数控直流稳压电源课程设计教材.docx

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数控直流稳压电源课程设计教材

XXXXX大学

电子课程设计报告

题目：

数控直流稳压电源

系名

专业

年级

姓名

指导教师

xxxx年x月xx日

1课程设计的目的…………………………………………………3

2课程设计题目的描述和要求……………………………………3

3课程设计报告内容………………………………………………3

3.1总体设计方案及总体方框图………………………………3

3.2单元电路设计及工作原理…………………………………4

3.3元件型号及参数……………………………………………9

3.4元件清单……………………………………………………13

3.5系统总体电路图……………………………………………13

3.6系统的调试步骤及方法……………………………………15

3.7测试结果……………………………………………………15

3.8调试过程中的问题及解决办法……………………………16

4总结………………………………………………………………16

参考书目……………………………………………………………17

1.

课程设计目的

能够掌握并实际运用课本知识。

能够利用所学的电子技术知识正确分析并设计电路，将适当芯片运用到实际电路中，将课本知识转化为实际能力。

2.课程设计题目的描述和要求

设计一个可以通过数字量输入来控制输出电压大小的直流稳压电源。

其具体指标如下：

1．输出电压范围为0~9V，纹波电压小于10mV。

2．输出电流为500mA。

3．输出直流电压能步进调节，由“+”、“-”两键控制电压步进增和减，步进值为1V。

4．输出电压由数码管显示。

5．包括设计系统工作的辅助电源。

3.课程设计报告内容

3.1总体设计方案及总体方框图

根据设计任务要求，数控直流稳压电源的工作原理框图如下图所示。

主要包括三大部分：

数字控制部分、D/A变换器及可调稳压电源。

数字控制部分用“+”、“-”按键控制一可逆二进制计数器，二进制计数器的输出输入到D/A转换器，经D/A转换器转换成相应的电压，此电压经过放大到合适的电压值后，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。

3.2单元电路设计及工作原理

3.2.1数字控制电路

数字控制电路的核心是一个可逆二进制计数器，可采用同步、可预置、双时钟可逆计数器74LS192来完成。

为了消除按键的抖动，避免输出的误动作，分别在“+”、“-”按键和计数器之间加入一个74LS123单稳触发器每按键一次时产生一个100mS左右的单脉冲，可控制计数器在0000~1001之间计数，从而控制输出电压的变化。

3.2.2D/A转换电路

D/A转换电路是将数字量转换成模拟量。

在此可采用权电阻网络D/A转换电路和电压可上下偏移的反相器构成。

运算放大器可采用LM324集成四运算放大器来完成。

该电路的输入信号接四位二进制计数器的输出端，设计数器输出高电平为UH≈+5V，输出低电平UL≈0V。

则输出电压表达式为:

Uo1=-Rf〔UH/8R·D0+UH/4R·D1+UH/2R·D2+UH/R·D3〕

=-RfUH/23R〔23D3+22D2+21D1+20D0〕

设Uo2=-Uo1（UIN）.当D3D2D1D0（Q3Q2Q1Q0）=1001时,要求UIN=10V，即：

9=RfUH/23R×9

当UH=5V时，Rf=1.6R.取R=10KΩ,Rf由10KΩ电阻和电阻10KΩ电位器串联组成。

3.2.3可调稳压电路

可调稳压电路是由集成稳压电路LM7805和运算放大器构成。

为了满足稳压电源最大输出电流500mA的要求，可调稳压电路选用三端集成稳压器CW7805，该稳压器的最大输出电流可达1.5A，稳压系数、输出电阻、纹波大小等性能指标均能满足设计要求。

要使稳压电源能在0~9V之间调节，可采用下图所示电路。

设运算放大器为理想器件，所以UN≈UP。

又因为：

UP=（R2/R1+R2）UIN，UN=U0-（R3/R3+R4）×5

所以，输出电压满足关系式

U0=UNI·（R2·/R1+R2）+（R3/R3+R4）×5

令R1=R4=0，R2=R3=1KΩ。

则U0=UIN+5。

由此可见，U0与Uin之间成线性关系，当UIN变化时，输出电压也相应改变。

若要求输出电压步进增或减，UIN步进增或减即可。

3.2.4译码显示电路

译码器的作用是将计数器的计数结果进行二-十进制译码，并驱动数码管用十进制符号显示出来。

译码器采用BCD输入的4线-7段锁存译码器CC4511，显示器用七段共阴极半导体显示器SM4205，译码器和显示器之间应接限流电阻，防止电流过大烧坏数码管。

3.2.5输入直流电源产生电路（整流滤波电路）

首先确定整流电路结构为桥式电路；滤波选用电容滤波。

电路如下图所示。

仿真电路图：

电路的输出电压UI应满足下式：

U≥Uomax+（UI-UO）min+△UI

式中，Uomax为稳压电源输出最大值；（UI-UO）min为集成稳压器输入输出最小电压差；URIP为滤波器输出电压的纹波电压值（一般取UO、（UI-UO）min之和的确良10%）；△UI为电网波动引起的输入电压的变化（一般取UO、（UI-UO）min、URIP之和的10%）。

对于集成三端稳压器，当（UI-UO）min=2~10V时，具有较好的稳压特性。

故滤波器输出电压值：

UI≥15+3+1.8+1.98≥22（V）,取UI=22V.根据UI可确定变压器次级电压U2。

U2=UI/　1.1～1.2≈（20V）

在桥式整流电路中，变压器，变压器次级电流与滤波器输出电流的关系为：

Ｉ2=（1.5～2）II≈（1.5～2）IO=1.5×0.5=0.75（A）.取变压器的效率η＝0.8,则变压器的容量为

P=U2I2/η=20×0.75/0.8=18.75（W）

选择容量为20W的变压器。

因为流过桥式电路中每只整流三极管的电流为

ID=1∕2Imax=1/2IOmax=1/2×0.5=0.25（A）

每只整流二极管承受的最大反向电压为

选用三极管IN4001，其参数为：

ID=1A，URM=100V。

可见能满足要求。

一般滤波电容的设计原则是，取其放电时间常数RLC是其充电周期的确2～5倍。

对于桥式整流电路，滤波电容C的充电周期等于交流周期的一半，即

RLC≥（2～5）T/2=2～5/2f,

由于ω＝2πf,故ωRLC≥（2～5）π,取ωRLC＝3π则

C=3π/ωRL

其中RL=UI/II，所以滤波电容容量为

C＝3πII/2πfUI＝（3π×0.5）/2π×50×22＝0.681×103（μF）

取C=1000µF。

电容耐压值应考虑电网电压最高、负载电流最小时的情况。

UCmax=1.1×

U2max=1.1×

×20≈31.1（V）

综合考虑波电容可选择C=1000µF，50V的电解电容。

另外为了滤除高频干扰和改善电源的动态特性，一般在滤波电容两端并联一个0.01～0.1µF的高频瓷片电容。

3.2.6辅助电源电路

设计一个满足系统工作直流电源电路，提供芯片工作电压。

3.3元件型号及参数

74LS192主要电特性的典型值

型号

fc

Pd

74LS192

32MHZ

95MW

74LS192的清除端是异步的。

当清除端（MR）为高电平时，不管时钟端（CPd、CPu）状态如何，即可完成清除功能。

74LS192的预置是异步的。

当置入控制端（TL）为低电平时，不管时钟CP的状态如何，输出端（QO~Q3）即可预置成与数据输入端（PO~P3）相一致的状态。

74LS192的计数是同步的，靠CPd、CPu同时加在4个触发器上而实现。

在CPd、CPu上升沿作用下QO~Q3同时变化，从而消除了异步计数器中出现的计数尖峰。

当进行加计数或减计数时可分别利用CPd或CPu，此时另一个时钟应为高电平。

当计数上溢出时，进位输出端（TCU）输出一个低电平脉冲，其宽度为CPu低电平部分的低电平脉冲；当计数下溢出时，错位输出端（TCD）输出一个低电平脉冲，其宽度为CPd低电平部分的低电平脉冲。

当把了Cd和了Cu分别连接后一级的CPd、CPu，即可进行级联。

逻辑图如图所示。

74LS192逻辑图

引出端符号见表所示。

74LS192引出端符号

D

错位输出端（低电平有效）

U

进位输出端（低电平有效）

CPd

减计数时钟输入端（上升沿有效）

CPu

加计数时钟输入端（上升沿有效）

MR

异步清除端

P0～P3

并行数据输入端

异步并行置入控制端（低电平有效）

7805系列为3端正稳压电路,TO-220封装，能提供多种固定的输出电压，应用范围广。

内含过流、过热和过载保护电路。

带散热片时，输出电流可达1A。

虽然是固定稳压电路，但使用外接元件，可获得不同的电压和电流。

LM324中文资料,LM324应用电路图,引脚图（管脚）

LM324系列运算放大器是价格便宜的带差动输入功能的四运算放大器。

可工作在单电源下，电压范围是3.0V-32V或16V.

LM324的特点：

1.短跑保护输出

2.真差动输入级

3.可单电源工作：

3V-32V

4.低偏置电流：

最大100nA（LM324A）

5.每封装含四个运算放大器。

6.具有内部补偿的功能。

7.共模范围扩展到负电源

8.行业标准的引脚排列

9.输入端具有静电保护功能

LM324引脚图（管脚图）

SN74123双可重触发单稳态触发器（有清除端）

SN74123引脚图（管脚图）：

引出端符号：

CEXT1、CEXT2外接电容端Q1、Q2正脉冲输出端/Q1、/Q2负脉冲输出端/CLR1、/CLR2直接清除端（低电平有效）A1、A2负触发输入端B1、B2正触发输入端

3.4元件清单

相关芯片、元器件

主要用途

数量

74LS192

十进制可逆加减计数器

1

SN74123

双可重触发单稳态触发器

1

LM324

运算放大器

1

CW7805

稳压输出

1

1N4001

构成电桥,实现交流变直流

4

100K电位器

调节输出电压

1

10K电位器

调节输出电压

1

按键

实现加减计数

2

降压变压器220v—20v

降压

1

数码显示管

显示电压值

1

电阻、电容

降压、分压，滤波等等

电阻：

1k3个

10K8个

9.1K1个

16K1个

20k1个

39k1个

82k1个

电容：

0.1uf3个

1mf1个

3.5系统总体电路图

3.6系统的调试步骤及方法

1．辅助电源的安装调试

在安装元件之前，尤其要注意电容元件的极性，注意三端稳压器的各端子的功能及电路的连接。

检查正确无误后，加入交流电源，测量各输出端直流电压值。

2．单脉冲及计数器调试

加入5V电源，用万用表测量计数器输出端子，分别按动“+”键和“-”键，观察计数器的状态变化。

3．D/A变换器电路调试、

将计数器的输出端Q3～Q0分别接到D/A转换器的数字输入端D3～D0，将电压表一端接LM324的1脚，按动开把数码管显示器上调到0—9，调节10k的滑动变阻器，使电压表显示0~-9v,同理，将电压表接到LM324的7脚，调节100k的滑动变阻器，使电压表显示-5v~4v，

4．可调稳压电源部分调试

将电路联接好，将电压表接到输出端，调节100k的滑动变阻器，使电压表显示0v~9v。

将上述各部分电路调节器试好后，将整个系统连接起来进行通调。

3.7测试结果

数码显示

D/A转换电压

反相器输出电压

输出电压

0

-0.725

-4.347

0.774

1

-1.681

-3.380

1.727

2

-2.799

-2.254

2.841

3

-3.755

-1.289

3.791

4

-4.141

-0.896

4.166

5

-5.092

0.063

5.099

6

-6.213

1.191

6.624

7

-7.173

2.161

7.190

8

-8.049

3.044

8.025

9

-9.003

4.009

8.969

3.8调试过程中的问题及解决方法

（1）在连接电路的过程中，经常会忘记将芯片供给工作电压，使芯片不能正常工作，导致电路不正常，将芯片通电后电路恢复正常。

（2）芯片74LS192与LM324之间将连接的电阻10k和9.1k进行比较，最后使用9.1k时电路输出电压相对更为精确。

（3）调试输出电压时，输出结果偏差较大，最终调解可变电阻，使输出电压在4V-9V时相对较准确。

（4）在实验连接线路过程中，导线要尽量少，尽量短，这样在检查电路时比较方便，易于寻找错误。

4.总结

随着人们生活水平的不断提高，数字化控制无疑是人们追求的目标之一，它所给人带来的方便也是不可否定的，其中数控直流稳压电源就是一个很好的例子，但人们对它的要求也越来越高，要为现代人工作、科研、生活提供更好的、更方便的设施就需要从电子技术入手，一切向数字化，智能化方向发展。

数控直流稳压电源操作方便，电压稳定度高，其输出电压大小采用数字显示，便于观察选择。

该数控直流稳压电源只用到了数字技术中的4位十进制可逆计数器，BCD十进制译码器，数码管和译码器等电路，具有控制简便，制作比较容易等优点。

虽然，搭接电路过程不太顺利，连接的电路也不是很美观简洁，这也是遗憾的地方。

然而，通过本次课程设计我明白了书本知识不等于实践能力，书本知识是基础，需要靠亲手操作运用到实际中才能真正理解和掌握。

在实际操作过程中需要统筹规划，按步骤按顺序完成相应的任务，同时在搭接电路时要仔细认真，确保每一个环节的正确才能使整个电路正常工作。

此外，要感谢在此前的专业课学习上老师们的精彩透彻耐心的讲解分析。

本次课程设计的成功离不开这两年大学生活的知识积累。

该课程设计用到了电路分析基础、电子线路基础、数字逻辑电路等课程中的大量知识，也离不开在以前诸如电工基础实验、电子技术基础实验（模拟部分）、数字逻辑电路实验等实验课程中老师对我们动手能力的塑造培养。

感谢老师在Multisim10.0仿真软件使用方面对我的辅导，使我能够成功运用仿真软件做仿真电路。

在此，特别感谢xxx老师在这次设计实验中给予我的极大帮助，正因为他认真负责的工作态度和细微全面的讲解才使我能够比较顺利地完成本次设计实验任务。

参考书目:

［1］谢嘉奎，《电子线路线性部分（第四版）》，高等教育出版社，1999.6

［2］李瀚荪，《电路分析基础（第4版）》，高等教育出版社，2006.5

［3］刘常澍，《数字逻辑电路》，高等教育出版社，2008.2

［4］阎石，数字电子技术基本教程，清华大学出版社，2007.8

［5］康光华，《电子技术基础（模拟部分）（第五版）》，高等教育出版社，2006.1