几种方式： 第26页，共37页，2022年，5月20日，6点41分，星期四1. 采用计数器作数控时显示计数值 当采用计数器作数控部分控制芯片时，由于其计数值是以二进制形式出现的，因此不能直接用于译码显示电路，而必须将按键输入的信号同时送入十进制计数器。再由十进制计数器的输出结果经译码、驱动后送LED数码管显示，如图3.9(

16、a)所示。另外，也可将二进制计数器的输出结果送入EPROM，经查表获得十进制的计数值，再送入译码显示电路，如图3.9(b)所示。第27页，共37页，2022年，5月20日，6点41分，星期四十进制计数器按键二进制计数器D/A转换器译码显示按键二进制计数器D/A转换器译码显示EPROM(a)(b)图3.9 计数器作控制的输出电压显示电路第28页，共37页，2022年，5月20日，6点41分，星期四2. 采用单片机作数控时由软件完成显示控制 当采用单片机作数控部分控制芯片时，单片机可由软件完成按键输入、计数、二进制十进制转换，显示译码等工作，因此输出显示电路只需由单片机、驱动、LED显示等3部分组

17、成，硬件电路十分简单。单片机作控制时的输出电压显示电路如图3.10所示。第29页，共37页，2022年，5月20日，6点41分，星期四按键驱动单片机LED显示图3.10 单片机作控制时输出电压显示电路3. 采用A/D转换器 上述两种方案都是显示输出电压的设定值，而实际输出电压值可能会因负载的变化及控制误差，而与设定的输出电压值不一致，此时显示输出电压的实际值比显示输出电压的设定值更有意义。 第30页，共37页，2022年，5月20日，6点41分，星期四为了显示输出电压的实际值，必须对输出电压进行采样并通过A/D转换变为数字量。在有单片机的系统中，该数字量通过单片机系统的软件处理后送往显示器显示

18、，如图3.11(a)所示；在用计数器作数控部分的系统中，则首先应将该数字量转换成十进制数，然后才能送往显示部分进行显示，如图3.11(b)所示。第31页，共37页，2022年，5月20日，6点41分，星期四采样A/D转换器显示单片机输出电路EPROM显示A/D转换器采样输出电路图3.11 输出电压实际值的显示电路原理框图(a)(b)第32页，共37页，2022年，5月20日，6点41分，星期四五、输出电压预置 输出电压预置使系统具有开机自动输出预置电压的功能。要实现输出电压预置的功能，可以采用以下几种方案：1. 由拔码盘或微型开关设定预置值在单片机系统中，可以使用拨码盘或微型开关来设定预置值。

19、在系统中拨码盘或微型开关输出的都是开关量，不同的是拨码盘的输出数据以BCD码形式出现，而微型开关只能以二进制码的形式出现。当系统上电工作时，单片机通过软件将预置值读入系统内部，并根据该第33页，共37页，2022年，5月20日，6点41分，星期四预置值对输出电压进行初始化，完成输出电压预置输出的功能。对于数控部分由计数器完成的系统来说，拨码盘或微型开关的预置值要在系统上电时装入计数器，就必须利用上电复位信号产生一个装载信号脉冲，将预置值装入计数器。另外拨码盘输出的BCD码数据装入十进制计数器后也必须先转换成二进制数，然后才能用于控制输出电路。第34页，共37页，2022年，5月20日，6点41分，星期四2. 由键盘输入预置值并存入E2PROM 在有单片机的系统中可