数控直流稳压电源的设计--课程设计.docx

数字电子技术基础课 程 设 计题目名称： 数控直流稳压电源的设计 指导教师： 学生班级：电气工程及其自动化 评语 成绩：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,它所给人带来的方便也是不可否定的,其中数控制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,要为现代人工作、科研，生活、提供更好的，更方便的设施就需要从数字电子技术入手，一切向数字化，智能化方向发展.本文所介绍的数控直流稳压电源，其输出电压大小采用数字显示，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，加法器，译码显示等电路，制作比较容易等优点。通过设计巩固学习过的专业知识，也使我们把理论与实践从真正意义上相结合了起来；考验了我们借助互联网络搜集、查阅相关文献资料，和组织材料的综合能力；通过使用电路仿真软件Multisim和protues进行电路仿真,了解到计算机辅助设计(CAD)的智能化。关键词 集成电路 数控稳压直流电源 D/A转换 十/十六进制转换目录1数控直流稳压电源总体方案设计41.1 设计要求41.2技术指标41.3 数控直流稳压电源总原理框图42各部分单元电路设计62.1“+”，“-”键，复位键控制可逆计算器设计62.1.1 工作原理总述62.1.2元件选择62.1.3 功能实现62.2 电压显示电路设计72.2.1 工作原理72.3 八位BCD码转八位二进制电路设计82.3.1 工作原理82.4 D/A转换电路设计92.4.1 DAC0832 工作原理介绍92.4.2 参数计算：112.4.3 工作电路112.5调整输出的设计123 Protues电路仿真133.1 显示电路仿真133.2 输出电压仿真133.3 完整电路仿真图144 实物焊接与调试164.1 电路板的焊接规范与工艺要求164.2 调试原则及顺序164.3 调试过程中出现的问题及解决办法174.4 焊接成果175 反思总结与建议18设计心得20附录 设计元件清单211数控直流稳压电源总体方案设计1.1 设计要求1.运用所学的数字电子知识，和模拟电子知识进行电路设计。2.设计出的直流电源要求输出精度高，步进电压在0.1V 左右，并且调整方便。3.使用通用器件4.要求输出电压在09.9V1.2技术指标工作电压：2-6V(典型5V)工作电流：4.5mA(5V时) 2.5mA(3V时)稳压输出值：0-9.9V步进电压值：0.1V输出纹波电压：10mV输出电流：5A1.3 数控直流稳压电源总原理框图调整输出显示电路1016进制转换可逆计数器“+”、“-”复位键D/A转换基准电压图1 数控直流稳压电源原理框图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，还有一个复位键，可以还原电压到0v。“+”“-”键控制可逆计数器分别作加，减计数，可逆计数器的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10进制16进制转换电路，经转换输出进入数模转换电路（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，然后经过运放射极跟随器控制,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，和-10v的直流稳压电源，及一组未经稳压的12V17V 的直流电压。2各部分单元电路设计2.1“+”，“-”键，复位键控制可逆计算器设计2.1.1 工作原理总述电路主要用三按钮开关其中两个作为加、减电压调整键，一个为电压复位键。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，用于产生触发上升沿，触发芯片计数。复位键与集成块的置数使能PL端相连，用于复位电压到0v.2.1.2元件选择此部分电路采用集成芯片74LS192, 74ls192是双时钟，可预置数，异步复位，十进制（BCD 码）可逆计数器。可逆计数器由两片级联的74ls192实现。2.1.3 功能实现图二 可逆计数器电路图此部分电路如图所示，由于输出电压从0V 到9.9V 可以调节，步进为0.1v，所以74LS192 两计数器总计数范围从00000000 到10011001（八位BCD码，即099）,而74LS192 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达到目的。图三 74ls192 封装及功能表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，为完成复位功能，p0p3均接地取0000。MR是高电平有效的复位a端，MR=1 时，计数器被复位，所有输出端都为低电平，所以此端接地。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。2.2 电压显示电路设计2.2.1 工作原理数字显示驱动采用两块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，驱动共阴数码管显示数码。具体功能如下图四真值表所示。图四 74ls48 功能表为实现显示译码功能需要将LT、IBR端都接高电平。UG的DA连接高位计数芯片输出Q3Q0,UD的DA连接低位计数芯片输出Q3Q0电路如下图五。图五 译码显示电路2.3 八位BCD码转八位二进制电路设计2.3.1 工作原理采用4片74ls238加法器将10进制转化为16进制，其中上下两片级联构成八位二进制加法。高位计数器输出Q3Q2Q1Q0乘上1010（10）再加上低位计数器Q3Q2Q1Q0。将乘法转换成加法就是移位相加，即 000Q3Q2Q1Q00+0Q3Q2Q1Q0000，此功能由前两片完成，后两片将前两片输出八位二进制与0000Q3Q2Q1Q0相加输出即所需八位码。电路如图六。图六 八位BCD码转八位二进制电路2.4 D/A转换电路设计2.4.1 DAC0832 工作原理介绍数模转换电路，采用一块DAC0832 集成块，它是一个8位R-2R倒T型数/模转换电路，将前面经转变的八位二进制码直接送入DAC0832的八位二进制输入端，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。注意：DAC0832中所有不用的输入端必须接地VCC。具体封装图如下图七所示。图七 DAC0832内部逻辑图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：在本电路中，ILE=1,CS=0,WR=0，WR2=0，XFER=0，形成直接驱动式D/A转换器。输入锁存器和数据寄存器均处于直通状态，只要有数据输入就可以进行 D/A 转换。2.4.2 参数计算：取Vref=10V, R=15k要步进为0.1v，则 102815+Rf15=0.1 , Rf=23.4k,在参考基准电压输入处串联一个可调电阻，即102815+Rf15+r=0.1， 可以通过仿真中调节取得r和Rf满足条件的最佳组合。输入数字00000000，调整r、Rf，用数字万用表检测，使输出电压Vo=01mV。输入数字10011001，调整r、Rf 使输出电压Vo 达到预定的满量程9.9V。得到取值。2.4.3 工作电路本电路中直接驱动式D/A转换电路如图八。ILE=1,CS=0,WR=0，WR2=0，XFER=0。Iout1与运放反相端连接，Iout2与运放同相端连接并接地。运放输出端电压U1= I *（15000+Rf）。图八 数模转换电路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，确保电路的输出电流值达到设计要求。调整管所需输入电压约为12V17V。输出电压的调整，主要是运用射极输出器发射极上所接的4.7K 电阻来完成的，此反馈电阻的主要作用是，把输出电压反馈到运放的输入级的反向输入端，当同相输入IN+和反向输入端IN-有差别是，调整输出电压使之趋于稳定，从而达到调整输出电压的目的。电路图如下图九。图九 调整电路3 Protues电路仿真Proteus软件是英国Lab Center Electronics公司出版的EDA工具软件, 具有完善的电路仿真功能，Proteus可提供的仿真元器件资源：仿真数字和模拟、交流和直流等数千种元器件，有30多个元件库。方便实用。3.1 显示电路仿真通过仿真数码管显示可知显示计数电路正常工作。如图十。 图十3.2 输出电压仿真显示电压/V0.00.000.50.4810.9821.992.52.4832.9943.994.54.4954.9966.0076.9987.9998.999.99.98电压仿真测试表3.3 完整电路仿真图1)按下加减按钮，数码管显示数据随着加减，同时输出电压输出显示数据。实现数控稳压电压源的功能。电压值有跳动，在正负0.01v左右波动，即文波电压为10mv满足设计要求。2）经过在仿真中对r和Rf的调节，使输出电压满足条件，得到r=5.58k欧，Rf=30k欧。 1028 15+Rf15+r=0.085v，说明DAC0832中的等效R-2R电阻网络是有误差的。4 实物焊接与调试4.1 电路板的焊接规范与工艺要求在万用板上焊接抢答器时,应严格按图连接引脚,注意走线与布局要合理序,尽量做到美观、整洁。器件的悬空端、清零端要正确处理。为避免焊接时产生的高温损坏元件，集成芯片应通过插座与万用板相连，插拔集成芯片时用力均匀,避免芯片管脚在插拔过程中变弯,折断。焊接时要保持焊点饱满、有光泽度，焊锡不应过多，以免造成焊孔短路。元器件在电路板上插装时，应注意：（1）元器件在电路板插装的顺序是先低后高，先小后大，先轻后重，先易后难，先一般元器件后特殊元器件，且上道工序安装后不能影响下道工序的安装；（2）元器件插装后，其标志应向着易于认读的方向，并尽可能从左到右的顺序读出；（3）有极性的元器件极性应严格按照图纸上的要求安装，不能错装；（4）元器件在电路板上的插装应分布均匀，排列整齐美观，不允许斜排、立体交叉和重叠排列；不允许一边高、一边低，也不允许引脚一边长、一边短。焊接集成电路时，应注意：（1）如器件引脚弯曲，则用镊子夹住弯曲引脚所在面所有引脚轻轻捏合以矫正；（2）如有引脚端裂或断则视为器件损坏，不予使用需更换新器件；（3）在进行插装的时候要注意器件的正反，面对器件时，器件上的标号字符应为由左到右排列。（4）在以上3项都确认无误的情况下进行器件的插装，应先将上面一排引脚插入印制板指定位臵，然后用直尺（或相应替代物）抵住下排引脚轻轻挤压至指定位置后插入即可。4.2 调试原则及顺序（1）断电检查电路安装完毕，首先直观检查电路各部分接线是否正确，检查电源、地线、信号线、元器件引脚之间有无短路，器件有无接错。（2）通电检查接入电路所要求的电源电压，观察电路中各部分器件有无异常现象。如果出现异常现象，则应立即关断电源，待排队故障后方可重新通电。（3）单元电路调试在调试单元电路时应明确本部分的调试要求，按调试要求测试性能指标和观察波形。调试顺序按信号的流向进行，这样可以把前面调试过的输出信号作为后一级的输入信号，为最后的整机联调创造条件。电路调试包括静态和动态调试，通过调试掌握必要的数据、波形、现象，然后对电路进行分析、判断、排除故障，完成调试标要求。（4）整机联调各单元电路调试过错成后就为整机调试打下了基础。整机联调时应观察各单元电路连接后各级之间的信号关系，主要观察动态结果，检查电路的性能和参数，分析测量的数据和波形是否符合设计要求，对发现的故障和问题及时采取处理措施。4.3 调试过程中出现的问题及解决办法（1）数码管只亮了两段。在第一次焊接中因电路错误而烧坏。解决:去下来重焊一个数码管。(2) 数码管不亮。通过查资料，发现7448可能出问题。解决：将管脚345由接高高高电平改为高高低。（3）通过电压表测电压，发现74ls192置数复位，复位不到0000而是0010。发现B的管脚插歪了。B相当于悬空，是高电平。解决：用镊子掰正，重新插，正常。4.4 焊接成果电路连接完成。5 反思总结与建议1）本文方案只使用了一片DAC0832,相对使用两片要简单一些经济划算一些。但一片中需要码制的转换，这就增加了电路的复杂程度。使焊接不容易完成。2）如果条件允许，可以多加两片16进制的可逆计数器，按键开关同时驱动两路计数，一路用于显示，一路用于数模转换。参考文献1唐竞新.数字电子电路M.第1版.北京：清华大学出版社，20032康华光.电子技术基础M.数字部分.第4版.北京：高等教育出版社,19983电子工程手册编委会等.中外集成电路简明速查手册M-TTL,CMOS.北京：电子工业出版社,19914杨长春.论数字技术J.电子报合订本.成都：四川科学技术出版社，2002.12设计心得课设中未焊接完成全部的电路，是一件很遗憾的事情，可能在实际动手中自己还存在很大的问题。发现问题是好的，能给我们解决的机会。本次课程设计加深了对数字电子技术理论课程所学知识的理解。仿真中也有不断的出错，调试不出结果。可是最后在不断的、反复的设计和纠错，得到正确的电路和结果，是很值得开心。这样真正的让我理解了书上的一些细节的问题，更加注重实际。通过这次课程设计，我了解了电路设计的一般步骤和设计中应注意的问题，认识了