数控直流稳压电源.docx

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数控直流稳压电源

目 录

第0章摘要………………………………………………………………………………………1

第1章引言

1.1课题提出的背景………………………………………………………………………………2

1.2课题的研究方法………………………………………………………………………………3

第2章 电路设计原理……………………………………………………………………………4

2.1设计原理…………………………………………………………………………4

2.2实现方案……………………………………………………………………………………5

第3章单元电路设计与实现

3.1稳压电源设计

3.1.1电源实现方式……………………………………………………………………………6

3.1.2电路元器件选择…………………………………………………………………………7

3.2数字控制电路

3.2.1可逆计数器设计……………………………………………………………………9

3.2.2电路元器件选择……………………………………………………………………………10

3.3LED显示电路

3.3.1电路工作原理…………………………………………………………………………11

3.3.2电路元器件选择……………………………………………………………………………12

3.3.3LED显示电路总图………………………………………………………………………12

3.4Ｄ/A转换电路

3.4.1电路工作原理………………………………………………………………………………13

3.4.2电路元器件选择……………………………………………………………………………11

3.5输出电路设计

3.5.1电路工作原理…………………………………………………………………………11

3.5.2电路元器件选择…………………………………………………………………………11

第4章电路的测试

4.1实验仪器……………………………………………………………………………………12

4.2测试方法……………………………………………………………………………………

第5章设计软件仿真

5.1仿真软件…………………………………………………………………………………21

5.2仿真效果………………………………………………………………………………23

第6章电路的改进…………………………………………………………………24

第7章总结与体会……………………………………………………………………………25

致谢……………………………………………………………………………………26

参考文献……………………………………………………………………………………27

附录

附录一：

材料清单………………………………………………………………………27

附录二：

总设计图……………………………………………………………………32

数控直流稳压电源

【摘要】随着时代的发展，数字电子技术已经普及到我们生活，工作，科研，各个领域，本文将介绍一种有一定输出电压范围和功能的数控直流稳压电源，同时分析了数字技术和模拟技术相互转换（D/A转换）的基本概念。

直流稳压电源是最常用的仪器设备,在科研及实验中都是必不可少的。

本文所介绍的数控直流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，其输出电压大小采用LED数码管显示，可以用于要求电源精度比较高的设备使用。

经测试，可输出电压0～9.9V，电流≤500mA的稳定直流电源。

【关键字】稳压电源，数控，D/A转换，LED数码管显示

【Abstract】WiththedevelopmentofTheTimes,digitalelectronictechnologyhasspreadtoourlife,work,scientificresearch,allfields,thispaperintroducesAcertainoutputvoltagerangeandfunctionofncdcvoltagesource,andanalysesthedigitaltechnologyandsimulationtechnologyconversion（D/Atransformationofbasicconcepts.

Dcvoltagepoweristhemostcommonlyusedinscientificinstrumentsandequipment,andexperimentsareindispensable.Thispaperintroducesthenumericalcontroldcvoltagestabilizercomparedwithtraditionalmanostat,convenientoperation,highvoltagestability,anditsoutputvoltagecharacteristicofusingLEDdigitaldisplaysize,canbeusedforpipeofrelativelyhighprecisionrequiredpowerequipmentuse.Thetest,butoutputvoltage,current0~9.9Vdcpowersupply500mAacuitiesstable.

【Keyword】Voltage-stabilizedsource，Numericalcontrol，D/Atransformation，LEDdisplay

第1章引言

1.1课题提出的背景

在家用电器以及其他各类电子设备中，通常都需要电压稳定的直流电源供电。

但在实际生活中，都是由220V的交流电网供电。

这就需要通过变压、整流、滤波、稳压电路将交流电转换成稳定的直流电。

滤波器用于滤去整流输出电压中的纹波，一般传统电路由滤波扼流圈和电容器组成，若由晶体管滤波器来替代，则可缩小直流电源的体积，减轻其重量，且晶体管滤波直流电源不需直流稳压器就能用作家用电器的电源，这既降低了家用电器的成本，又缩小了其体积，使家用电器小型化。

随着科技技术的发展，数控制直流稳压电源在现代人的工作、科研、生活、学习中扮演着更为重要的角色，几乎所有的电子电路都需要稳定的直流电源，在检定检修指示仪表时，除了要有合适的标准仪器外，还必须要有合适的直流电源及调节装置。

在一些实验中使用直流电源时，电压产生波动从而引起电路工作的不稳定，对于精密的测量仪器、自动控制或电子计算装置等，将会造成测量、计算的误差，甚至根本无法正常工作。

因此，通常都需要电压稳定的直流稳压电源供电。

直流稳压电源是电子技术常用的设备之一,广泛的应用于教学、科研等领域。

传统的多功能直流稳压电源功能简单、难控制、可靠性低、干扰大、精度低且体积大、复杂度高。

普通直流稳压电源品种很多,但在科研和实验中，直流稳压电源作为一种必备的电子设备得到了广泛的应用，普通的直流稳压电压，当要求输出电压精度高或需要在一个小范围内改变时，困难较大。

本文所介绍的数控直流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，其输出电压大小采用数字显示，主要用于要求电源精度比较高的设备，或科研实验电源使用，并且此设计，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，译码显示等电路，具有控制精度高，制作比较容易等优点。

1.2课题的研究方法

虽然普通直流稳压电源品种很多,但在科研和实验中，直流稳压电源作为一种必备的电子设备得到了广泛的应用，普通的直流稳压电压，当要求输出电压精度高或需要在一个小范围内改变时，困难较大。

而且电路构成复杂，稳定精度也不高。

直流稳压电源是最常用的仪器设备,在科研及实验中都是必不可少的。

针对以上问题,我设计了此数控直流稳压电源，可以大致地将其分为三部分：

数字控制部分、模拟/数字转换部分（D/A变换器）及可调稳压电源。

数字控制部分由‘＋’，‘－’控制可逆计数器，由二进制计数器输出，再输入到D/A变换器，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固定步进值增减.

此数控直流稳压电源具有以下明显优点：

1）易于采用先进的控制方法和智能控制策略，使电源模块的智能化程度更高，性能更完美。

2）控制灵活，系统升级方便，甚至可以在线修改控制算法，而不必改动硬件线路。

3）控制系统的可靠性提高，易于标准化，可以针对不同的系统（或不同型号的产品），采用统一的控制板，而只是对控制软件做一些调整即可。

第2章 电路设计原理

2.1设计原理

本设计意在制作一个具有一定输出电压调节范围和功能的数控直流稳压电源，其数控步进电压精确到0.1V，输出直流电压的调节范围为0～9.9V，输出电流小于等于500mA，同时要求输出电压用LED数码管显示，自制±15V和±5V的直流稳压电源，使用“+”“-”两按键分别控制输出电压步进递增和递减.其原理示意图如图-1所示。

图-1

2.2实现方案

对于图-1所示功能示意图可以进一步拓展为如下图-2所示的数控直流稳压电源设计的系统整体框图.

图-2

简易数控直流稳压电源主要包括三部分：

数字控制部分、模拟/数字转换部分（D/A变换器）及可调稳压电源。

数字控制部分的输出电压的调节是通过“+”“-”两按键操作，步进电压精确到0.1V控制可逆计数器分别作加，减计数，可逆计数器的二进制数字输出一方面用于驱动数字显示电路，精确显示当前输出电压值；另一方面进入数模转换电路（D/A转换电路），数模转换电路将数字量按比例，转换成模拟电压，然后经过射极跟随器控制,调整输出级，输出稳定直流电压。

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固定步进值增减.

为了能使上述几部分电路的正常工作，我们还需要另外自制±15V和±5V的直流稳压电源，及一组未经稳压的12V~17V的直流电压。

此下所讲的数控电源主要就是对此组电压进行控制，使输出0~9V的稳定的可调直流电压。

第3章单元电路设计与实现

3.1稳压电源

3.1.1实现方式

电网供电电压交流220V（有效值）50Hz，要获得低压直流输出，首先必须采用电源变压器将电网电压降低获得所需要交流电压。

降压后的交流电压，通过整流电路变成单向直流电，但其幅度变化大（即脉动大）。

脉动大的直流电压须经过滤波电路变成平滑，脉动小的直流电，即将交流成份滤掉，保留其直流成份。

滤波后的直流电压，再通过稳压电路稳压，便可得到基本不受外界影响的稳定直流电压输出，供给负载RL。

　　直流稳压电源是一种将220V工频交流电转换成稳压输出的直流电压的装置，它需要经过变压、整流、滤波、稳压四个环节才能完成。

其原理图如下图所示：

其中：

（1）电源变压器：

是降压变压器，它将电网220V交流电压变换成符合需要的交流电压，并送给整流电路，变压器的变比由变压器的副边电压确定。

（2）整流电路：

利用单向导电元件（整流二极管），把50Hz的正弦交流电变换成脉动的直流电。

　（3）滤波电路：

可以将整流电路输出电压中的交流成分大的脉动部分加以滤除，从而得到比较平滑的直流电压。

　（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。

3.1.2电路元器件的选择

1变压器的选择：

将电网的220V交流电压变换成整流滤波电路所需要的交流电压

。

变压器副边与原边的功率比为

式中

是变压器的效率。

2整流元件的选择：

首先确定采用的的是整流二极管单相全波整流电路。

电路如图所示。

在u2的正半周内，二极管D1、D2导通，D3、D4截止；u2的负半周内，D3、D4导通，D1、D2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。

3滤波电容的选择：

整流电路里利用具有单方向导电性能的整流器件,将交流电压

整流变换成单方向脉动的直流电压。

再经滤波电路滤除较大的纹波成分,输出纹波较小的直流电压UI。

常用的整流溥波电路有全波整流滤波、桥式整流滤波等。

一般,在全波式桥式整流情况下,根据下式选择滤波电容C的容量：

式中T为输人交流信号周期,因而

；RL为整流滤波电路的等效负载电阻。

4稳压元件的选择：

这里我们采用集成三端稳压器来实现电路的稳压要求。

三端集成稳压器包含7800和7900两大系列，7800系列是三端固定正输出稳压器。

7900系列是三端固定负输出稳压器。

他们的最大特点是稳压性能良好，外围元件简单，安装调试方便，价格低廉，现已成为集成稳压器的主流产品。

7800系列按输出电压可分为5V，6V，9V，12V，15V，18V，24V等产品。

按输出电流可分为0.1A，0.5A，1.5A，3A，5A,10A等产品而7900系列的集成稳压器也有-5V～-14V七种输出电压，输出电流有0.1A，0.5A，1.5A三种规格。

具体型号及参数见下表：

7800系列属于正电压输出，即输出端对公共端的电压为正。

根据集成稳压器的本身功耗的大小，其封装形式分为TO-220塑料封装和TO-3金属壳封装，两者的最大功耗分别是10W和20W（加散热器）。

管脚排列如下图所示：

Ui为输入端，Uo为输出端，GND为公共端。

三者电位关系如下：

UI>UO>UGND（0V）

7900系列属于负电压输出，输出端对公共端呈负电压。

7800和7900的外形相同，但管脚排列顺序不同。

7900的电位分别是：

UGND（0V）>-Uo>-Ui。

4.稳压电源电路图（图要稍加改进，缺少-5V电压）

稳压电源由电源变压器、整流电路、滤波电路和稳压电路组成，

如图-3所示:

图-3

3.2数控部分

3.2.1可逆计数器设计

数控部分电路的核心是一个可逆二进制计数器。

可逆计数器采用两片四位十进制同步加/减计数集成块74LS192连接而成。

计数器数字输出的加/减控制是由“+”、“－”两个按键组成的，与可逆计数器的加计数CPU时钟输入端和减计数CPD时钟输入端相连，对应开关K1、K2。

按下K1（K2）按键，产生的输入脉冲输入到74LS192的CPU（CPD）端，以便控制74LS192的输出是作加计数还是作减计数.为了消除按键的抖动脉冲，引起输出的误动作，分别在K1、K2控制口接入了由双集成单稳态触发器CD4538组成的单脉冲.同时利用7408与门控制CD4538自动清零来达到控制加法器的步进累加.本设计的数字控制部分电路原理见图-4：

注：

参考总体图进行

图-4

3.2.2电路元器件选择

74LS192是双时钟，可预置数，异步复位，十进制（BCD码）可逆计数器。

由于输出电压从0V到9.9V可以调节，所以74LS192两计数器总计数范围恰好为十进制的0～99,而74LS192本身为十进制可逆计数器，所以只需两块这样的芯片级联就可以达到目的。

74LS192的封装管脚图以及功能表如下图-5所示。

74LS192功能表

图—5

注：

PL是低电平有效的预置数允许端，PL=0时，预置数输入端P0~P3上的数据被置入计数器。

MR是高电平有效的复位端，MR=1时，计数器被复位，所有输出端都为低电平。

CPU是加计数时钟输入端，CPD是减计数时钟输入端，当CPU=CPD=1时，计数器处于保持状态，不计数；当CPD=1，CPU由0变为1时，计数器的计数值加1；当CPU=1，CPD由0变1时，计数器的计数值减1。

TCU是进位输出端，当加计数器达到最大计数值时，即达到9时，TCU在后半个时钟周期（CPU=0）内变成低电平，其他情况均为高电平。

TCD是借位输出端，当减计数器计到零时，TCD在时钟的后半个周期（CPD=0内变成低电平，其他情况下均为高电平。

为实现100进制的计数可把第一块芯片的TCU，TCD分别接后一级的CPU，CPD就可以级联使用，这就达到了0～99的计数。

LD为预置输入控制端，异步预置。

CR为复位输入端，高电平有效，异步清除。

CO为进位输出：

1001状态后负脉冲输出，BO为借位输出：

0000状态后负脉冲输出。

3.3LED显示电路

3.3.1电路工作原理（参照书本7448进行编辑）

半导体数码管和液晶显示器都可以用TTL或ＣＯＭＳ集成电路直接驱动。

为此，就要使用显示译码器将ＢＣＤ代码译成数码管所需要的驱动信号，以便使数码管用十进制的数字进行显示出ＢＣＤ码所表示的数值。

数字显示译码器是驱动显示器的核心部件，它可以将输入代码转换成相应的数字显示代码，并在数码管上显示出来。

3.3.2电路元器件选择

因题中要求输出１５Ｖ的电压，故此电路中应使用两片７４４８芯片和两块ＬＥＤ数码管进行电压输出显示。

７４４８为四线七段译码器，内部输出带上拉电阻它把从计数器传送来的二~十进制码，可以直接驱动共阴极的半导体数码管。

7448引脚图

图-6

图-6所示为七段显示译码器7448的引脚图和真值表。

7448，七段译码器，输出高电平有效，适合于共阴极接法的七段数码管使用。

A3，A2，A1，A0，为8421BCD码输入，a,b,c,d,e,f,g为七段数码输出端，输出高电平有效，可直接驱动共阴极显示器。

三个辅助控制端

，以增强器件的功能，扩大器件应用。

LT为试灯输入信号，用来检查，数码管的好坏，RBI为灭零输出信号，用来动态灭零，BI/BRQ为灭灯输出信号，该端既可以作输入也可以作输出。

现简要说明如下：

    1.灭灯输入BI/RBO

    BI/RBO是特殊控制端，有时作为输入，有时作为输出。

当BI/RBO作输入使用且BI＝0时，无论其它输入端是什么电平，所有各段输入a～g均为0，所以字形熄灭。

    2.试灯输入LT

    当LT＝0时，BI/RBO是输出端，且RBO＝1，此时无论其它输入端是什么状态，所有各段输出a～g均为1,显示字形8。

该输入端常用于检查7488本身及显示器的好坏。

 3.动态灭零输入RBI

    当LT＝1，RBI＝0且输入代码DCBA＝0000时，各段输出a～g均为低电平，与BCD码相应的字形

熄灭，故称“灭零”。

利用LT=1与RBI=0可以实现某一位的“消隐”。

此时BI/RBO是输出端，且RBO=0。

    4.动态灭零输出RBO

    BI/RBO作为输出使用时，受控于LT和RBI。

当LT＝1且RBI＝0，输入代码DCBA=0000时，RBO=0；若LT=0或者LT＝1且RBI＝1，则RBO=1。

该端主要用于显示多位数字时，多个译码器之间的连接。

    从功能表还可看出，对输入代码0000，译码条件是：

LT和RBI同时等于1，而对其它输入代码则仅要求LT＝1，这时候，译码器各段a～g输出的电平是由输入BCD码决定的，并且满足显示字形的要求。

与7448功能相同的还有，74LS247，74LS248，CD4511等。

3.3.3LED显示电路总图

图-7

3.4Ｄ/A转换电路

3.4.1电路工作原理

数模转换电路，可以采用两块DAC0832集成块。

DAC0832是一个8位数/模转换电路，其价格低廉，接口简单，转换控制容易等优点。

在这里只使用高4位数字量输入端。

由于DAC0832内部电路不包含运算放大器，所以还需要外接一个运算放大器相配，才构成完整的D/A转换器，低位DAC输出模拟量经9：

1分流器分流后与高位DAC输出模拟量相加后送入运放，具体可以由900Ω和100Ω的电阻相并联分流实现，运放将其转换成与数字端输入的数值成正比的模拟输出电压。

3.4.2电路元器件选择

（1）、DAC0832芯片的选择

DAC0832芯片主要功能引脚的名称和作用如下：

注：

（1）、D7～D0：

8位的数据输入端，D7为最高位。

（2）、IOUT1：

模拟电流输出端1，当DAC寄存器中数据全为1时，输出电流最大，当DAC寄存器中数据全为0时，输出电流为0。

（3）、IOUT2：

模拟电流输出端2，IOUT2与IOUT1的和为一个常数，即IOUT1＋IOUT2＝常数。

（4）、RFB：

反馈电阻引出端，DAC0832内部已经有反馈电阻，所以RFB端可以直接接到外部运算放大器的输出端，这样相当于将一个反馈电阻接在运算放大器的输出端和输入端之间。

（5）、VREF：

参考电压输入端，此端可接一个正电压，也可接一个负电压，它决定0至255的数字量转化出来的模拟量电压值的幅度，VREF范围为（+10～-10）V。

VREF端与D/A内部T形电阻网络相连。

（6）、Vcc：

芯片供电电压，范围为（+5~15）V。

（7）、AGND：

模拟量地，即模拟电路接地端。

（8）、DGND：

数字量地，可与AGND接在一起使用。

（9）、ILE：

输入寄存器允许，高电平有效。

CS：

片选信号，低电平有效。

（10）、WR1：

写信号1，低电平有效。

XFER：

传送控制信号，低电平有效。

WR2：

写信号2，低电平有效。

Rfb：

是集成在片内的外接运放的反馈电阻。

Vref：

基准电压（-10~10V）。

当ILE=1,CS=0,WR=0，输入数据D7~D0存入8位输入寄存器中，当WR2=0，XFER=0时，输入寄存器中所存内容进入8位DAC寄存器并进行D/A转换。

当DAC0832外接运放A构成D/A转换电路时，电路输出量V0和输入D7~D0的关系式为：

DAC0832输出的是电流，因体重要求制作一个直流稳压电源，所以还必须经过一个外接的运算放大器转换成电压。

实验线路如图-8所示。

（参考总图）

图-8

（2）、集成运放的选择

由于DAC0832内部电路不包含运算放大器，所以还需要外接一个运算放大器相配，才构成完整的D/A转换器，运放采用具有调零的低噪声高速优质运放NE5534。

NE5534封装以及接线如下图-9所示。

注：

IN-为反相输入端,IN+为同相输入端；

OUT为输出端；

Balance为平衡输入端,主要作用是,使内部电路的差动放大电路处于平衡状态；

COMp/Bal的作用为,通过调节外接电阻,以达到改善放大器的性能和输出电压;;

VCC-和Vcc+为正负电源供；

3.5输出电路设计

3.5.1电路工作原理

因设计要求输出电压为0~9.9V，电流≤500mA的稳定直流电源。

调整输出级采用运放作射极跟随器，可调稳压电路将D/A转换得到的电压值与5V电压通过一个加法器相加，这样达到了起始电压为5V，再使调整管的输出电压精确地与D/A转换器输出电压保持一致。

为了确保电路的输出电流值达到设计要求（电流≤500mA），可以加入一调整管进行调节，进而达到题目要求。

数控电源各部分工作所需的±15V和±5V电源均可以由本章3.1节所设计的稳压电源提供，调整管所需输入电压，经简单整流，滤波即可得到.

输出电压的调整，主要是运用射极输出器发射极上所接电阻来完成的。

此反馈电阻的主要作用是，把输出电压反馈到NE5534的输入级的反向输入端，当同相输入IN+和反向输入端IN-有差别时，调整输出电压使之趋于稳定，从而达到调整输出电压的目的。

3.5.2电路元器件选择

（1