简易数控直流电流.docx

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简易数控直流电流

1引言

数电子技术课程设计的主要目的是让学生通过一个实际问题的设计过程，巩固和加深"模拟电子技术基础"和"数字电子技术基础"课程中所学的理论知识和实验技能。

通过电路设计、选择器件、购买期间等环节，培养学生的市场素质；通过电路布局布线、焊接等过程，培养学生的工艺素质；通过查阅资料、独立设计过程，培养学生的自主学习能力，通过调试、故障排除过程培养学生的分析问题和解决问题的能力，通过设计小组的合作培养学生的团队精神。

最终通过本课程设计使学生具备独立设计电子电路硬件系统的能力。

电子技术课程设计是电子信息类专业重要的实践性环节，对培养学生理论联系实际的能力起者很重要的作用。

本课程设计编写的宗旨是：

根据教学基本要求结合目前课程设计的实际需要，做到适应性强、有利于学生的基本实践能力的培养。

数控电源与常规可调电源不同，它通过数字量控制输出电压，因此其输出电压不是连续可调，而是步进增减的，根据课题要求，输出电压应从0V调到9.9V，每步0.1V，总计99步。

考虑到要求数控电源最大能输出500mA电流，故选用三端可调电源LM317，通过改变其公共端对地电位的办法来调节输出电压。

因为LM317的固定输出电压为+1.25V，如能使LM317公共端对输出地在不加控制脉冲时输出为1.25V，每输入一个脉冲，公共端电压增加0.1V，输入99个脉冲，LM317公共端电位变为8.65V，即可使数控电源在0～+9.9V范围之间按要求变化

本课程设计具有以下特点：

1提出课程设计题目、内容及要求，让学生独立完成电路设计、元器件的选择、电路的安装和调试、拟定步骤和测试方法等。

这样做既体现了循序渐进，又有利于实践能力的培养。

2所有课程设计将数字电路和模拟电路有机地结合。

课程设计题目新颖，工程实践性强，给出了设计思路、原理框图和主要参考元器件。

3所有课程设计在思考题方面、拓展题方面、分析问题、解决问题方面、团队协作精神方面和评价体系方面等都在实际工作中有所体现。

2方案论证及方框图

2．1根据题目要求制定的设计目标

根据设计要求和使用需要，设计的数控电源具有以下功能：

①电源输出电压范围0。

0—9．9v，步进0。

1v，纹波小于l0mv，输出电压值由数码管显

示。

额定输出电流500mA。

②用户对数控电源的控制，通过键盘进行，键盘设计如图A—2—1所示，通过键盘可以

实现以下控制功能：

选择“单步”后，可通过“+”、“—”以0．1v步长单步增减输出电压。

选择“连续”后，按“+”或“—”则电源自动向正向或负向扫扣，再按“+”或—则扫描停止。

选择“置数”后．用键盘输入两位数，再接“输入”，输出电

压立即跳至输入数值。

选择“三角波”、“方波”或“阶梯波”后，用键盘输入信号参

数．如频率和幅度，再按“输入”，电源就可输出指定的信号波形。

键入“清除”，输出电压立即清零，等待输入下一步的指

令，实现小同功能间的切换。

③关机时可预置输出电压，开机后即自动输出预置电压，预

置电压值由两个九位拔码开关输入。

④整机由自制稳压电源供电，输入交流220V，输出直流+15v和+5v。

⑤由于电源为数控，必须保证电源在加电后到数控建立之前输出电压基本为0，为防止在这段时间内由于输出电压太高而损坏接在电源上的用电器，本电源中采取了措施，能够满足上述要求。

⑥具有完善的保护功能，如果输出端短路或过流，首先硬件保护电路工作，限制输出电流，若过流超过0．5s，则软件保护开始动作，将输出电压置为0，数码管闪烁报警，同时蜂呜器发出声音报警。

软件保护的延时主要考虑了很多用电器接有大容量的滤波电容，刚加电时会有较大的冲击电流，若软件保护太灵敏，就会由于此冲击电流而进入软件保护状态，使电源难以起动。

⑦由于是简易电源，在设计时充分注意成本因素，使电源具有较高的性能价格比。

2．2实现方案及框图

为了完成上向所列的各种功能，将整个电源分成三部分：

数控部分、稳压输出部分和供电部分。

图2-2数控部分、稳压输出部分和供电部分

（1）数控部分主要由数字电路构成，它要完成键盘控制、预置拨码开关输入控制、电压控制字输出、数码管显示控制、电流过流时的软件保护及报警等功能。

数控部分功能较多，若用固定功能的芯片来搭，如74系列，则电路比较庞大，也不经济。

单片机由于价廉、编程灵活、功能强大，成为我们的首选。

通过比较，我们选择了目前广泛使用的INTEL公司的8位单片机8031，与INTEL公司的8096系列16位单片机相比，8031具有明显的价格优势，而且能够满足数控部分的需要。

数控部分的核心是一个8031最小应用系统，包括一片8031CPU，一片2764EPROM程序存储器，——片地址锁存用的74LS373，一片地址译码用的74LS138。

由于数控部分接口较多，包括

图2-3单片机实现数控功能的框图

键盘输入、预置输入、数码显示和电压控制等，8031本身的接口不够用，于是又用了一片8255可编程并行接口。

采用了4x5的键盘作为输入控制，键盘一共用了贝个按钮开关，用8255的PB口和PC口完成键盘输入。

PC口的PC0-PC4作为扫描输出，四口的8031作为扫描施人，每当检测到有键盘输入就产生一个中断，中断送人CPU的INTO，键盘的去抖动通过CPU用软件实现。

CPU的输出电压控制字先送到8255，再由8255的PA口送到稳压输出部分，控制输出电压。

预置电压输入电路包括两个九位的拨码开关和两片10—4线BCD优先编码器74LS147。

两个拨码开关分别表示输出电压的整数部分和小数部分，若九位开关全为“0”，则表示数字0，第几位开关为“l”，则表示数字几，若同时有几个开关为“1”，则以编号最高的开关作为输出。

拨码开关的输出送到74LS147进行10-4的BCD优先编码，编好的BCD码送到8031的P1口。

电源加电时，在韧始化程序中删从门口读入预置值，根据预置值输出电压控制字，实现升机预置。

输出电压值由两位加数码管显示，用两片74LS164移位寄存器静态驱动数码管，CPU把要显示的内容通过串行口（8031的RXD和TXD）送入74LS164。

由于显示只用两位数码管，故采用这种显示方式硬件开销不大，又能节省凹U端口，静态显示也减轻了CPU负担，这种显示方式用在这里是比较合适的。

软件过流保护和报警通过中断实现。

稳压输出电路含有过流检测电路，当电源过流时，过流检测电路输出低电平，送到CPU的INT1申请中断，CPU接收后，延时0．5s，再次检测是否过流，若仍然过流，则软件保护动作，进行以下操作：

电压控制字置为0；控制数码管全灭全亮，交替闪烁2CPU的P11脚送出约lKHZ的方波，经三极管驱动后推动蜂鸣器发出报警声。

数控部分与稳压输出部分的接口有两个，一个是由数控部分到稳压部分的电压控制字，宽度为八位，另一个是稳压部分给数控部分的过流指示信号。

值得一提的是，近年来可编程器件发展很快，规模越来越大，功能越来越强，得到了广泛的应用。

采用大规模的可编程器件完成数控部分的功能也是一种较好的解决方案，具有体积小、改动灵活方便的特点。

现场可编程门阵列FPGA（FieldProgramableGateArray）是新一代的可编程器件，我们用一片FPGA以硬件逻辑电路的方式实现了数控部分酌主要功能，包括单步增减、自动扫描增减、置数和预置以及数码管的显示驱动。

电路有5个输入端；“LOAD”，“CTRL”，“ENTER”，“ADD”（“+”），“SUB”（“—”）。

其中“LOAD”和“CTRL”由两个单刀双掷钮于开关控制，其余的输入端各由一个按键开关控制。

图2-4原理框图

将“LOAD”拔至一例时，电源工作在置数状态，此时，通过两个拨码开关可设定所需的电压值，然后铿入“ENTER”，电路即输出对应的电压控制字井显示电压值。

在关机状态时设好拨码开关，通电时电路就会将其读入并输出和显示，这也就实现了开机预置功能。

将“LOAD”拨至另一例时，电源工作在计数状态，通过“叮见”开关，切换单步增减或自动

扫描增减。

在单步状态时，键入“+”或“—”时，输出电压增或减0．1v在自动状态下，键入“+”或“—”，即开始自动增或减扫描，再键入一次“+”或“—”．停止扫描。

五个输入信号经过控制逻辑，产生BCD计数器的时钟和控制信号。

两个BCD计数器各自输出4位BCD码A和B，分别是输出电压的个位和十位。

A和B送入由两个8位全加器构成的计算电路，求出DA=2（10B+A），作为电压控制字送给稳压输出电路，同时A和B分别经过——个七段译码器驱动数码管显示。

电路中，DA＝2（10B+A）的实现是：

DA＝2（10B十A）＝20B+2A＝16B十4B十2A

这样A和B就可如图2-4所示接人两个全加器的相应各位，实现DA的计算。

为消除拉链的抖动，在两个BCD计数器的时钟端还加入由两个D触发器和与门组成的消振电路。

以上全部功能用一片XC3020LCC实现，该芯片是XILINX公司FPGA系列芯片中规模较小的一个，内部有64个CL8，完成上述功能用了其中的51个。

（2）稳压输出部分这部分特数控部分送来的电压控制字转换成稳定电压输出，电路主要由D／A转换、稳压输出、过流保护、过流保护指示和延时启动等几部分组成。

电压输出范围0—9．9V，步长0.1v，共有100种状态，8位字长的D／A转换器具有256种状态，能满足要求。

设计中用2个电压控制字代表0．1v，当电压控制字从0，2，4，…到198时，电源输出电压为0．0，O．1，…，9．9。

电路选用的D／A转换芯片是DAC0832，该芯片价廉且精度较高。

DACO832属于电流输出型D／A，输出的电流随输入的电压控制字线性变化。

若要得到电压，还需外接一片运放来实现电流到电压的转换。

该运放输入端的输入电流对转换精度影响很大，DAC0832输出的电流在几微安到几十微安间变化，若运放输入端的输入电流为0．1uA（uA741的输入电流约为此值．且有一定变化），则会引入相当于I到2个电压控制字的误差，因此应选用高输入阻抗的运故，如JFET输入的运放LF356，它的输入电流可以忽略。

DACO832需外接基准电压，此基准电压的决定了输出电压的性能，要求基推电压具有高稳定度和低。

图2-5稳压输出部分

纹波，电路选用LM336，—5v作为基准源。

当DACO832采用5v基准电压时，D／A转换电路的满幅输出为5．0v（电压控制字为255时）。

由于实际最大用到电压控制字198，因此D／A部分最大输出电压r1＝198／255）5．0=3．882v。

D／A转换部分输出的电压作为稳压输出电路的参考电压。

稳压输出电路的输出与参考电压成比例，范围是0—9．9v．负载能力大于500mA，纹波小于10Mv。

稳压输出电路采用典型的串联反馈稳压电路．也可以看成是以参考电压作为输入的直流功率放大器。

这部分电路主要由运放U3A和三极管T1、T2构成，迎是大功率三极管。

D／A转换电路输出的电压r1接到运放u3A的同相端，稳压电源的输出经R5、RW3和R6组成的取样电路分压后送到运放u3A的反相端，经运放比较放大后，驱动由T1和12组成的复合调整管。

当电路平衡时，D／A输出电压V1与取样后电压V2相等，R5＝680，及‘＝430，51电位器及风调在中心位置，设稳压电源输出电压为Vout，则

前面已算出控制字为198时，V1=3．882v，这时:

Vout=2.55V1=2.55x3.882V=9.9V

电源最大输出为500mA，假设电源调整管电流放大倍数多B=100，则电源调整管基极最大驱动电流为5mA。

用运放驱动略显不足，因此加一级，将复合调整管接成达林顿形式．若B＝1仍，T1的B＝100，则运放驱动电流降为0.05mA。

保护电路由T3和及Rg构成，设Im为保护动作电流，则当电源输出电流J增加到Im时，Rg上的压降ImxRg使得D管导通，分掉了复合管的基极电流，使输出J不再增加。

电路中人定为，D的导通电压约0．6V，则Rg=0．6v／600mA＝1．0。

过流时的中断申请由运放u3日产生。

当过流发生时，稳压源输出经取样后得到的电压V2低于D／A输出电压V1，U3A输出正向饱和，使得U3B的反向端电位升高，仍B输出低电平．产生中断申请信号。

稳压输出部分的延时启动是这样实现的，在基准电压源LM336中—5V的两端并了一只3．3uF的电容，电路固中编号C2。

开机通电时，由于物的存在，基准源基本为O，这时无论D／A的输入是何值，D／A输出接近0，整个电源输出也接近0。

延时电路的时间常数由R3（7．5K）、RW2（10K）和最（3．3uF）决定：

而程序加载可在几个毫秒内完成。

（3）供电部分供电部分输入220v、50HZ交流电，输出全机所需的三种电压：

+5v,+15V和—15v。

+5V主要供数控部分和D／A转换芯片使用，电流最大约为400mA；+15V作为运放的正电源，同时也是稳压输出电路的主电源，最大电流约650mA;-15v作为运故的负电源同时也给基准电压泥（LM336，—5．0v）供电，该电流较小，不超过50mA。

供电部分的电路见图2-5。

这部分电路比较简单，不作详述，要说明的就是由于+5V和+15v需提供较大电流，因此相应的滤波电容取值较大，均为2200uF，—15v电流很小，滤波电容取470uF即可。

7815和7805负载重、功耗大，加装了散热片，7915无需加散热片。

这样在保证性能的同时也降低了成本。

3单片机工作的流程图

程序的设计采用了模块化的思想，有一个主控程序、六个应用程序，还有键盘中断程序和过流保护中断程序。

3.1主控程序

主控程序首先进行系统韧始化，然后读人预置电压值，输出相应的电压控制字，等待键盘输入。

根据键盘的不同输入，用旋转方式转入相应的应用程序，执行后，若用户又输入“清除”，则输出电压控制字0，返回初始状态。

图3-1主控程序

3.2应用程序

每个应用程序都根据每一步的馒盘输入，进行相应的控制操作，按错键认为输入无效，按“清除”则返回初始状态。

应用程序1（“单步”）框图如图3-2；

应用程序2（“连续”）框图如图3-3；

应用程序3（“置数”）框图如图3-4；

图3-2“单步”3-3“连续”3-4“置数”

图3-5“三角波”

应用程序4、5和6仅波形不同，框图相同，以“三角波”为例的框图所示。

4电源测试结果

设计完成后，进行了样机制作，稳压输出部分和供电部分各制作了一套，数控部分制作了两套，—·套用单片机实现，另一套用FPGA实现，每套数控部分

均可通过电缆与稳压部分和供电部分相连，组成一台完整的数控电源。

样机完成后进行了严格的功能测试和性能测试，测试结果如下。

4.1功能测试

用单片机控制电源时，输出直流0—9．9v，数码管显示清晰正确。

开机预置电压正确，键盘操作灵活有效，能进行单步或连续扫描；能输出三角波、方波和阶梯波，并且频率和幅度可用键盘输入；输出过流时，软件保护动作正确，输出报警声且数码管交替亮灭。

用侧控制电源时，输出直流0—9．9v，数码管显示清晰正确。

开机预置电压正确，功能开关和按键操作灵活有效，能进行单步或连续扫描。

图4-1功能测试

4.2性能测试

由上面的测量结果可看出，样机达到了设计要求。

5总结

数控电源与常规可调电源不同，它通过数字量控制输出电压，因此其输出电压不是连续可调，而是步进增减的，根据课题要求，输出电压应从0V调到9.9V，每步0.1V，总计99步。

考虑到要求数控电源最大能输出500mA电流，故选用三端可调电源LM317，通过改变其公共端对地电位的办法来调节输出电压。

参考文献

［1］高吉祥．电子技术基础实验与课程设计．北京：

电子工业出版社，2001年．

［2］彭介华．电子技术课程设计指导．北京：

高等教育出版社，1997年．

［3］毕满清．电子技术实验与课程设计．北京：

机械工业出版社，2001年．