題 目： 簡(jiǎn)易數(shù)控直流電源

1、題 目： 簡(jiǎn)易數(shù)控直流電源簡(jiǎn)易數(shù)控直流穩(wěn)壓電源設(shè)計(jì)簡(jiǎn)易數(shù)控直流穩(wěn)壓電源設(shè)計(jì)摘要摘要 隨著人們生活水平的不斷提高,數(shù)字化控制無(wú)疑是人們追求的目標(biāo)之一,它所給人帶來(lái)的方便也是不可否定的,其中數(shù)控制直流穩(wěn)壓電源就是一個(gè)很好的典型例子。但人們對(duì)它的要求也越來(lái)越高,要為現(xiàn)代人工作、科研、生活提供更好的更方便的設(shè)施，就需要從數(shù)字電子技術(shù)入手，一切向數(shù)字化和智能化方向發(fā)展。本文所介紹的數(shù)控直流穩(wěn)壓電源與傳統(tǒng)的穩(wěn)壓電源相比，具有操作方便，電壓穩(wěn)定度高的特點(diǎn)，其輸出電壓大小采用數(shù)字顯示，可用于要求電源精度比較高的設(shè)備，或科研實(shí)驗(yàn)電源使用，并且此設(shè)計(jì)，沒(méi)有用到單片機(jī)，只用到了數(shù)字技術(shù)中的可逆計(jì)數(shù)器，D/A 轉(zhuǎn)換器

2、，譯碼顯示等電路；具有控制精度高，制作比較容易等優(yōu)點(diǎn)。 關(guān)鍵詞關(guān)鍵詞 穩(wěn)壓電源；數(shù)控；數(shù)模轉(zhuǎn)換；可逆計(jì)數(shù)題目題目 設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)易數(shù)控直流電源 1. 基本功能實(shí)現(xiàn)： （1） 可輸出電壓：范圍09.9V，步進(jìn)0.1V，紋波不大于10mV。 （2） 可輸出電流： 500mA。 （3） 可輸出電壓值由數(shù)碼管顯示。 （4） 由“+”、“-”兩鍵分別控制輸出電壓步進(jìn)增減。 （5） 為實(shí)現(xiàn)上述幾部件工作，自制一穩(wěn)壓直流電源。 2方案比較與選擇 方案一：A/D和D/A 采用A/D和D/A構(gòu)成直流電源的電路如圖a和圖b所示。采用單片機(jī)構(gòu)成直流電源的電路如圖2.3所示，利用AVR單片機(jī)自帶的D/A口DAC0輸出02

3、.5V的電壓，然后經(jīng)一級(jí)反相放大器和跟隨器，此時(shí)可以輸出0到5V電壓。但是因?yàn)锳/D變換器只能采集0到+2.56V的電壓，所以再在跟隨器后面加一級(jí)反相放大器器然后送回到A/D采樣，MCU比較發(fā)現(xiàn)DAC0輸出為正確電壓時(shí)，則從跟隨器后直接輸出電壓，這樣就可以輸出0到-5V的電壓了。當(dāng)需要正相電壓時(shí)從DAC1口輸出電壓，這時(shí)就不需要反相，其它原理與DAC0相似。 優(yōu)點(diǎn)：精確度高，紋波小，效率和密度比較高，可靠性也不錯(cuò)。 缺點(diǎn)：電路相對(duì)復(fù)雜，AVR單片機(jī)的IO口不能容忍負(fù)電壓，否則會(huì)被損壞。所以，這種方案也行不通。方案二：采用數(shù)字電位器與運(yùn)放到組合 如圖2.4所示，在該方案中我們用兩個(gè)數(shù)字電位器代替

4、了MCU中的D/A，這樣可以降低成本，同時(shí)簡(jiǎn)化電路，從兩個(gè)串連的數(shù)字電位器可以直接輸出-5V到+5V的電壓同上面方案一樣，當(dāng)輸出反相電壓時(shí)在送電壓回A/D采樣時(shí)要先經(jīng)過(guò)一次反相。但同樣存在上面的問(wèn)題。 優(yōu)點(diǎn)：電路結(jié)構(gòu)更簡(jiǎn)單，降低了成本 缺點(diǎn)：因?yàn)閿?shù)字電位器電阻誤差大，且單片機(jī)的A/D口容易損壞。圖 b 數(shù)字電位器與運(yùn)放電路 方案三：采用可逆計(jì)數(shù)器、D/A轉(zhuǎn)換器及穩(wěn)壓電路 采用74LS192,74LS248,DAC0832及7815，7915，7805等進(jìn)行數(shù)顯，穩(wěn)壓設(shè)計(jì)。輸出電壓的大小通過(guò)“+”、“-”兩鍵操作，控制可逆計(jì)數(shù)器分別作加、減計(jì)數(shù)，可逆計(jì)數(shù)器的二進(jìn)制數(shù)字輸出分兩路運(yùn)行：一路用于驅(qū)動(dòng)

5、數(shù)顯電路，指示電源輸出電壓的大小值；另一路進(jìn)入轉(zhuǎn)換電路，轉(zhuǎn)換器將數(shù)字量按比例轉(zhuǎn)換成模擬電壓，然后經(jīng)過(guò)射極跟隨器控制調(diào)整輸出級(jí)輸出所需的穩(wěn)定電壓。 設(shè)計(jì)框圖如下： 經(jīng)過(guò)比較，與實(shí)際情況相結(jié)合，方案四既簡(jiǎn)單，穩(wěn)定度好，能很好的實(shí)現(xiàn)數(shù)控功能。本設(shè)計(jì)采用方案三。3系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 3.1 工作原理 兩按鈕開(kāi)關(guān)作為電壓調(diào)整鍵與可逆計(jì)數(shù)器的加計(jì)數(shù)和減計(jì)數(shù)輸入端相連，可逆計(jì)數(shù)器采用兩片十進(jìn)制同步加/減計(jì)數(shù)塊74LS192級(jí)聯(lián)而成，把第一塊的進(jìn)位和借位輸出端分別接到下一組的加計(jì)數(shù)端和減計(jì)數(shù)端。兩級(jí)計(jì)數(shù)器總計(jì)數(shù)范圍從00000000至10011001（即0到99）數(shù)顯譯碼驅(qū)動(dòng)采用兩塊74LS48集成塊，74LS48

6、為四線七段譯碼器驅(qū)動(dòng)器，內(nèi)部輸出帶上拉電阻，它把從計(jì)數(shù)器傳送來(lái)的二十進(jìn)制的8421碼轉(zhuǎn)換成十進(jìn)制碼，并驅(qū)動(dòng)數(shù)碼管顯示數(shù)碼。 數(shù)模轉(zhuǎn)換電路采用兩塊DAC0832集成塊，它是一個(gè)8位數(shù)模轉(zhuǎn)換器，這里只使用高4位數(shù)字量輸入端。由于DAC0832不包含運(yùn)算放大器，所以需要外接一個(gè)運(yùn)算放大器相配，才構(gòu)成完整的DAC，低位DAC輸出模擬量經(jīng)9:1的分流器分流后與高位輸出模擬量相加后送入運(yùn)放，運(yùn)放將其轉(zhuǎn)換成與數(shù)字端輸入的數(shù)值成正比的模擬輸出電壓，運(yùn)放采用具有調(diào)零端的低噪聲高速率優(yōu)質(zhì)運(yùn)放NE5534。 調(diào)整輸出級(jí)采用運(yùn)放作射極跟隨器，使調(diào)整管的輸出電壓精確地與轉(zhuǎn)換器輸出電壓保持一致。調(diào)整管采用大功率達(dá)林頓管，

7、確保電路的輸出電流值達(dá)到設(shè)計(jì)要求。具體電路如下：123456ABCD654321DCBATitleNumberRevisionSizeBDate:25-Jun-2010Sheet of File:E:學(xué)習(xí)MyDesign.ddbDrawn By:Vcc20Iout111lsbDI07Iout212DI16DI25Rfb9DI34DI416Vref8DI515DI614msbDI713ILE19WR218CS1WR12Xfer17U4DAC0832Vcc20Iout111lsbDI07Iout212DI16DI25Rfb9DI34DI416Vref8DI515DI614msbDI713ILE19

8、WR218CS1WR12Xfer17U1DAC0832abfcgdeVCC1234567abcdefg8dpdp9DS2AMBERCA32618574U7NE553432618574U?NE55343DD15D1K1K4.7KRF500100900RE2500RE1500100ufabfcgdeVCC1234567abcdefg8dpdp9DS1AMBERCACLR14UP5DWN4LD11CO12BO13A15QA3B1QB2C10QC6D9QD7U574LS192CLR14UP5DWN4LD11CO12BO13A15QA3B1QB2C10QC6D9QD7U674LS192BI/RBO4RB

9、I5LT3A7B1C2D6a13b12c11d10e9f15g14U274LS48BI/RBO4RBI5LT3A7B1C2D6a13b12c11d10e9f15g14U374LS48VCCVCCGNDGNDRW10K1K+-GNDVCCVCCVCCVCCGNDGNDUINERU0ER 3.2 3.2 硬件電路設(shè)計(jì)硬件電路設(shè)計(jì) 1.“+”, “-”鍵控制的可逆計(jì)數(shù)器的設(shè)計(jì) 此部分電路主要用兩按鈕開(kāi)關(guān)作為電壓調(diào)整鍵，與可逆計(jì)數(shù)器的加計(jì)數(shù)CPU 時(shí)鐘輸入端和減計(jì)數(shù)CPD 時(shí)鐘輸入端相連，可逆計(jì)數(shù)器采用兩片四位十進(jìn)制同 步加/減計(jì)數(shù)集成塊74LS192 級(jí)聯(lián)而成。 74LS192 是雙時(shí)鐘，可預(yù)置數(shù)，

10、異步復(fù)位，十進(jìn)制（BCD 碼）可逆計(jì)數(shù)器。 與之功能相同的還有其它芯片，比較容易找到。 1.1 工作原理 由于輸出電壓從 0V 到 9.9V 可以調(diào)節(jié)，所以 74LS192 兩計(jì)數(shù)器總計(jì)數(shù) 范圍從 00000000 到10011001（即099）,而74LS192 本身為十進(jìn)制可逆計(jì) 數(shù)器，所以只需兩塊這樣的芯片級(jí)聯(lián)就可以達(dá)到目的。PL是低電平有效的預(yù)置 數(shù)允許端，PL=0 時(shí)，預(yù)置數(shù)輸入端P0P3 上的數(shù)據(jù)被置入計(jì)數(shù)器。MR是高電 平有效的復(fù)位端，MR=1 時(shí)，計(jì)數(shù)器被復(fù)位，所有輸出端都為低電平。CPU 是加計(jì)數(shù)時(shí)鐘，CPD 是減計(jì)數(shù)時(shí)鐘，當(dāng)CPU=CPD=1 時(shí)，計(jì)數(shù)器處于保持狀態(tài)，不計(jì)數(shù)

11、。當(dāng)CPD=1，CPU 由0變?yōu)?時(shí)，計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)值加1；當(dāng)CPU=1，CPD 由0變1時(shí)，計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)值減1。TCU 是進(jìn)位輸出端，當(dāng)加計(jì)數(shù)器達(dá)到最大計(jì)數(shù)值時(shí)，即達(dá)到9 時(shí)，TCU 在后半個(gè)時(shí)鐘周期（CPU=0）內(nèi)變成低電平，其他情況均為高電平。TCU 是借位輸出端，當(dāng)減計(jì)數(shù)器計(jì)到零時(shí)，TCD在時(shí)鐘的后半個(gè)周期（CPD=0）內(nèi)變成低電平，其他情況下均為高電平。為實(shí)現(xiàn)100 進(jìn)制的計(jì)數(shù)可把第一塊芯片的TCU，TCD 分別接后一級(jí)的CPU，CPD 就可以級(jí)聯(lián)使用，這就達(dá)到了099 的計(jì)數(shù) 1.2 元件的選擇 74LS192 是雙時(shí)鐘，可預(yù)置數(shù)，異步復(fù)位，十進(jìn)制（BCD 碼）可逆計(jì)數(shù)器， 還可選用

12、54HC192，54HCT192，74HC192，74HCT192 等。 2.數(shù)字顯示電路的設(shè)計(jì) 2.1 工作原理 數(shù)字顯示驅(qū)動(dòng)采用兩塊74LS48 芯片，74LS248 為四線七段譯碼驅(qū)動(dòng)器，內(nèi) 部輸出帶上拉電阻它把從計(jì)數(shù)器傳送來(lái)的二十進(jìn)制碼，驅(qū)動(dòng)數(shù)碼管顯示數(shù)碼。 74LS48，七段譯碼器，輸出高電平有效，適合于共陰極接法的七段數(shù)碼管使用 A3，A2，A1，A0，為8421BCD 碼輸入，a,b,c,d,e,f,g 為七段數(shù)碼輸出，LT 為 試燈輸入信號(hào)，用來(lái)檢查，數(shù)碼管的好壞，IBR 為滅零輸出信號(hào)，用來(lái)動(dòng)態(tài)滅零， IB/QBR 為滅燈輸出信號(hào)，該端既可以作輸入也可以作輸出，具體工作如下真

13、值 表所示。 2.2 原件選擇 與74LS48 功能相同的還有，74LS247，7CD4511 等。 3.D/A 轉(zhuǎn)換電路（數(shù)模轉(zhuǎn)換器）的設(shè)計(jì) DAC0832 工作原理介紹 數(shù)模轉(zhuǎn)換電路，采用兩塊DAC0832 集成塊，它是一個(gè)8 位數(shù)/模轉(zhuǎn)換電路， 這里只使用高4 位數(shù)字量輸入端。由于DAC0832 不包含運(yùn)算放大器，所以需要 外接一個(gè)運(yùn)算放大器相配，才構(gòu)成完整的D/A 轉(zhuǎn)換器，低位DAC 輸出模擬量經(jīng) 9：1 分流器分流后與高位DAC 輸出模擬量相加后送入運(yùn)放，具體實(shí)現(xiàn)，由900 和100的電阻相并聯(lián)分流實(shí)現(xiàn)，運(yùn)放將其轉(zhuǎn)換成與數(shù)字端輸入的數(shù)值成正比 的模擬輸出電壓，運(yùn)放采用具有調(diào)零的低噪聲

14、高速優(yōu)質(zhì)運(yùn)放NE5534。當(dāng) ILE=1,CS=0,WR=0，輸入數(shù)據(jù)d7d0 存入8 位輸入寄存器中，當(dāng)WR2=0，XFER=0 時(shí)，輸入寄存器中所存內(nèi)容進(jìn)入8 位DAC 寄存器并進(jìn)行D/A 轉(zhuǎn)換。DAC0832 最具特色是輸入為雙緩沖結(jié)構(gòu)，數(shù)字信號(hào)在進(jìn)入D/A 轉(zhuǎn)換前，需 經(jīng)過(guò)兩個(gè)獨(dú)立控制的8 位鎖存器傳送。其優(yōu)點(diǎn)是D/A 轉(zhuǎn)換的同時(shí)，DAC 寄存器 中保留現(xiàn)有的數(shù)據(jù)，而在輸入寄存器中可送入新的數(shù)據(jù)。系統(tǒng)中多個(gè)D/A 轉(zhuǎn)換 器內(nèi)容可用一公共的選通信號(hào)選通輸出。4 4系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) 5 5系統(tǒng)調(diào)試系統(tǒng)調(diào)試 調(diào)節(jié)步驟如下： 1）輸入數(shù)字00000000，短接RE1、RE2、RF，調(diào)運(yùn)

15、放調(diào)零點(diǎn)位器Rw,用數(shù)字萬(wàn)用表檢測(cè)，使輸出電壓u0=01mv. 2)輸入數(shù)字10011001，調(diào)整RE1、RE2、RF，使輸出u0達(dá)到預(yù)定的滿量程值9.9v. 改進(jìn)措施 本電源輸出電壓大小尚受限制，在需要較高輸出電壓時(shí)，在不改變調(diào)節(jié)精度（即步進(jìn)值）的前提下，只要增加計(jì)數(shù)器的級(jí)聯(lián)數(shù)和相應(yīng)轉(zhuǎn)換器的個(gè)數(shù)，擴(kuò)大數(shù)顯指示范圍，配合選用高電壓輸出運(yùn)放，就能輕易地滿足要求。當(dāng)需要正負(fù)對(duì)稱輸出電壓時(shí)，只要另增一組電源，對(duì)轉(zhuǎn)換器及調(diào)整輸出電路稍作改動(dòng)即可達(dá)到目的。 6系統(tǒng)電路存在的不足和改進(jìn)的方向 系統(tǒng)電路只是完成了簡(jiǎn)單的數(shù)控功能,還存在很多不完善的地方,還有很多地方 是能夠擴(kuò)展和創(chuàng)新的比如: （1） 輸出電壓可預(yù)置在09.9v之間的任意一值。 （2） 用自動(dòng)掃描代替人工按鍵，實(shí)現(xiàn)輸出電壓變