数控直流稳压源设计.doc

NANHUA University电子技术课程设计设计题目： 数控直流稳压源设计 专 业： 自动化 年 级： 07级 学 号： 20074460341 姓 名： 吴兴传 指导教师： 王旭东 2 0 1 0年 01 月 19 日一、引言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、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。本文所介绍的数控制流稳压电源与传统的稳压电源相比，具有可操作性，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别，或科研试验用电源，并且此设计，没有用到单片机，只用到了数字技术中的可逆计数器，D/A转化器，译码显示等电路，具有控制精度高，制作比较容易等优点。二.方案设计与论证2.1方案设计 方案1：该方案采用传统的调整管方案，主要特点在于使用一套双计数器完成系统控制功能，其中二进制计数器的输出经过D/A变换后去控制误差放大的基准电压，以控制输出步进。十进制计数器通过译码后驱动数码管显示输出电压值，为了使系统工作正常，必须保证双计数器同步工作。如图1-1所示： 图1-1方案2：采用8031单片机，输出部分在D/A转换后，经过稳定的功率放大而得到，如图1-2所示： 图1-22.2方案论证（1）数控部分：方案1采用了中小规模器件实现系统的数控部分，使用芯片很多，造成控制电路内部接口信号繁琐，中间相互关联多，抗干扰能力差，而方案2采用8031单片机完成整个数控部分的功能，同时，8031作为一个智能的可编程器件，便于系统功能的扩展。（2）输出部分：方案1采用线性调压电源，以改变其基准典雅的方式使输出步进增加/减小这样要考虑整流滤波后的纹波影响，方案2使用运算放大器做前级的功率放大电路，由于运算放大器具有很大的电源电压抑制化，可以大大减小输出纹波电压。 （3）显示部分：方案1的显示输出是对电压的量化值进行译码输出，显示值为D/A变换的输入量，由于D/A变换与功率驱动电路引入的误差，显示值与电源实际输出值之间可能出现较大偏差。方案2采用三位半的数字电压表（DVM）直接对输出电压进行采样并显示输出实际电压值，且系统工作异常，出现预置值与输出值偏差过大，用户可以根据该信息来处理。三、单元电路设计与参数计算根据要求-输出电压：099V步进可调，调整步距01V；输出电流：500mA；精度：静态误差1%FSR，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；输出电压预置：输出电压可预置在099V之间的任意一个值；自制电路工作所需的直流稳压电源，输出电压为15V，+5V。可以设计这样一个方案：数控直流稳压电源共有六个部分，输出电压的调节时通过+、-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，以及一组未经稳压的12V17V的直流电压。此下所讲的数控电源就是对此组电压进行控制，是输出09V的稳定可调直流电压。此原理方框图如下方框图1所示3.1、“+”、“-”键控制的可逆计数器的设计此部分电路主要用两个按键开关作为电压调整键，与可逆计数器的加计数CPU时输入端和减计数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/减集成块74LS192级联而成。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他芯片，比较容易找到。3.1.1、工作原理由于输出电压从09.9V可以调节，所以74LS192两计数器总计数范围从00000000到10011001（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，此芯片封装和工作模式如下图2所示.、PL是低电平有效地预置数允许端，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变为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0时，TCD在时钟的后半个周期（CPD=0）内变成低电平，其他情况均为高电平。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CPU、CPD就可以级联使用，这就达到了099的计数。3.1.2、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和74HCT192等。3.2、数字显示电路设计3.2.1、工作原理数字显示驱动采用两块74LS48，74LS48为四线七段译码驱动器，如图所示， 内部输出带上拉电阻，它把从计数器传来的二十进制码，驱动数码管显示数码。具体功能如下图3真值表所示:74LS48，七段译码器，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为灭灯输出信号，用来动态清零，IB/QBR为灭灯输出信号，改端既可以作输入也可以作输出，具体工作如上真值表所示。3.3、D/A转换电路（数模转换器）的设计3.3.1、DAC0832工作原理介绍数模转换电路，采用两块DAC0832集成块，它是一个8位数/模转换电路，这里只是用高4数字量输入端。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，低位DAC输出模拟经9：1分流器分流后于高位DAC输出模拟量相加后送入运放，具体实现，有900和100的电阻相并联分流实现，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，运放采用具体有调零的低噪声高速优质运放NE5534.如下图4所示。 图4DAC0832是8分辨率的D/A转换集成芯片。与微处理器完全兼容。这个DA芯片以其价格低廉、接口简单、转换控制容易等优点，在单片机应用系统中得到广泛的应用。D/A转换器由8位输入锁存器、8位DAC寄存器、8位D/A转换电路及转换控制电路构成。DAC0832的主要特性参数如下：* 分辨率为8位；* 电流稳定时间1us；* 可单缓冲、双缓冲或直接数字输入；* 只需在满量程下调整其线性度；* 单一电源供电（+5V+15V）；* 低功耗，200mW。DAC0832结构：* D0D7：8位数据输入线，TTL电平，有效时间应大于90ns(否则锁存器的数据会出错)；* ILE：数据锁存允许控制信号输入线，高电平有效；* CS：片选信号输入线（选通数据锁存器），低电平有效；* WR1：数据锁存器写选通输入线，负脉冲（脉宽应大于500ns）有效。由ILE、CS、WR1的逻辑组合产生LE1，当LE1为高电平时，数据锁存器状态随输入数据线变换，LE1的负跳变时将输入数据锁存；* XFER：数据传输控制信号输入线，低电平有效，负脉冲（脉宽应大于500ns）有效；* WR2：DAC寄存器选通输入线，负脉冲（脉宽应大于500ns）有效。由WR1、XFER的逻辑组合产生LE2，当LE2为高电平时，DAC寄存器的输出随寄存器的输入而变化，LE2的负跳变时将数据锁存器的内容打入DAC寄存器并开始D/A转换。* IOUT1：电流输出端1，其值随DAC寄存器的内容线性变化；* IOUT2：电流输出端2，其值与IOUT1值之和为一常数；* Rfb：反馈信号输入线，改变Rfb端外接电阻值可调整转换满量程精度；* Vcc：电源输入端，Vcc的范围为+5V+15V；* VREF：基准电压输入线，VREF的范围为-10V+10V；* AGND：模拟信号地* DGND：数字信号地 DAC0832的工作方式：根据对DAC0832的数据锁存器和DAC寄存器的不同的控制方式，DAC0832有三种工作方式：直通方式、单缓冲方式和双缓冲方式。由于DAC0832输出级没有加集成运放，所以需外加NE5534相配使用。NE5534封装如下图5所示。IN-为反相输入端，IN+为同相输入端；OUT为输出端；Balance为平衡输入端，主要作用是是内部电路的差动放大器处于平衡状态；COMP/Bal的作用为，通过调节外接电阻，已达到改善放大器的性能和输出电压；VCC+和VCC-为正负电源提供；3.4、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。数控电源各部分工作所需的15V和5V电源有固定集成稳压器7815、7915和7805提供，调整管所需输入电压，经简单整流，滤波即可得到，但要求能提供5A的电流。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NE5534的输入级的反方向输入端，当同相输入IN+和反相输入端IN-有差别时，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。四、本设计总体图示4.1、总体控制电路如图6：图6附图：按图6原理图在protel中的仿真图附图4.2、本设计主要电源供给电路如图7： 图74.3、保护电路（主要利用蜂鸣器）五、电路调试调节步骤如下：2.5.1、输入数字00000000，短接RE1、RE2、RF调运放调零电位器RW，用数字万用表检测，是输出电压Vo=0。2.5.2、输入数字10011001，调整RE1、RE2、RF是输出电压Vo达到预定的满量程9.9V。2.5.3、主要技术指标本文所设计的数控制流电源的电压输出范围为09.9V，步进电压为0.1V，输出纹波电压不大于10mv，输出电流小于等于500mA。六、改进措施本电源输出电压大小受到限制，在需要较高输出电压时，且在不改变调节精度（即步进电压值）前提下，只要增加计数器的级联数和相应的D/A转换器的个数，扩大数显指示范围，配合选用高电压输出运放，就能满足要求。当需要正负对称输出电压时，只要另增一组电源，对D/A转换器及调整输出电路稍作改动即可达到目的。七、结论与心得在本次设计过程中，对纹波有严格要求，而稳压集成电路可以满足要求。在电路中采用了模拟器件和数字器件，所以需要5V和15V电源供电。本设计输出的电压稳压精度高，可以用在对直流电压要求较高的设别上，或在科研实验室中当做试验电源使用。在本次设计的过程中，我发现很多问题，看似很简单的电路，要动手把它设计出来，不是一件容易的事，主要原因是以前好少动手设计过电路。还有资料的查找和筛选也是一难题，这就要求在以后的学习中，应该多了解各类芯片和集成电路的功能，更重要的是我们要学会把从书本上学到的知识和实际的电路联系起来，这不论是对我以后的学习和就业来说，都会有帮助的。我相信，通过这次的课程设计，对我的动手能力有了一定的提高。同时，通过本次课程设计，巩固了我以前学习过的数电和模电等专业知识，也使得我把理论与实践从真正意义上结合起来，考验了我借助互联网搜集、查阅相关文献资料和组织材料的综合能力；从中可以自我检测，充分认识到自己的欠缺与不足，以便于在日后的学习工作中得以改进和提高。通过使用Protel 99等电