NANHUA University電子技術(shù)課程設(shè)計設(shè)計題目： 數(shù)控直流穩(wěn)壓源設(shè)計 專 業(yè)： 自動化 年 級： 07級 學(xué) 號： 20074460341 姓 名： 吳興傳 指導(dǎo)教師： 王旭東 2 0 1 0年 01 月 19 日一、引言隨著人們生活水平的不斷提高，數(shù)字化控制無疑是人們追求的目標(biāo)之一，它所給人帶來的方便是不可否定的，其中數(shù)控制直流穩(wěn)壓電源就是一個很好的典型例子，但人們對它的要求也越來越高，要為現(xiàn)代人工作、科研、生活提供更好、更方便的設(shè)施就需要從數(shù)字電子技術(shù)入手，一切向數(shù)字化，智能化方向發(fā)展。本文所介紹的數(shù)控制流穩(wěn)壓電源與傳統(tǒng)的穩(wěn)壓電源相比，具有可操作性，電壓穩(wěn)定度高的特點(diǎn)，其輸出電壓大小采用數(shù)字顯示，主要用于要求電源精度比較高的設(shè)別，或科研試驗用電源，并且此設(shè)計，沒有用到單片機(jī)，只用到了數(shù)字技術(shù)中的可逆計數(shù)器，D/A轉(zhuǎn)化器，譯碼顯示等電路，具有控制精度高，制作比較容易等優(yōu)點(diǎn)。二.方案設(shè)計與論證2.1方案設(shè)計 方案1：該方案采用傳統(tǒng)的調(diào)整管方案，主要特點(diǎn)在于使用一套雙計數(shù)器完成系統(tǒng)控制功能，其中二進(jìn)制計數(shù)器的輸出經(jīng)過D/A變換后去控制誤差放大的基準(zhǔn)電壓，以控制輸出步進(jìn)。十進(jìn)制計數(shù)器通過譯碼后驅(qū)動數(shù)碼管顯示輸出電壓值，為了使系統(tǒng)工作正常，必須保證雙計數(shù)器同步工作。如圖1-1所示： 圖1-1方案2：采用8031單片機(jī)，輸出部分在D/A轉(zhuǎn)換后，經(jīng)過穩(wěn)定的功率放大而得到，如圖1-2所示： 圖1-22.2方案論證（1）數(shù)控部分：方案1采用了中小規(guī)模器件實現(xiàn)系統(tǒng)的數(shù)控部分，使用芯片很多，造成控制電路內(nèi)部接口信號繁瑣，中間相互關(guān)聯(lián)多，抗干擾能力差，而方案2采用8031單片機(jī)完成整個數(shù)控部分的功能，同時，8031作為一個智能的可編程器件，便于系統(tǒng)功能的擴(kuò)展。（2）輸出部分：方案1采用線性調(diào)壓電源，以改變其基準(zhǔn)典雅的方式使輸出步進(jìn)增加/減小這樣要考慮整流濾波后的紋波影響，方案2使用運(yùn)算放大器做前級的功率放大電路，由于運(yùn)算放大器具有很大的電源電壓抑制化，可以大大減小輸出紋波電壓。 （3）顯示部分：方案1的顯示輸出是對電壓的量化值進(jìn)行譯碼輸出，顯示值為D/A變換的輸入量，由于D/A變換與功率驅(qū)動電路引入的誤差，顯示值與電源實際輸出值之間可能出現(xiàn)較大偏差。方案2采用三位半的數(shù)字電壓表（DVM）直接對輸出電壓進(jìn)行采樣并顯示輸出實際電壓值，且系統(tǒng)工作異常，出現(xiàn)預(yù)置值與輸出值偏差過大，用戶可以根據(jù)該信息來處理。三、單元電路設(shè)計與參數(shù)計算根據(jù)要求-輸出電壓：099V步進(jìn)可調(diào)，調(diào)整步距01V；輸出電流：500mA；精度：靜態(tài)誤差1%FSR，紋波10mV；顯示：輸出電壓值用LED數(shù)碼管顯示；電壓調(diào)整：由“+”、“-”兩鍵分別控制輸出電壓的步進(jìn)增減；輸出電壓預(yù)置：輸出電壓可預(yù)置在099V之間的任意一個值；自制電路工作所需的直流穩(wěn)壓電源，輸出電壓為15V，+5V?？梢栽O(shè)計這樣一個方案：數(shù)控直流穩(wěn)壓電源共有六個部分，輸出電壓的調(diào)節(jié)時通過+、-兩鍵操作 ，步進(jìn)電壓精確到0.1V，控制可逆計數(shù)器分別作加、減計數(shù)，可逆計數(shù)器的二進(jìn)制數(shù)字輸出分兩路運(yùn)行：一路用于驅(qū)動數(shù)字顯示電路，精確顯示當(dāng)前輸出電壓值；另一路進(jìn)入數(shù)模轉(zhuǎn)換電路（D/A轉(zhuǎn)換電路），數(shù)模轉(zhuǎn)換電路將數(shù)字量按比例，轉(zhuǎn)換成模擬電壓，然后經(jīng)過射極跟隨器控制，調(diào)整輸出級，輸出穩(wěn)定直流電壓。為了實現(xiàn)上述幾部分的正常工作，需要另制15V和5V的直流穩(wěn)壓電源，以及一組未經(jīng)穩(wěn)壓的12V17V的直流電壓。此下所講的數(shù)控電源就是對此組電壓進(jìn)行控制，是輸出09V的穩(wěn)定可調(diào)直流電壓。此原理方框圖如下方框圖1所示3.1、“+”、“-”鍵控制的可逆計數(shù)器的設(shè)計此部分電路主要用兩個按鍵開關(guān)作為電壓調(diào)整鍵，與可逆計數(shù)器的加計數(shù)CPU時輸入端和減計數(shù)CPD時鐘輸入端相連，可逆計數(shù)器采用兩片四位十進(jìn)制同步加/減集成塊74LS192級聯(lián)而成。74LS192是雙時鐘，可預(yù)置數(shù)，異步復(fù)位，十進(jìn)制（BCD碼）可逆計數(shù)器。與之功能相同的還有其他芯片，比較容易找到。3.1.1、工作原理由于輸出電壓從09.9V可以調(diào)節(jié)，所以74LS192兩計數(shù)器總計數(shù)范圍從00000000到10011001（即099），而74LS192本身為十進(jìn)制可逆計數(shù)器，所以只需兩塊這樣的芯片級聯(lián)就可以達(dá)到目的，此芯片封裝和工作模式如下圖2所示.、PL是低電平有效地預(yù)置數(shù)允許端，PL=0時，預(yù)置數(shù)輸入端P0P3上的數(shù)據(jù)被置入計數(shù)器。MR是高電平有效復(fù)位端，MR=1時，計數(shù)器被復(fù)位，所有輸出端都為低電平。CPU是加計數(shù)時鐘，CPD是減計數(shù)時鐘，當(dāng)CPU=CPD=1時，計數(shù)器處于保持狀態(tài)，不計數(shù)。當(dāng)CPD=1，CPU由0變?yōu)?時，計數(shù)器的計數(shù)值加1；當(dāng)CPU=1，CPD由0變?yōu)?時，計數(shù)器的計數(shù)值減1。TCU是進(jìn)位輸出端，當(dāng)加計數(shù)器達(dá)到最大計數(shù)值時，即達(dá)到9時，TCU在后半個時鐘周期（CPU=0）內(nèi)變成低電平，其他情況均為高電平。TCU是借位輸出端，當(dāng)減計數(shù)器計到0時，TCD在時鐘的后半個周期（CPD=0）內(nèi)變成低電平，其他情況均為高電平。為實現(xiàn)100進(jìn)制的計數(shù)可把第一塊芯片的TCU、TCD分別接后一級CPU、CPD就可以級聯(lián)使用，這就達(dá)到了099的計數(shù)。3.1.2、元件的選擇74LS192是雙時鐘，可預(yù)置數(shù)，異步復(fù)位，十進(jìn)制（BCD碼）可逆計數(shù)器，還可選用54HC192，54HCT192，74HC192和74HCT192等。3.2、數(shù)字顯示電路設(shè)計3.2.1、工作原理數(shù)字顯示驅(qū)動采用兩塊74LS48，74LS48為四線七段譯碼驅(qū)動器，如圖所示， 內(nèi)部輸出帶上拉電阻，它把從計數(shù)器傳來的二十進(jìn)制碼，驅(qū)動數(shù)碼管顯示數(shù)碼。具體功能如下圖3真值表所示:74LS48，七段譯碼器，輸出高電平有效，適合于共陰極接法的七段數(shù)碼管使用A3、A2、A1、A0，為8421BCD碼輸入，a、b、c、d、e、f、g為七段數(shù)碼輸出，LT為試燈輸入信號，用來檢查數(shù)碼管的好壞，IBR為滅燈輸出信號，用來動態(tài)清零，IB/QBR為滅燈輸出信號，改端既可以作輸入也可以作輸出，具體工作如上真值表所示。3.3、D/A轉(zhuǎn)換電路（數(shù)模轉(zhuǎn)換器）的設(shè)計3.3.1、DAC0832工作原理介紹數(shù)模轉(zhuǎn)換電路，采用兩塊DAC0832集成塊，它是一個8位數(shù)/模轉(zhuǎn)換電路，這里只是用高4數(shù)字量輸入端。由于DAC0832不包含運(yùn)算放大器，所以需要外接一個運(yùn)算放大器相配，才構(gòu)成完整的D/A轉(zhuǎn)換器，低位DAC輸出模擬經(jīng)9：1分流器分流后于高位DAC輸出模擬量相加后送入運(yùn)放，具體實現(xiàn)，有900和100的電阻相并聯(lián)分流實現(xiàn)，運(yùn)放將其轉(zhuǎn)換成與數(shù)字端輸入的數(shù)值成正比的模擬輸出電壓，運(yùn)放采用具體有調(diào)零的低噪聲高速優(yōu)質(zhì)運(yùn)放NE5534.如下圖4所示。 圖4DAC0832是8分辨率的D/A轉(zhuǎn)換集成芯片。與微處理器完全兼容。這個DA芯片以其價格低廉、接口簡單、轉(zhuǎn)換控制容易等優(yōu)點(diǎn)，在單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中得到廣泛的應(yīng)用。D/A轉(zhuǎn)換器由8位輸入鎖存器、8位DAC寄存器、8位D/A轉(zhuǎn)換電路及轉(zhuǎn)換控制電路構(gòu)成。DAC0832的主要特性參數(shù)如下：* 分辨率為8位；* 電流穩(wěn)定時間1us；* 可單緩沖、雙緩沖或直接數(shù)字輸入；* 只需在滿量程下調(diào)整其線性度；* 單一電源供電（+5V+15V）；* 低功耗，200mW。DAC0832結(jié)構(gòu)：* D0D7：8位數(shù)據(jù)輸入線，TTL電平，有效時間應(yīng)大于90ns(否則鎖存器的數(shù)據(jù)會出錯)；* ILE：數(shù)據(jù)鎖存允許控制信號輸入線，高電平有效；* CS：片選信號輸入線（選通數(shù)據(jù)鎖存器），低電平有效；* WR1：數(shù)據(jù)鎖存器寫選通輸入線，負(fù)脈沖（脈寬應(yīng)大于500ns）有效。由ILE、CS、WR1的邏輯組合產(chǎn)生LE1，當(dāng)LE1為高電平時，數(shù)據(jù)鎖存器狀態(tài)隨輸入數(shù)據(jù)線變換，LE1的負(fù)跳變時將輸入數(shù)據(jù)鎖存；* XFER：數(shù)據(jù)傳輸控制信號輸入線，低電平有效，負(fù)脈沖（脈寬應(yīng)大于500ns）有效；* WR2：DAC寄存器選通輸入線，負(fù)脈沖（脈寬應(yīng)大于500ns）有效。由WR1、XFER的邏輯組合產(chǎn)生LE2，當(dāng)LE2為高電平時，DAC寄存器的輸出隨寄存器的輸入而變化，LE2的負(fù)跳變時將數(shù)據(jù)鎖存器的內(nèi)容打入DAC寄存器并開始D/A轉(zhuǎn)換。* IOUT1：電流輸出端1，其值隨DAC寄存器的內(nèi)容線性變化；* IOUT2：電流輸出端2，其值與IOUT1值之和為一常數(shù)；* Rfb：反饋信號輸入線，改變Rfb端外接電阻值可調(diào)整轉(zhuǎn)換滿量程精度；* Vcc：電源輸入端，Vcc的范圍為+5V+15V；* VREF：基準(zhǔn)電壓輸入線，VREF的范圍為-10V+10V；* AGND：模擬信號地* DGND：數(shù)字信號地 DAC0832的工作方式：根據(jù)對DAC0832的數(shù)據(jù)鎖存器和DAC寄存器的不同的控制方式，DAC0832有三種工作方式：直通方式、單緩沖方式和雙緩沖方式。由于DAC0832輸出級沒有加集成運(yùn)放，所以需外加NE5534相配使用。NE5534封裝如下圖5所示。IN-為反相輸入端，IN+為同相輸入端；OUT為輸出端；Balance為平衡輸入端，主要作用是是內(nèi)部電路的差動放大器處于平衡狀態(tài)；COMP/Bal的作用為，通過調(diào)節(jié)外接電阻，已達(dá)到改善放大器的性能和輸出電壓；VCC+和VCC-為正負(fù)電源提供；3.4、調(diào)整輸出的設(shè)計調(diào)整輸出級采用運(yùn)放作射極跟隨器，使調(diào)整管的輸出電壓精確地與D/A轉(zhuǎn)換器輸出電壓保持一致。調(diào)整管采用大功率達(dá)林頓管，確保電路的輸出電流值達(dá)到設(shè)計要求。數(shù)控電源各部分工作所需的15V和5V電源有固定集成穩(wěn)壓器7815、7915和7805提供，調(diào)整管所需輸入電壓，經(jīng)簡單整流，濾波即可得到，但要求能提供5A的電流。輸出電壓的調(diào)整，主要是運(yùn)用射極輸出器發(fā)射極上所接的4.7K電阻來完成的，此反饋電阻的主要作用是，把輸出電壓反饋到NE5534的輸入級的反方向輸入端，當(dāng)同相輸入IN+和反相輸入端IN-有差別時，調(diào)整輸出電壓使之趨于穩(wěn)定，從而達(dá)到調(diào)整輸出電壓的目的。四、本設(shè)計總體圖示4.1、總體控制電路如圖6：圖6附圖：按圖6原理圖在protel中的仿真圖附圖4.2、本設(shè)計主要電源供給電路如圖7： 圖74.3、保護(hù)電路（主要利用蜂鳴器）五、電路調(diào)試調(diào)節(jié)步驟如下：2.5.1、輸入數(shù)字00000000，短接RE1、RE2、RF調(diào)運(yùn)放調(diào)零電位器RW，用數(shù)字萬用表檢測，是輸出電壓Vo=0。2.5.2、輸入數(shù)字10011001，調(diào)整RE1、RE2、RF是輸出電壓Vo達(dá)到預(yù)定的滿量程9.9V。2.5.3、主要技術(shù)指標(biāo)本文所設(shè)計的數(shù)控制流電源的電壓輸出范圍為09.9V，步進(jìn)電壓為0.1V，輸出紋波電壓不大于10mv，輸出電流小于等于500mA。六、改進(jìn)措施本電源輸出電壓大小受到限制，在需要較高輸出電壓時，且在不改變調(diào)節(jié)精度（即步進(jìn)電壓值）前提下，只要增加計數(shù)器的級聯(lián)數(shù)和相應(yīng)的D/A轉(zhuǎn)換器的個數(shù)，擴(kuò)大數(shù)顯指示范圍，配合選用高電壓輸出運(yùn)放，就能滿足要求。當(dāng)需要正負(fù)對稱輸出電壓時，只要另增一組電源，對D/A轉(zhuǎn)換器及調(diào)整輸出電路稍作改動即可達(dá)到目的。七、結(jié)論與心得在本次設(shè)計過程中，對紋波有嚴(yán)格要求，而穩(wěn)壓集成電路可以滿足要求。在電路中采用了模擬器件和數(shù)字器件，所以需要5V和15V電源供電。本設(shè)計輸出的電壓穩(wěn)壓精度高，可以用在對直流電壓要求較高的設(shè)別上，或在科研實驗室中當(dāng)做試驗電源使用。在本次設(shè)計的過程中，我發(fā)現(xiàn)很多問題，看似很簡單的電路，要動手把它設(shè)計出來，不是一件容易的事，主要原因是以前好少動手設(shè)計過電路。還有資料的查找和篩選也是一難題，這就要求在以后的學(xué)習(xí)中，應(yīng)該多了解各類芯片和集成電路的功能，更重要的是我們要學(xué)會把從書本上學(xué)到的知識和實際的電路聯(lián)系起來，這不論是對我以后的學(xué)習(xí)和就業(yè)來說，都會有幫助的。我相信，通過這次的課程設(shè)計，對我的動手能力有了一定的提高。同時，通過本次課程設(shè)計，鞏固了我以前學(xué)習(xí)過的數(shù)電和模電等專業(yè)知識，也使得我把理論與實踐從真正意義上結(jié)合起來，考驗了我借助互聯(lián)網(wǎng)搜集、查閱相關(guān)文獻(xiàn)資料和組織材料的綜合能力；從中可以自我檢測，充分認(rèn)識到自己的欠缺與不足，以便于在日后的學(xué)習(xí)工作中得以改進(jìn)和提高。通過使用Protel 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