数控稳压源课程设计

1、课程设计说明书 题目：数控稳压电源设计A学生姓名： 学 号： 院（系）： 专 业： 指导教师： 2015年 3 月26日摘 要数控直流稳压源就是能用数字量来控制电源输出电压的大小，而且能使输出的直流电压能保持稳定、精确的直流电压的设备。它能输出一定范围稳定直流电压，具有一定步进调节、输出电压显示的功能。本设计以固定式三端集成稳压器LM317为核心器件，配合计数器及其它器件构成所需电路。电源设计的主要指标是：输入电压为DC16V，输出电压为直流512V可调，输出最大电流为1.5A，输出最大功率为18W，输出电压误差±0.1V。目 录一、设计任务与要求 .（1）二、设计方案论证 .（1）

2、三、单元电路设计 .（2）3.1 可调稳压电路设计 .（2）3.2 D/A转换电路设计 .（2）3.3 数字控制电路 .（3）3.4 显示译码电路设计 .（5）3.5 电源电路设计 .（6）3.6 电路的简化与优化 .（6）四、调试与测试 .（7）五、总结与体会 .（15）一、设计任务与要求 设计并制作一个数控稳压电源。电源设有“电压增”（UP）和“电压减”（DOWN）两个键，按UP时输出电压步进增加，按DOWN时步进减小。具体要求如下： (1) 输出电压范围为512V，步进为1V； (2) 输出电压的误差±0.1V； (3) 最大输出电流1A。 发挥部分：显示设定电压值；说明：(1

3、) 分别测试输出电压为5V、6V、7V、11V和12V的电压值； (2) 最大输出电流通过设计方案予以保证。参考元器件：74HC191/193，74HC138，LM317，CD4511，S8050/8550，DAC0832，NE5532/TL082，TIP41/2N3055/3DD15。二、设计方案论证根据设计要求，可以把要设计的电路分为4大部分：可调稳压电路、DA转换电路、数字控制电路和译码显示电路。图2-1 系统框图 对于可调稳压电路稳压部分,可采用三端稳压调整器。三端稳压调整器是应用最广泛的电源集成电路之一，它不仅形式简单，电压可调，还具有调压范围宽、稳压性能好、噪声低、波纹抑制比高等优

4、点。本设计选择使用三端正电压稳压器LM317，它的输出电压为1.25V37V DC，输出电流为5mA1.5A,芯片内部具有过热、过流、短路保护电路,最大输入输出电压差为40V DC，最小输入输出电压差为3V DC，完全满足设计要求。D/A转换电路可采用D/A转换器、单片机进行转换，也可以利用电阻搭建一个权电阻网络来进行DA转换，或是利用译码器和三极管构成的电子开关进行转换。电子开关具有结构简单、使用方便和成本低的特点，所以本设计使用了译码器和三极管构成的电子开关进行转换的方案。电路要求在5V12V这八个档位间步进式增加、减小，因此可以采用四位二进制可加减计数器74LS193/74HC193作为

5、数字控制电路的核心元件。输出电压为5V12V，需要显示两位数，这里采用最常用CD4511与七段共阴数码管组成显示电路。三、单元电路设计3.1 可调稳压电路设计LM317是可调节三端正电压稳压器，在输出电压范围1.2V到37V时能够提供超过1.5A的电流，符合设计要求，且易于使用。输出电压可通过调整R2改变，Vo与R2满足图3-1所示关系。V0=Vref (1+R2/R1) (3-1)图3-1 可调稳压电路要实现数控，只需通过数模转换电路对R2的阻值进行调整即可。3.2 D/A转换电路设计设计要求输出电压范围为5V12V，步进为1V，共有八个档位，每个档位对应一个R2的阻值，共8种阻值，因此可以

6、以三极管为电子开关，对这八种阻值进行选择，从而实现输出改变。要输出所需电压，只需选通对应的三极管。因此可以用3-8译码器配合计数器发出选通信号。计数是从5开始，到12结束的，即74HC193输出从0101到1100，而一片3-8译码器的输入只能从000到111，所以先要对3-8译码器进行扩展，使用两片74HC138连接成一个4线-16线译码器。R2的阻值可由V0=Vref (1+R2/R1)计算得出，具体结果如表3-1所示。表3-1 输出电压与调整电阻R2的对应关系输出电压V0R2对应阻值输出电压V0R2对应阻值5V6919V14516V88210V16417V107211V18318V126

7、912V2022图3-2 D/A转换电路3.3 数字控制电路要在512之间加减计数，可以选用四位二进制加减计数器74LS193/74HC193作为数字控制电路的核心元件。加减脉冲可以用微动开关制作。由于计数从5开始，12结束，共八个档位，因此需要将计数器改为8进制。考虑到74HC193输出的数超过9以后，CD4511将会出现消隐，不能直接让计数器从512计数，可以先让计数器从09计数，显示电路的低位可以直接接计数器的输出端。在低位显示0、1、2时高位显示为1，低位显示为5、6、7、8、9时高位显示为0,即高位只显示0、1这两个数，所以高位可以用门电路实现。具体的门电路设计可以采用真值表化简得出

8、，真值表如表3-2所示。表3-2 计数电路逻辑真值表DCBAY1（清零）（置数）100000000111100001111000100110011001101010101010000000000001011111111111 所以逻辑表达式为： Y1（清零）=DB，（置数）=图3-3 数字控制电路3.4 显示译码电路设计按设计要求，需要要显示两位数。本设计使用两个共阴数码管和两片CD4511搭建所需电路。低位与高位独立显示，数码管低位显示09,可以直接接74HC193数据输出端；高位显示01，用门电路实现。低位显示59时高位为0，低位显示02时高位显示1。真值表如表3-3所示。表3-3 显示译

9、码电路高位控制真值表DCBAY（高位）0000000011 0000111100 0011001100 01010101011110000000逻辑关系式：Y（高位）=()+()图3-4 显示译码电路3.5 电源电路设计本设计中使用了许多门电路和74HC系列的电路，他们都需要5V电源才能工作。稳压电路中LM317的工作电压必须大于输出电压3-5V,因此需为LM317提供15V17V的电压，为此需要设计提供供电电源的电路。LM317的工作电压可由学生电源提供，5V电压可由LM7805提供。LM7805 为三端正稳压器件,TO-220 封装，固定的5V输出电压，应用范围广。内含过流、过热和过载保护

10、电路。带散热片时，输出电流可达 1A。图3-5 电源电路3.6 电路的简化与优化虽然电路的各个模块已经设计完成，可以满足所需功能。但总体来看，电路所使用的集成模块较多，尤其是在门电路方面，共使用路五种不同的门，这给后期连线带了极大的不便。因此对电路的优化、简化是极为必要的。 A/D转换模块的简化之前的译码电路中使用了74HC138译码器，74HC183的输出端是低电平有效，当它选通三级管时必须先反向，反相器的加入无意增加了电路的复杂性。查资料可知，74HC238译码器是输出高有效的3-8译码器，正好符合要求。因此优化第电路使用74H238。 清零电路的简化当74HC193加到10的时候，需要对

11、其清零，否则数码管低位将会出现消隐。计数为10的时候3-8译码器仍然有效，所以可以利用3-8译码器的输出端完成清零。同理，显示电路的高位也可以利用3-8译码器的输出端配合门电路进行控制。 输出端的优化在设计电路中，193可以循环计数，当低电压跳变到高电压时，可能会损坏负载，因此必须在计数器加至12V或减至5V时对输出进行锁定。改进后的电路如图3-6所示。图3-6 简化与优化后的电路四、调试与测试电路设计完成后，还需要用仿真软件对电路图通过进行实时模拟，模拟出实际功能，然后通过分析进行改进，从而能够实现电路的最优化。本设计使用Multisim进行仿真。经过仿真，整体电路完全满足设计需求，达到了预

12、期的效果。仿真通过后，就可以开始焊接了。焊接后的成品如图所示。图4-1 焊接完成后的正面效果图图4-2 焊接完成后的背面效果图在电路组装过程中，本设计采用模块化思想，即先连单元电路，待单元电路实现预期功能后，再将各个单元逐个连接起来调试。单元出错时可以很快的找到错误并改正，所有单元电路都实现功能后，再以计数电路为核心将其它单元电路依次连入，每连入一个单元电路调试一次，这样节省了大量检查错误的时间，降低了调试的难度。在连线过程中，计数和显示电路基本没有问题题，值得一提的是，设计电路全部采用的是CMOS器件，CMOS器件不使用的引脚不能悬空，由于在一开始的焊接中没有注意到这一点，计数电路出现了不稳

13、定的情况，当手靠近电路是数码管忽亮忽暗。将悬空引脚接地后，这类问题立即消失。对于译码电路和稳压输出电路，由于在仿真过程中使用的电阻大多是非标准的，需要用标准电阻凑配或是用电位器代替，考虑到精度要求，本设计使用标准电阻凑配。在实际连线中，导线及焊点的电阻都可能影响电压输出的精度，所以理论计算的电阻值只能作为一个参考值，电阻大小的选择需要根据实际输出决定。由于固定电阻阻值不易调整，使得整个调试的过程变得很麻烦，这是本设计的缺陷之一。作为一个稳压器，在整个电路连接调试好后，还有最重要的一步，就是测试稳压器的转换精度，和带负载能力，判断其是否满足设计要求。测试结果如图：转换精度测试电流测试图4-3 理

14、论输出5V时的测量值图4-4 理论输出10V时的测量值图4-5 理论输出12V时的测量值带负载能力测试（以电阻10功率 20W的水泥电阻作为负载）图4-6 理论输出9V带负载后的测量值图4-7 理论输出12V带负载后的测量值输出电流测试图4-8 理论输出9V带负载后的电流图4-9 理论输出12V带负载后的电流五、总结与体会在本次设计制作的是一个简单的数控稳压源，设计思想很简单，电路也不是很复杂，可是看似很简单的电路，真正要动手把它制作出来，并不是一件简单件事。原因有很多，首先是我们没有经常动手设计过电路，俗话说孰能生巧，只有经常动手，设计起来才会得心应手。其次是理论与实际存在差距，理论设计其实

15、很简单，只要电路知识扎实，设计过程不需要很长时间，但在材料准备和焊接过程中还是会遇到很多问题，例如需要考虑元器件的型号，需要考虑成本，还需要考虑焊接过程中的许多问题。另外我们还需要查阅资料，许多元器件的资料是英文的，这还考查了我们的外语能力。这一系列的问题都要求我们在以后的学习中，应该注重自己的能力培养，重要的是我们要学会把从书本中学到的知识和实际联系起来，这不论是对我们以后就业还是学习，都会起到很大的促进和帮助，我相信，通过这次的课程设计，在以后的学习中我会更加努力，力争把自己所学的课程学好、学精。当我完成设计作品后，再次反思，我觉得我的设计其实还有很大的改进余地。设计之初我是以参考原件为中

16、心构思的，计数器计数选择了十六进制计数器74HC193，其实在使用中是把它当作十进制来使用的，如果一开始就使用十进制加减计数器的话，电路可以更加加单。另外本设计使用的是实验室提供的16V电源，对于一个稳压器来说这是不合理的，它应该使用市电220V供电，这样才具有实用性。考虑到安全性，因此省略了这部分电路的设计。如果使用交流电，还需要考虑滤波与电网波动的问题。当然，本设计也有许多优点。首先它电路简单，使用方便。其次是它制作成本很低，使用的都是常用元件。另外它的输出精度也佷不错，抗干扰能力很强。总的来说，这次设计是对我个人能力的极大提高。它让我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。同时，也起到了自我测验的作用，使我认识到自己哪方面有欠缺、不足，以便于在日后的学习中得以改进、提高。通过使用电路CAD 软件Multisim 、Proteus、Protel， 让我了解到计算机辅助设计的智能化,高效率。通过此次课程设计，我觉得自己充实了许多，首先，我运用自己所学的知识独立设计出了满足使用要求的使用电路;其次我学会了多款CAD软件的使用，这对以后的就业和