简易数控直流稳压电源

1、电子技术课程设计系 别: 班 级: 姓 名: 学 号: 指导教师: 实践地点: 时 间: 课 程 设 计 任 务 书题 目 简易的数控直流稳压电源 学 院 专 业 班 级 学生姓名 学 号 月 日至 月 日 共 周 指导教师(签字) 院长(主任) (签字) 2014年 9 月 10 日一、课程设计内容及要求课程设计目的1、通过课程使学生掌握电子技术仿真软件的使用方法，了解模拟电路、数字电子电路的基本知识、完成系统设计、实现及验证。2、进一步巩固模拟电路、数字电子电路的理论知识，增强学生解决实际问题的能力。3、通过严格的科学训练使学生逐步树起严肃认真、一丝不苟、实事求是的科学作风。初步建立起一定

2、的生产观点、经济观点和质量观念。4、加深对课堂知识的理解和掌握，理论联系实际，培养学生对本专业的专业兴趣。课程设计要求1、基本知识(1)掌握：模拟电子技术、数字电子技术、电路原理等相关理论知识。(2)掌握；对电子电路静态值的简单计算。(3)掌握：电子电路图的绘制方法和工作原理分析。(4)了解：实际电子产品的基本工作原理。2、基本技能(1)掌握：仿真软件电路原理的设计。(2)掌握：电子元器件的特性、选用及注意事项。(3)掌握：一般电子电路的静态调试。(4)掌握：一般电子电路的动态调试。(5)了解：现代电子电路工艺技术题目要求设计一个简易的数控直流稳压电源要求： 1、 输出电压范围512.5v输出

3、电流500mA。2、 输出电流能步进调节，步进值0.5V。3、 由“+” 、“-”两键分别控制输出电压步进增减。二、设计的原始资料 计数器在数字系统中是对脉冲的个数进行计数，实现测量、计数和控制的功能，同时兼有分频功能，计数器是由基本的计数单元和一些控制门所组成，计数单元则由一系列具有存储信息功能的各类触发器构成。DA转换器是将输入的每一位二进制代码按其权的大小转换成相应的模拟量，然后将代表的各位的模拟量相加，所得的总模拟量就与数字量成正比，这样便实现了从模拟量到数字量的转换。所涉及到的部分核心元器件：运算放大器LM324J、可逆计数器74LS193D、三端集成稳压器LM7805KC、双集成单

4、稳态触发器CD4538BCM、轻触按键、电阻、电容。三、设计完成后提交的文件和图表1设计完成后提交的文件和图表：电路原理图中元件的参数等。2图纸部分：电路原理图的设计,电路仿真分析图 四、进程安排本学期尝试在第*周将实习任务安排给同学们，将电工实训室对学生开放，学生利用课余时间在实验室完成设计任务，边学习课程边实践。若完成作品，交给老师检查即可；若学生没有完成作品，照常在实验室制作即可。教学内容学时地点备注学习讲解0.5天资料查阅与学习，讨论1天分散设计2.5天成果验收1天五、主要参考资料1、模拟电子技术基础 （第3版）王远，机械工业出版社20072、Protel DXP 印制电路板设计指南车

5、京春，中国铁道出版社20043、数字电子技术基础阎石，高等教育出版社20034、电子技术基础（数字部分）康华光，高等教育出版社2004摘要随着时代的发展，电子系统的应用领域越来越广泛，数字电子技术已经普及到了我们的生活、工作、科研等各个领域，电子设备的种类也越来越多，电子设备与人们的工作、生活的关系益密切。任何电子设备都离不开可靠的电源，它们对电源的要求也越来越高。特别是随着小型电子设备的应用越来越广泛，也要求能够提供稳定的电源，以满足小型电子设备的用电需要。本文基于这个思想，设计和制作了符合题目要求的简易数控直流稳压电源。本报告所介绍的稳压电源与传统的稳压电源相比，具有操作方便，电压稳定度高

6、的特点，并且没有用到单片机，只用到了数字技术中的可逆计数器，D/A转换器等电路，具有控制精度高，制作比较容易等优点。直流稳压电源是常用的电子设备，用以保证在电网电压波动或负载改变时，输出稳定的电压。低纹波、高精度的稳压电源在仪器仪表、工业控制及测量领域都有重要的实际应用价值。这里设计的稳压电源输出电压范围为512.5V，额定工作电流为500mA，并具有“+”、“”步进电压调节功能，最小步进电压为10.5V。关键词 LM324J、74LS193D、LM7805KC、CD4538BCM、轻触按键目录一、 系统功能及方案设计 .8 1.1 设计思路 .81.2稳压调节电路 .8 1.3数控可调电压部

7、分 .9 二、 电路模块设计与分析.9 2.1稳压调节电路部分.9 2.1.1 电源变压器 .9 2.1.2 整流电路 .9 2.1.3 滤波电路 .112.1.4 稳压电路 .12 2.2 数字控制部分 .13 2.2.1 CD4538BCM .132.2.2 74LS193D .142.3 模拟/数字转换部分 .15 三、 系统测试与分析.153.1 数字控制部分性能测试 .16 3.2 总电路测试 .16 3.3 结论 .16 四、 课程设计总结.16 附录 系统电路图 参考资料一、 系统功能及方案设计1.1设计思路数控直流稳压电源的工作原理框图如图所示。主要包括数字控制部分、模拟/数字

8、转换部分（D/A变换器）及稳压调节电路三大主体部分。首先分析一下数字控制部分，用+、-按键和触发器产生脉冲信号，进而控制可逆二进制计数器，可逆二进制计数器的输出到D/A变换器，经D/A转换成相应的电压，经放大后去控制稳压电源的输出，来实现输出电压值步进增减。另一方面，稳压调节电路部分经过考虑后决定将市电转换为系统所需的电压，首先应接入变压器降低电压，接着通过整流电路和滤波电路得到所需的直流电压，然后输入到稳压电路中，通过数字控制部分来控制输出，从而达到题目要求，得到所需的直流稳压电源。1.2 稳压调节电路部分（1）电源变压器电源变压器的作用是将电网220V的交流电压变换成整流滤波电路所需要的交

9、流电压。（2）整流电路整流电路将交流电压变换成脉动的直流电压。（3）滤波电路滤波电路通过电容将脉动直流电压的纹波减小或滤除，输出直流电压。（4）稳压电路稳压电路的作用就是稳定输出电压。要满足稳压电源最大输出电流500mA的要求，可调稳压电路要选用三端集成稳压器LM7805KC，而且该稳压器除了最大输出电流满足设计要求外，输出电阻、纹波大小、稳压系数等性能指标均满足要求。1.3 数控可调电压部分(1) 脉冲产生部分通过按键以及触发器实现电压增减的步进和输出。(2) 数字控制电路部分通过可逆计数器（74LS193D）实现8位BCD码的输出。(3) D/A转换从可逆计数器输出的步进变化到控制电压步进

10、变化要经过一个D/A转换器来完成，实现数字电压到模拟电压的转换输出。D/A转换器电路是由反相加法器和电压可上下偏移的反相器构成。二、 电路模块设计与分析2.1稳压调节电路部分2.1.1 电源变压器降压变压器，它将电网220V交流电变成符合需要的交流电压，并送给整流电路，变压器的变化比由变压器的副边电压确定。2.1.2 整流电路用单向导电元件，把50Hz的正弦交流电变换成脉动的直流电。整流电路有单相半波、全波、桥式和倍压整流；三相半波、三相桥式全波整流等多种电路。以下主要介绍小功率电源中常用的单相桥式。为分析简单起见，把二极管当作理想元件处理，即二极管的正向导通电阻为零，反向电阻为无穷大。变压电

11、路单相桥式整流电路：在u2的正半周内，二极管1、2导通，3、4截止；u2的负半周内，3、4导通，1、2截止。正负半周内部都有电流流过的负载电阻RL，且方向是一致的。电路的输出波形如图3所示。 整流电路在桥式整流电路中，每个二极管都只在半个周期内导电，所以流过每个二极管的平均电流等于输出电流的平均值的一半，即电路中的每只二极管承受的最大反向电压为22U(U2是变压器副边电压有效值)。单相桥式整流电路输出电压平均值单相桥式全波整流电路中二极管的平均电流和输出电流：单相桥式全波整流电路二极管上承受的最高反向电压： 2.1.3 滤波电路可以将整流电路输出电压的交流部分加以滤除，从而得到比较平滑的直流电

12、压。（1） 电路的组成交流电压经整流电路整流后输出的是脉动直流，其中既有直流成分又有交流成份。滤波电路就是利用储能元件电容两端的电压(或通过电感中的电流)不能突变的特性,将电容与负载RL并联(或将电感与负载RL串联)，滤掉整流电路输出电压中的交流成份，保留其直流成份，达到平滑输出电压波形的目的。这一过程称为滤波。主要有电容滤波电路、电感滤波电路、复式滤波电路、有源滤波电路。根据设计要求，采用了基本的电容滤波电路。（2）电容滤波电路的特点输出电压Uo与时间常数RLC有关，RLC愈大电容器放电愈慢Uo（平均值）愈大。 一般取 （T为电源电压的周期）近似估算： 流过二极管瞬时电流很大，RLC越大Uo

13、越高，负载电流平均值越大整流管导电时间越短iD的峰值电流越大。 一般选关时，取通过以上全波整流电容滤波电路的波形图和分析可以看出：并联电容滤波后，输出电压直流成分（即输出电压平均值）提高了；脉动成分降低了（即输出波形平滑）。电容放电时间常数RLC愈大，放电越慢，输出电压越高，脉动越小，滤波效果越好。输出电压随输出电流（负载电流）增大而下降较低，输出特性较软。滤波电压越大，滤波效果越好，但整流二极管的导通时间越短，其中电流冲击也越大。电容滤波电路适用于输出电压较高，负载电流较小且负载变动不大的场合。2.1.4 稳压电路：稳压电路的功能是使输出的直流电压稳定，不随交流电网电压和负载的变化而变化。因

14、为要求输出电压可调，且输出电流为500mA，所以选择三端可调式集成稳压器LM7805KC。该稳压器的输出电流最大为1.5A。压系数、输出电阻、纹波大小等性能指标均能满足设计要求。电路图如下：图中采用的运算放大器LM324为理想的放大器所以节点6的电压U6与节点23的电压U23相等。U6=U0-R1/(R1+R2)*5 U23=R3/(R3+R4)*UIN U0-R1/(R1+R2)*5=R3/(R3+R4)*UIN 所以当R2 R4等于0时 R1 R3相等的时候 U0与UIN线性相关，当UIN（既模拟量）变化时U0也会随之步增步减。2.2 数字控制部分2.2.1 CD4538BCM CD453

15、8BCM是双集成单稳态触发器，当开关闭合时会产生单稳态脉冲。开关A控制加，开关S 控制减。电路图如下：2.2.2 74LS193D 74LS193D计数器既是双时钟4位二进制同步可逆计数器。该计数器的UP DOWN 接线口分别接入上述两个单脉冲发生器。当脉冲发生器的开关闭合断开时74LS193D接受脉冲同时确定输出是作加计数还是作减计数。可逆计数器接受脉冲后产生作加或者作减的数字信号，通过QA QB QC QD 端口输入至可逆VDAC转换器中，VDAC将数字信号转化成相应的模拟量信号输入稳压可调节电路的模拟量输入端中。为了消除按键的抖动脉冲，引起输出的误动作所以设计了以下装置来消除按键的抖动脉

16、冲如下图： 如图把可逆计数器的清除段既（CLR）端接在了上图所示的电容C5与电阻R9之间，当可逆计数器的CLR端接在高电位时，可逆计数器处在清除状态，当CLR处在低点位时可逆计数器处在正常工作状态，根据这个原理设计了以上的电路。当电路刚刚开始工作的时候，电容处于充电状态相当于短路，此时CLR接在了高电位；一段时间以后电容充满电后，电容有隔绝直流的作用所以相当于短路，此时CLR接在了低电位，可逆计数器74LS193D处于正常工作状态,从而可消除键的抖动脉冲引起输出的误动作。2.3 模拟/数字转换部分该电路由一个反向加法器和电压可上下偏移的反相器构成，输入端接到可逆计数器的输出端，计数器输出的高电

17、平UH为5V，输出的低电平UL0V。由于运算放大器的虚短作用（UP=UN），可得到输出电压Uo1的表达式：Uo1=-Rf(QoUH/8R+Q1UH/4R+Q2UH/2R+Q3UH/R) =-RfUH/23Q3+22Q2+2Q1+20Q0)设Uo1=-Uo2【U1N】当D3D2D1D0(Q3Q2Q1Q0)=111时要求U1n=10V 即10=RfUh/23R*15当Uh=5V时，Rf=1.067R即R=20K,Rf由20K电阻和电阻为10K的电位器串联组成。电位器R10实现的是调节步进电压的作用，电位器R13是调节最小输出电压的作用。三、 系统测试与分析3.1 数字控制部分性能测试每当电压增步进

18、按键按下一次后就会产生一个脉冲，经可逆计数器后就会产生从0000到1010的依次增加的脉冲波形；如果按下电压减步进按键后，又会产生相应的减信号脉冲，从而实现增减步进的功能。经性能测试后从示波器中得到的波形脉冲信号满足所需要求。3.2 总电路测试不断按下电压增减按键，按下增按键，电压就会以0.5v为步进电压增加0.5v，按下减按键，电压又会减少0.5v。因为实验存在误差，所以步进电压会在0.3-0.8v范围内波动，所以所测得的电压与理论电压有偏差。3.3 结论根据我们的调试结果来看，整个设计的电路基本可以实现课设要求的指标，输出电压的范围5V12.5V,可实现以0.5V步进增减，输出的电流可达到500mA,且预置值与实际值之间的误差较小。四、 课程设计总结这次课程设计是内外多元化的实验形式，培养了我们的实践能力、理论联系实际的能力、工程设计能力和创新能力，同时综合作品分小组来做也培养了我们的协作能力。我们通过收集相关资料，比较相关方案，考虑到设计具体难易程度，我们