簡易數(shù)控直流穩(wěn)壓電源

1、簡易數(shù)控直流穩(wěn)壓電源 電子技術(shù)課程設計 系 別: 班 級: 姓 名: 學 號: 指導教師: 實踐地點: 時 間: 課 程 設 計 任 務 書 題 目 學 院 專 業(yè) 班 級 學生姓名 學 號 月 日至 月 日 共 周 指導教師(簽字) 院長(主任) (簽字) 2014年 9 月 10 日 1 2 3 4 摘要 本報告所介紹的穩(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，并且沒有用到單片機，只用到了數(shù)字技術(shù)中的可逆計數(shù)器，D/A 轉(zhuǎn)換器等電路，具有控制精度高，制作比較容易等優(yōu)點。 直流穩(wěn)壓電源是常用的電子設備，用以保證在電網(wǎng)電壓波動或負載改變時，輸出穩(wěn)定的電壓。低紋波、高精度的

2、穩(wěn)壓電源在儀器儀表、工業(yè)控制及測量領(lǐng)域都有重要的實際應用價值。這里設計的穩(wěn)壓電源輸出電壓范圍為512.5V，額定工作電流為500 mA，并具有“+”、“”步進電壓調(diào)節(jié)功能，最小步進電壓為10.5V。 關(guān)鍵詞 LM324J、74LS193D、LM7805KC、CD4538BCM、輕觸按鍵 5 目錄 一、 系統(tǒng)功能及方案設計 .8 1.1 設計思路 .8 1.2 穩(wěn)壓調(diào)節(jié)電路 .8 1.3 數(shù)控可調(diào)電壓部分 .9 二、 電路模塊設計與分析 .9 2.1 穩(wěn)壓調(diào)節(jié)電路部分 .9 2.1.1 電源變壓器 .9 2.1.2 整流電路 .9 2.1.3 濾波電路 .11 2.1.4 穩(wěn)壓電路 .12 2.

3、2 數(shù)字控制部分 .13 2.2.1 CD4538BCM .13 2.2.2 74LS193D .14 2.3 模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換部分 .15 三、 系統(tǒng)測試與分析 .15 3.1 數(shù)字控制部分性能測試 .16 3.2 總電路測試 .16 3.3 結(jié)論 .16 四、 課程設計總結(jié) .16 附錄 系統(tǒng)電路圖 參考資料 6 一、 系統(tǒng)功能及方案設計 1.1設計思路 數(shù)控直流穩(wěn)壓電源的工作原理框圖如圖所示。主要包括數(shù)字控制部分、模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換部分（D/A變換器）及穩(wěn)壓調(diào)節(jié)電路三大主體部分。 首先分析一下數(shù)字控制部分，用+、-按鍵和觸發(fā)器產(chǎn)生脈沖信號，進而控制可逆二進制計數(shù)器，可逆二進制計數(shù)器的輸出到D/

4、A變換器，經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換成相應的電壓，經(jīng)放大后去控制穩(wěn)壓電源的輸出，來實現(xiàn)輸出電壓值步進增減。 另一方面，穩(wěn)壓調(diào)節(jié)電路部分經(jīng)過考慮后決定將市電轉(zhuǎn)換為系統(tǒng)所需的電壓，首先應接入變壓器降低電壓，接著通過整流電路和濾波電路得到所需的直流電壓，然后輸入到穩(wěn)壓電路中，通過數(shù)字控制部分來控制輸出，從而達到題目要求，得到所需的直流穩(wěn)壓電源。 1.2 穩(wěn)壓調(diào)節(jié)電路部分 （1） 電源變壓器 電源變壓器的作用是將電網(wǎng)220V的交流電壓變換成整流濾波電路所需要的交流電壓。 （2） 整流電路 整流電路將交流電壓變換成脈動的直流電壓。 7 （3） 濾波電路 濾波電路通過電容將脈動直流電壓的紋波減小或濾除，輸出直流電壓。

5、（4） 穩(wěn)壓電路 穩(wěn)壓電路的作用就是穩(wěn)定輸出電壓。要滿足穩(wěn)壓電源最大輸出電流500mA的要求，可調(diào)穩(wěn)壓電路要選用三端集成穩(wěn)壓器LM7805KC，而且該穩(wěn)壓器除了最大輸出電流滿足設計要求外，輸出電阻、紋波大小、穩(wěn)壓系數(shù)等性能指標均滿足要求。 1.3 數(shù)控可調(diào)電壓部分 (1) 脈沖產(chǎn)生部分 通過按鍵以及觸發(fā)器實現(xiàn)電壓增減的步進和輸出。 (2) 數(shù)字控制電路部分 通過可逆計數(shù)器（74LS193D）實現(xiàn)8位BCD碼的輸出。 (3) D/A轉(zhuǎn)換 從可逆計數(shù)器輸出的步進變化到控制電壓步進變化要經(jīng)過一個D/A轉(zhuǎn)換器來完成，實現(xiàn)數(shù)字電壓到模擬電壓的轉(zhuǎn)換輸出。D/A轉(zhuǎn)換器電路是由反相加法器和電壓可上下偏移的反相

6、器構(gòu)成。 二、 電路模塊設計與分析 2.1 穩(wěn)壓調(diào)節(jié)電路部分 2.1.1 電源變壓器 降壓變壓器，它將電網(wǎng)220V交流電變成符合需要的交流電壓，并送給整流電路，變壓器的變化比由變壓器的副邊電壓確定。 2.1.2 整流電路 用單向?qū)щ娫?，?0Hz的正弦交流電變換成脈動的直流電。 整流電路有單相半波、全波、橋式和倍壓整流；三相半波、三相橋式全波整流等多種電路。以下主要介紹小功率電源中常用的單相橋式。為分析簡單起見，把二極管當作理想元件處理，即二極管的正向?qū)娮铻榱?，反向電阻為無窮大。 8 變壓電路 單相橋式整流電路：在u2的正半周內(nèi)，二極管1、2導通，3、4截止；u2的負半周內(nèi)，3、4導通，

7、1、2截止。正負半周內(nèi)部都有電流流過的負載電阻RL，且方向是一致的。電路的輸出波形如圖3所示。 整流電路 9 在橋式整流電路中，每個二極管都只在半個周期內(nèi)導電，所以流過每個二極管的平均電流等于輸出電流的平均值的一半，即電路中的每只二極管承受的最大反向電壓為22U(U2是變壓器副邊電壓有效值)。 單相橋式整流電路輸出電壓平均值 單相橋式全波整流電路中二極管的平均電流和輸出電流： 單相橋式全波整流電路二極管上承受的最高反向電壓： 2.1.3 濾波電路 可以將整流電路輸出電壓的交流部分加以濾除，從而得到比較平滑的直流電壓。 （1） 電路的組成 交流電壓經(jīng)整流電路整流后輸出的是脈動直流，其中既有直流成

8、分又有交流成份。濾波電路就是利用儲能元件電容兩端的電壓(或通過電感中的電流)不能突變的特性,將電容與負載RL并聯(lián)(或?qū)㈦姼信c負載RL串聯(lián))，濾掉整流電路輸出電壓中的交流成份，保留其直流成份，達到平滑輸出電壓波形的目的。這一過程稱為濾波。主要有電容濾波電路、電感濾波電路、復式濾波電路、有源濾波電路。根據(jù)設計要求，采用了基本的電容濾波電路。 （2）電容濾波電路的特點 輸出電壓Uo與時間常數(shù)RLC有關(guān)，RLC愈大電容器放電愈慢Uo（平均值）愈大。 一般取 （T為電源電壓的周期） 近似估算： 流過二極管瞬時電流很大，RLC越大Uo越高，負載電流平均值越大整流管導電時間越短iD的峰值電流越大。 一般選關(guān)

9、時，取 通過以上全波整流電容濾波電路的波形圖和分析可以看出：并聯(lián)電容濾波后，輸出電壓直流成分（即輸出電壓平均值）提高了；脈動成分降低了（即輸出波形平滑）。電容放電時間常數(shù)RLC 愈大，放電越慢，輸出電壓越高，脈動越小，濾波效果越好。輸出 10 電壓隨輸出電流（負載電流）增大而下降較低，輸出特性較軟。濾波電壓越大，濾波效果越好，但整流二極管的導通時間越短，其中電流沖擊也越大。電容濾波電路適用于輸出電壓較高，負載電流較小且負載變動不大的場合。 2.1.4 穩(wěn)壓電路： 穩(wěn)壓電路的功能是使輸出的直流電壓穩(wěn)定，不隨交流電網(wǎng)電壓和負載的變化而變化。因為要求輸出電壓可調(diào)，且輸出電流為500mA，所以選擇三端

10、可調(diào)式集成穩(wěn)壓器LM7805KC。該穩(wěn)壓器的輸出電流最大為1.5A。壓系數(shù)、輸出電阻、紋波大小等性能指標均能滿足設計要求。 電路圖如下： U1 ? 圖中采用的運算放大器LM324為理想的放大器所以節(jié)點6的電壓U6與節(jié)點23的電 壓U23相等。U6=U0-R1/(R1+R2)*5 U23=R3/(R3+R4)*UIN U0-R1/(R1+R2)*5=R3/(R3+R4)*UIN 11 所以當R2 R4等于0時 R1 R3相等的時候 U0與UIN線性相關(guān)，當UIN（既模擬量）變化時U0也會隨之步增步減。 2.2 數(shù)字控制部分 2.2.1 CD4538BCM CD4538BCM是雙集成單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器，

11、當開關(guān)閉合時會產(chǎn)生單穩(wěn)態(tài)脈沖。開關(guān)A控制加，開關(guān)S 控制減。 電路圖如下： 12 2.2.2 74LS193D 74LS193D計數(shù)器既是雙時鐘4位二進制同步可逆計數(shù)器。該計數(shù)器的UP DOWN 接線口分別接入上述兩個單脈沖發(fā)生器。當脈沖發(fā)生器的開關(guān)閉合斷開時74LS193D接受脈沖同時確定輸出是作加計數(shù)還是作減計數(shù)。 可逆計數(shù)器接受脈沖后產(chǎn)生作加或者作減的數(shù)字信號，通過QA QB QC QD 端口輸入至可逆VDAC轉(zhuǎn)換器中，VDAC將數(shù)字信號轉(zhuǎn)化成相應的模擬量信號輸入穩(wěn)壓可調(diào)節(jié)電路的模擬量輸入端中。 U4 14 ABCDLOADCLRUPDOWN QAQBQCQDBOCO 74LS193D

12、為了消除按鍵的抖動脈沖，引起輸出的誤動作所以設計了以下裝置來消除按鍵的抖動脈沖如下圖： 74LS193D 13 如圖把可逆計數(shù)器的清除段既（CLR）端接在了上圖所示的電容C5與電阻R9之間，當可逆計數(shù)器的CLR端接在高電位時，可逆計數(shù)器處在清除狀態(tài)，當CLR處在低點位時可逆計數(shù)器處在正常工作狀態(tài)，根據(jù)這個原理設計了以上的電路。當電路剛剛開始工作的時候，電容處于充電狀態(tài)相當于短路，此時CLR接在了高電位；一段時間以后電容充滿電后，電容有隔絕直流的作用所以相當于短路，此時CLR接在了低電位，可逆計數(shù)器74LS193D處于正常工作狀態(tài),從而可消除鍵的抖動脈沖引起輸出的誤動作。 2.3 模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換

13、部分 該電路由一個反向加法器和電壓可上下偏移的反相器構(gòu)成，輸入端接到可逆計數(shù)器的輸出端，計數(shù)器輸出的高電平UH為5V，輸出的低電平UL0V。由于運算放大器的虛短作用（UP=UN），可得到輸出電壓Uo1的表達式： Uo1=-Rf(QoUH/8R+Q1UH/4R+Q2UH/2R+Q3UH/R) =-RfUH/23Q3+22Q2+2Q1+20Q0) 設Uo1=-Uo2【U1N】 當D3D2D1D0(Q3Q2Q1Q0)=111時 要求U1n=10V 即10=RfUh/23R*15 當Uh=5V時，Rf=1.067R 即R=20K,Rf由20K電阻和電阻為10K的電位器串聯(lián)組成。電位器R10實現(xiàn)的是調(diào)節(jié)

14、步進電壓的作用，電位器R13是調(diào)節(jié)最小輸出電壓的作用。 D0D1D2D3D4D5D6 Vref+ Vref-VDAC8 VCCa A1 VCCa 8V 三、 系統(tǒng)測試與分析 14 D7Output 3.1 數(shù)字控制部分性能測試 每當電壓增步進按鍵按下一次后就會產(chǎn)生一個脈沖，經(jīng)可逆計數(shù)器后就會產(chǎn)生從0000到1010的依次增加的脈沖波形；如果按下電壓減步進按鍵后，又會產(chǎn)生相應的減信號脈沖，從而實現(xiàn)增減步進的功能。經(jīng)性能測試后從示波器中得到的波形脈沖信號滿足所需要求。 3.2 總電路測試 不斷按下電壓增減按鍵，按下增按鍵，電壓就會以0.5v為步進電壓增加0.5v，按下減按鍵，電壓又會減少0.5v。

15、因為實驗存在誤差，所以步進電壓會在0.3-0.8v范圍內(nèi)波動，所以所測得的電壓與理論電壓有偏差。 3.3 結(jié)論 根據(jù)我們的調(diào)試結(jié)果來看，整個設計的電路基本可以實現(xiàn)課設要求的指標，輸出電壓的范圍5V12.5V,可實現(xiàn)以0.5V步進增減，輸出的電流可達到500mA, 且預置值與實際值之間的誤差較小。 四、 課程設計總結(jié) 這次課程設計是內(nèi)外多元化的實驗形式，培養(yǎng)了我們的實踐能力、理論聯(lián)系實際的能力、工程設計能力和創(chuàng)新能力，同時綜合作品分小組來做也培養(yǎng)了我們的協(xié)作能力。我們通過收集相關(guān)資料，比較相關(guān)方案，考慮到設計具體難易程度，我們確定了最終的實驗方案。優(yōu)化設計，設計出單元電路及整體電路。同時，指導老

16、師全天在實驗室給我們答疑解惑，這使我們在具體的問題上少走了很多彎路。設計看似簡單實則不易，它需要對各個單元的設計原理，及其具體實現(xiàn)過程，問題解決等都要有充分的了解。同時要有應變能力，往往在設計、調(diào)試過程中會出現(xiàn)許多意想不到的事情?？傊?，需要我們有扎實的理論功底及專業(yè)知識做基礎(chǔ)，同時要有耐心、毅力，并善于觀察，動腦思考。 經(jīng)過這兩個星期的課程設計，我們真正體會到這種綜合性的電路實驗對于我們的綜合實踐能力的重要性， 而且我們深刻體會到自己在這方面能力的欠缺，在今后的學習中一定要理論與實際相結(jié)合，多動手實驗，動腦思考，同時多參加一些類似EDA電子設計大賽等競賽來激發(fā)學習興趣，真正達到提高綜合素質(zhì)的目的。更讓我們體會最深的是團隊精神的重要性，在這次課程設計中我們互相信任、互相配合、分工合作,