数控直流稳压电源实验报告.docx
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数控直流稳压电源实验报告
数控直流稳压电源实验报告
学院：
信息学院
专业：
电气工程与自动化
班级：
12自动化班
姓名：
志强
学号：
126040083
指导老师：
胡乾苗
2014年7月8日
数控直流稳压电源
一、系统初步设计
直流稳压电源框图：
我们只对稳压电路部分进行设计，前三部分利用现成的实验室稳压电源。
即
=实验室稳压电源的输出电压
1.1.1设计任务
设计并制作有一定输出电压调节围和功能的数控直流稳压电源。
1.1.2基本要求
（1）输出直流电压调节围0-15V，纹波小于20mV。
（2）输出电流0-500mA。
（3）稳压系数小于0.2。
（4）输出直流电压能步进调节，步进值为1V。
（5）由“+”、“-”两键控制输出电压步进值的增或减。
（6）用数码管显示输出电压值，当输出电压为15V时，数码管显示为“15”。
1.2基本工作原理
1.2.1串联型稳压电路
稳压电路较常用的串联型线性稳压电路具有结构简单、调节方便、输出电压稳定性强、纹波电压小等优点，其原理图如图1所示。
输入电压为整流滤波电路的输出电压。
稳压电路的输出电压为：
（1-1）
由式（1-1）可知输出电压与基准电压为线性关系，当改变UZ的大小，则输出电压也将发生变化。
如果此基准电压时一个数控基准电压，则此稳压电路就可以构成一个数控的稳压电源。
图1串联稳压电路原理图
1.2.2数控基准电压源
数控基准电压源的原理框图如图2所示。
数控基准电压源的电压大小可以通过可逆计数器预置数据，计数器的容对应于稳压电源的输出电压，同时该计数值经译码显示电路，显示当前稳压电源的输出电压。
计数器的输出送至D/A转换器，转换成相应的电压，此电压去控制稳压电源的输出，使稳压电源的输出电压以1V的步进值增或减。
图2数控基准电压源框图
1.2.3数字直流稳压电源总框图
图3数字直流稳压电源总框图
二．单元电路设计系统
2.1.1单脉冲产生电路工作原理
单脉冲通常可以用按键产生，实际的电路有多种形式，可以由门电路构成，也可以由集成单脉冲触发器构成。
按键闭合：
C充电，τ充=R1C，按键断开：
C放电，τ放=R2C，G：
施密特触发器，有VT+、VT-，则uc与uo的波形为：
2.1.2VCC值估算
根据实验公式：
VT+可根据选用的施密特触发器型号，从下表查得
表1CD40106阈值数值
参数名称
VDD/V
最小值/V
最大值/V
VT+
5
10
15
2.2
4.6
6.8
3.6
7.1
10.8
综上，取Vcc=5V,VT+=3.6V,可计算得到选取R1=0.2R2。
2.1.3R、C估算
按键闭合后，必须能使电容C充电到VT+以上，从而使施密特触发器输出翻转。
设：
充电开始到uC=VT+所需时间为tW。
则：
故：
其中：
综上，若假设手按键时间为1ms，C=0.1uF,R1=0.2R2,且tW必须小于手按键时间，根据实验室器材的具体情况，选取R1=2KΩ.R2=10KΩ.
2.2可逆计数器电路
可逆计数器可直接用74LS192/74LS193实现。
为使D/A转换方便起见，本实验选用十六进制的74LS193。
2.3D/A转换电路
D/A转换电路有多种型号，我们选用最常用的DAC0832D/A转换芯片为例，说明D/A转换电路的设计。
①、部结构
VREF：
参考电压输入端，电压围为±10V；
Iout1：
D/A转换器电流输出端，接外部运放的反相输入端；
Iout2：
D/A转换器电流输出端，接外部运放的同相输入端；
RF：
反馈电阻端，部已有与倒T型网络匹配的电阻R。
接外部运放的输出端。
D/A转换电路有多种型号，我们选用最常用的DAC0832D/A转换芯片为例，说明D/A转换电路的设计。
DAC0832可以有三种基本的工作方式：
双缓冲方式、单缓冲方式、完全直通方式。
根据实验电路要求，选取完全直通方式。
2.3.1D/A转换电路的连接
图4DAC0832完全直通方式连接图
2.3.2D/A转换电路的参数VREF设置
8位D/A转换器的输出电压为：
因计数器输出只有4位，只能接D/A转换器中D0~D7的4位，故输出电压与输入端的选择有关。
1>若选低4位，则：
步进值为：
2>若选高4位，则：
步进值为：
综上所述，根据实验室所提供电源的实际情况和减小实验误差，选取高4位，VREF=-5V。
则
=0.3125V,
2.3.3D/A转换电路的外接运放选取
运放的最大输出电压为：
运放的最大输出电流为：
综上，所需运放的输出电压要大于9.375V，输出电流要大于0.9375mA。
2.4稳压电路
2.4.1稳压电路连接图
2.4.2输入电压UI的确定
由模电知识：
因设计指标：
，一般
故
考虑电源电压波动10%，则：
，即：
取
2.4.3调整管参数选择
设计指标：
由模电知识可知：
选择管子时，应使
据9013、8050、13005的资料可知
13005的参数如下：
Icm=4A；Vce=400V；Pcm=1.5W；
9013的参数如下：
Icm=0.5A；Vce=45V；Pcm=0.625W；
9013的参数如下：
Icm=1.5A；Vce=25V；
综上所述，调整管选取13005
2.4.4集成运放的选取
设计指标：
运放输出电流：
运放输出电压：
综合2.3.3的运放需求，可得集成运放的输出电压要大于15.7V，输出电流要大于500mA/B。
据LM324、LF353的资料可知
LM324参数如下：
单管Vo=3~32V；双管Vo=1.5~16V；
LF353参数如下：
Vo=+/-18V
综上所述，集成运放选取LF353，集成运放的VDD=18V，VEE=-18V。
2.4.5取样电路R1、R2的选取
设计指标：
步进值：
输出电压：
步进值：
则：
由于
=0.3125V，则R1=2.2R2,故选取R1=1O0KΩ的滑动变阻器,R2选取1OKΩ。
2.4.6纹波小于20mV的设置
考虑VREF基本不变，故在实验中可以通过控制滑动变阻器R1的阻值，控制R1/R2的比例，使产生的纹波在２０ｍＶ之。
2.5实验器材
综合上述各个单元电路的器件计算，可知所需元器件如下：
型号
名称
数量
13005
NPN硅三极管
1
LF353
通用集成运放
2
DAC0832
D/A转换芯片
1
CD40106
六施密特触发器
1
74LS193
同步双时钟可逆计数器
1
0.1uF
电容
2
电建
2
2K
电阻
1
10K
电阻
3
100K
可变电阻
1
三、仿真电路设计图
3.1单脉冲产生电路
如右图所示，该单脉冲产生电路由集成单脉冲触发器——施密特触发器构成。
单脉冲可由按键B产生。
按键B每按下一次都会通过施密特触发器产生并传送一个单脉冲。
3.2可逆计数器和D/A转换电路
如右图所示，可逆计数器是直接由74LS193实现的，而D/A转换部分则是由DAC0832D/A转换芯片实现的。
74LS193芯片的4号5号引脚分别是单脉冲信号上升沿和下降沿的信号输入端。
当4号引脚接收到一个单脉冲信号时，计时器会产生‘+1’的任务响应。
反
之，当6号引脚接收到一个单脉冲信号时，计时器会产生‘-1’的任务响应。
而3,2,6,7号引脚则是信号输出端，将信号输出至译码显示器和D/A转换器。
DA0832D/A转换芯片则是起到将数字信号转换成模拟信号的作用。
3.3稳压电路后半部分
如右图所示，分别由NPN硅三极管，LF353集成运放，两个固定电阻和一个滑动变阻器构成调整管部分，比较放大部分，取样电路。
其中，由调节滑动变阻器的阻值来控制R1与R2的比值，进一步调节步进值，提高实验的精确度。
3.4实验设计总电路图
3.5仿真结果
1、当调试至3V时，显示管跟电压表显示
2、当调试至12V时，显示管跟电压表显示
3、当调试至0V时，显示管跟电压表显示
4、由“+”、“-”两键控制输出电压步进值的增或减。
仿真结果符合实验设计要求，清点实验所需器材和实验设备，便可开始焊接实验。
四、系统的焊接组装总结
4．1.使用的主要仪器仪表
电压源、数码管、电烙铁、镊子、万用表、剪刀，导线、线路板等。
4．2.调试电路的方法技巧总结：
整体结构布局的合理性；电子电路的合理布线；元器件的安置要便于调试、测量和更换；采用分块逐个焊接的方法：
此方法的好处在于在焊接好每一块功能块之后都可以及时检验是否焊接成功，以免出现在全部焊接完毕之后再进行检验时无法找到出现问题的部位。
4．3实验测量数据
如下表所示：
数码管
显示
理论输出值（V）
实际测量值（V）
相对误差（V）
0
0
0.00
0.00
1
1
1.01
0.01
2
2
2.00
0.00
3
3
3.02
0.02
4
4
4.01
0.01
5
5
5.01
0.01
6
6
6.00
0.00
7
7
7.02
0.02
8
8
8.00
0.00
9
9
9.01
0.01
10
10
10.00
0.00
11
11
11.02
0.02
12
12
12.00
0.00
13
13
13.01
0.01
14
14
14.00
0.00
15
15
14.99
0.01
误差分析：
纹波系数在20mv以，符合实验要求，实验达到预期目标。
五、实验过程问题总结
问题：
虚焊是电路焊焊接实验中经常会出现的问题。
解决方法：
在每次焊接好一根线路时及时用万用表测量是否导通，可以极大得避免虚焊出现。
问题：
由于焊接时在电路板的背面进行，而元器件都插在正面，所以在焊接过程中背面不方便看出元件管脚尤其是芯片管脚。
易产生错误。
解决方法：
在背面的芯片槽贴一标有管脚号的小纸片或标注记号。
问题：
在所有电路单个分块调试成功之后验证实验最后结果时，发现系统的数字无常的跳变。
解决办法：
重新检查了一遍所有的线路是否有断开或者短路，分块检测了各块的功能。
没有发现问题，经询问老师和查阅发现LF353的正负引脚接错并且未将两个电源的地端连接才导致问题的出现，需将两个电源发生器的地端共接才能实现线路板中所有地线共地。
六：
实验总结
通过本次实验，掌握了制作一个实际电路的整体过程。
首先在进行电路焊接之前必须对电路进行模拟测试，即可以用Multisim等操作软件对电路进行模拟仿真，在保证模拟电路输出误差等实际量值达到预定指标时，才可将电路数据用于实际操作中。
但不可过于理想化，电源的选择不正确，在multisim上可以运行，但在实际操作中可能烧坏芯片。
其次，电路的设计中必须事先掌握了各元件、芯片数据信息，可通过网络查找资料，选取合理电压源，以满足实验室供给。
最后，通过实际电板的焊接，了解了整体结构布局和元器件的安置在一个实际电路中起到的重要作用。
还有由于连接失误，电压正负极接错，导致LF353烧坏，因此，在连接电路时，一定要小心谨慎。
通过本次实验，我更好的利用并掌握堂所学知识并切实运用到现实实验的制作中，进一步掌握模拟电路、数字电路和电路原理等专业知识，进一步提升自己的自主动手操作能力，为以后能够顺利的完成毕业设计打下扎实的基础。
学会的不仅是专业上的技术，还有与他人合作的方法。
这次课程设计让我学会了复杂电路的设计，也学会了实际操作的方法。
同时让我体会了合作的重要性，我和我的搭档就在本次实验中培养了很好的默契。
总体来说，这次的课程设计另我受益匪浅，这将成为我人生中宝贵的经验。
参考文献:
1、《模拟电子技术基础（第四版）》（清华大学电子学教研组编，童诗白、华成英主编）
2、《数字电路逻辑设计（第二版）》（王毓银主编）
3、《电子课程设计与工艺实习指导书》（大学信息科学与工程学院）
4、《模拟电子技术实验指导书》（大学信息科学与工程学院）
5、.doc88./p-.html
6、.elecfans./（电子电路图，电子技术资料）
七.相关芯片介绍
六施密特触发器选用CD40106，芯片原理图如下：
图2、六施密特触发器
计数器选用74LS193，芯片原理图如下：
图3、74LS193原理图
74LS193功能表如下：
清零
置数
加时钟
减时钟
预置数输入
预置数输出
RD
LD
CPu
CPd
D0
D1
D2
D3
Q0
Q1
Q2
Q3
1
x
x
x
x
x
x
x
0
0
0
0
0
0
x
x
D0
D1
D2
D3
D0
D1
D2
D3
0
1
↑
1
x
x
x
x
加计数
0
1
1
↑
x
x
x
x
减计数
表2、74LS功能表
DAC0832是一个8位的CMOS集成电路D/A转换器。
引脚定义如下：
VREF：
参考电压输入端，电压围为±10V；
Iout1：
D/A转换器电流输出端，接外部运放的反相输入端；
Iout2：
D/A转换器电流输出端，接外部运放的同相输入端；
RF：
反馈电阻端，部已有与倒T型网络匹配的电阻R。
接外部运放的输出端。
CS：
片选端，低电平有效；
WR1：
写输入端1，低电平有效，
WR2：
写输入端2，低电平有效；
AGND：
模拟地；图4、DAC0832原理图
DGND：
数字地；
D7~D0：
数据输入端；
XFER：
信号传送控制端，低电平有效。
ILE：
输入寄存器信号允许端，高电平有效；
VDD：
电压端，+5~+15V。
LF353原理图如下图所示：
图6、LF353原理图
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