简易数控直流稳压电源

1、简易数控直流稳压电源 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 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 1 2 3 4 摘要 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

2、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500 mA，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 5 目录 一、 系统功能及方案设计 .8 1.1 设计思路 .8 1.2 稳压调节电路 .8 1.3 数控可调电压部分 .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 .11 2.1.4 稳压电路 .12 2.

3、2 数字控制部分 .13 2.2.1 CD4538BCM .13 2.2.2 74LS193D .14 2.3 模拟/数字转换部分 .15 三、 系统测试与分析 .15 3.1 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 6 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/

4、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。 7 （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。

5、（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

6、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。 8 变压电路 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，

7、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 9 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

8、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

9、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 10 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。因为要求输出电压可调，且输出电流为500mA，所以选择三端

10、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： U1 ? 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 11 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 CD4538BCM是双集成单稳态触发器，

11、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： 12 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。 U4 14 ABCDLOADCLRUPDOWN QAQBQCQDBOCO 74LS193D

12、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冲如下图： 74LS193D 13 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

13、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

14、步进电压的作用，电位器R13是调节最小输出电压的作用。 D0D1D2D3D4D5D6 Vref+ Vref-VDAC8 VCCa A1 VCCa 8V 三、 系统测试与分析 14 D7Output 3.1 数字控制部分性能测试 每当电压增步进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。

15、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，我们确定了最终的实验方案。优化设计，设计出单元电路及整体电路。同时，指导老

16、师全天在实验室给我们答疑解惑，这使我们在具体的问题上少走了很多弯路。设计看似简单实则不易，它需要对各个单元的设计原理，及其具体实现过程，问题解决等都要有充分的了解。同时要有应变能力，往往在设计、调试过程中会出现许多意想不到的事情。总之，需要我们有扎实的理论功底及专业知识做基础，同时要有耐心、毅力，并善于观察，动脑思考。 经过这两个星期的课程设计，我们真正体会到这种综合性的电路实验对于我们的综合实践能力的重要性， 而且我们深刻体会到自己在这方面能力的欠缺，在今后的学习中一定要理论与实际相结合，多动手实验，动脑思考，同时多参加一些类似EDA电子设计大赛等竞赛来激发学习兴趣，真正达到提高综合素质的目的。更让我们体会最深的是团队精神的重要性，在这次课程设计中我们互相信任、互相配合、分工合作,