模擬課程設計課內(nèi)容之三

模擬課程設計課內(nèi)容之三第一頁，共三十七頁，編輯于2023年，星期日3精度：靜態(tài)誤差≤1%FSR，紋波≤10mV；4顯示：輸出電壓值由LED數(shù)碼管顯示；5電壓調(diào)整：由“+”、“-”兩鍵分別控制輸出電壓的步進增減；6輸出電壓預置：輸出電壓可預置在0～9.9V之間的任意一個值；7其他：自制電路工作所需的直流穩(wěn)壓電源，輸出電壓為±15V，+5V。第二頁，共三十七頁，編輯于2023年，星期日三、具體要求1.總體框圖針對設計任務所提出的要求和條件，可以用具有一定功能的若干單元方框圖構成一個總方框圖，并將系統(tǒng)的性能指標分配到各單元方框中去。一般來說，不太可能用某種簡單結構一下子滿足總體功能要求，這就需要進行功能分解。總功能可分解成若干子功能，子功能還可以進一步分解，直到功能元素，這樣就形成了第三頁，共三十七頁，編輯于2023年，星期日所謂功能結構。在分解過程中得到的每一個基本功能元素，至少可用一個能滿足其功能的方案去實現(xiàn)。如果將有關功能元素進行不同組合，則可得到不同聯(lián)法的多種系統(tǒng)方案，逐一分析每個方案的可行性和優(yōu)缺點，再加以比較、優(yōu)化、篩選，就可得到較理想的系統(tǒng)方案。2.單元電路設計根據(jù)選定的方案對單元電路進行設計，選擇合適的器件，將總體性能指標分解并落實到關鍵的器件上，寫出器件的選擇依據(jù)以及第四頁，共三十七頁，編輯于2023年，星期日參數(shù)的計算和校核過程。3.總體邏輯圖在單元電路設計的基礎上，畫出數(shù)控直流穩(wěn)壓電源的總體邏輯圖。要求將圖畫在毫米方格紙上，并標出器件的型號、阻容元件的參數(shù)及關鍵點的技術指標。4.安裝根據(jù)總體邏輯圖列出元器件明細表，領取元器件。在實驗電路板上設計總體布線，焊接元器件和導線。要求布線簡潔、整齊，焊接可靠。第五頁，共三十七頁，編輯于2023年，星期日5.調(diào)試先進行單元電路調(diào)試，然后進行分塊聯(lián)調(diào)，最后是總體調(diào)試。調(diào)試時要詳細記錄調(diào)試過程中出現(xiàn)的異?，F(xiàn)象和改進措施、電路設計或電路參數(shù)的修改原因、修改結果，并將調(diào)試記錄寫入設計報告中。6.指標測試調(diào)試完成后應對電路的性能指標作最終測試和校核，并將電路實際達到的指標與校核數(shù)據(jù)記錄下來，寫入設計報告中。第六頁，共三十七頁，編輯于2023年，星期日7.精度分析精度指標是數(shù)控直流穩(wěn)壓電源的一個重要指標，應從理論上分析造成誤差的原因，并提出改進的設想。8.設計報告將上述內(nèi)容整理成完整的設計報告，總結本次設計的收獲、存在的問題，并對選題、設計和調(diào)試過程中的指導等方面提出改進意見等。第七頁，共三十七頁，編輯于2023年，星期日3.2總體方案的確定根據(jù)系統(tǒng)功能及技術要求，系統(tǒng)可由按鍵、數(shù)控部分、輸出電路、過流保護、顯示及穩(wěn)壓電源等六個部分組成，如圖3.1所示。操作人員通過按鍵對系統(tǒng)發(fā)出電壓調(diào)整指令，該指令與輸出電路的狀態(tài)信號一起送入數(shù)控部分，經(jīng)處理后產(chǎn)生符合指令要求的輸出電壓信號，并經(jīng)輸出電路功率驅動后輸出。當輸出電路的輸出電流超過極限值時，由過流保護電路產(chǎn)生的信號送入數(shù)控部分，關閉系統(tǒng)的電壓輸出，對系統(tǒng)的輸出電路進行保護。另外，數(shù)控部分還第八頁，共三十七頁，編輯于2023年，星期日產(chǎn)生顯示信息送入顯示部分，將輸出電壓或其他信息報告給操作人員。系統(tǒng)工作所需的±15V，+5V電源由自制穩(wěn)壓電源提供。顯示數(shù)控部分輸出電路自制穩(wěn)壓電源過流保護按鍵圖3.1數(shù)控直流穩(wěn)壓電源原理框圖第九頁，共三十七頁，編輯于2023年，星期日3.3單元電路設計要點本節(jié)只對數(shù)控直流穩(wěn)壓電源的主要功能模塊（單元電路）進行方案論證，具體單元電路的選擇、細化及總體電路，讀者可根據(jù)方案論證的內(nèi)容自己完成。一、按鍵輸入/模擬電壓量輸出根據(jù)系統(tǒng)要求，用戶操作“+”、“-”按鍵實現(xiàn)對輸出電壓幅值進行控制。從3.1的原理框圖可知，按鍵輸入到模擬電壓量的輸出轉換功能是由數(shù)控部分完成的，要實現(xiàn)按鍵輸入到模擬電壓量的輸出轉換，其數(shù)控部分可由以下兩種方式完成：第十頁，共三十七頁，編輯于2023年，星期日1.用計數(shù)器實現(xiàn)步進輸入此方案采用一套二進制計數(shù)器和D/A轉換器實現(xiàn)輸入按鍵到模擬電壓量的轉換功能，如圖3.2所示。二進制計數(shù)器D/A轉換器輸出電路電壓預置步進加步進減圖3.2用計數(shù)器實現(xiàn)步進輸入原理框圖第十一頁，共三十七頁，編輯于2023年，星期日“+”、“-”按鍵的操作分別接入可逆二進制計數(shù)器的加法和減法計數(shù)脈沖輸入端，從而改變了二進制計數(shù)器的輸出數(shù)碼，并通過D/A轉換器將數(shù)字信號轉換為模擬電壓量，然后送到輸出電路作進一步處理。2.用單片機實現(xiàn)步進輸入此方案采用單片機作控制，如圖3.3所示。單片機接受來自按鍵或鍵盤的信息，經(jīng)處理后形成數(shù)字量輸出到D/A轉換器，再由D/A轉換器將數(shù)字信號轉換為模擬電壓量，送輸出電路作進一步處理第十二頁，共三十七頁，編輯于2023年，星期日單片機鍵盤接口電壓預置鍵盤或按鍵D/A轉換器輸出電路3.3用單片機實現(xiàn)步進輸入原理框圖

第十三頁，共三十七頁，編輯于2023年，星期日二、電壓信號功率放大按技術要求，系統(tǒng)輸出電流最大達500mA。由于D/A轉換輸出的模擬電壓信號一般只有幾個毫安電流驅動能力，因此必須通過輸出電路中的功率放大部分將電流驅動能力提高到500mA以上。實現(xiàn)電壓信號功率放大的方案有如下幾種：

1.采用分立元件構成功率放大電路此方案采用分立元件構成功率放大電路。但隨著集成技術的發(fā)展，構成功率放大器的單元第十四頁，共三十七頁，編輯于2023年，星期日2.采用運放加功率器件構成功率放大電路電路已經(jīng)很少全部采用分立元件了，因此這里不作進一步討論。此方案在電壓放大級采用集成運放，功率放大級采用分立元件進行功率擴展，原理如圖3.4所示。通過改變集成運放的外接電阻R1，R2，系統(tǒng)可以方便地改變輸出電壓的調(diào)整范圍；通過改變功放級分立元件的輸出功率，也可以方便地改變系統(tǒng)輸出的電流驅動能力。因此，此方案比較實用、靈活。第十五頁，共三十七頁，編輯于2023年，星期日互補對稱功放級負載AR1R2ViVo﹢﹣圖3.4集成運放功率擴展原理框圖第十六頁，共三十七頁，編輯于2023年，星期日3.采用集成功率放大器此方案采用集成功率放大器。集成功率放大器將運算放大器的輸出級改為復合管形式，以增大輸出電流。但由于受到集成工藝的限制。集成功放中的某些元器件仍只能留待外接。尤其是為了使用方便，在制造集成功放時，常常有意留下若干接線端供應用時靈活連接。因此，使用集成功率放大器時必須注意正確連接。第十七頁，共三十七頁，編輯于2023年，星期日4.采用集成穩(wěn)壓器件此方案采用集成穩(wěn)壓器。如圖3.5所示，集成穩(wěn)壓器7805原本是輸出固定電壓+5V的器件，其輸出端與基準點之間的電壓固定為+5V。但是，只要外接電路改變基準點的電壓值，則其輸出電壓也跟隨發(fā)生改變。實踐證明：這種可調(diào)穩(wěn)壓輸出具有良好的負載特性，輸出最大負載電流達1.5A，且內(nèi)部還集成了過流保護和過熱保護等電路，因此完全能滿足本例技術要求，且具有較高性能/價格比。第十八頁，共三十七頁，編輯于2023年，星期日7805電壓偏移+15VVoD/A轉換器基準點圖3.5用集成穩(wěn)壓器組成功率放大電路需要注意的是，系統(tǒng)要求輸出電壓范圍為0～9.9V，因此7805基準點電壓范圍應控制在-5V～+5V之間，而D/A轉換器應采用雙極性輸出，或者采用電壓偏移電路將單極性輸出轉為雙極性輸出。第十九頁，共三十七頁，編輯于2023年，星期日三、過流保護過流保護電路的功能是當輸出電流因負載的變化而超過設定值(500mA)時產(chǎn)生保護作用，使輸出電壓降低或完全關閉輸出，以保護輸出電路不會因過流、過熱而造成永久性損壞。過流保護電路可有下列幾種方案：1.利用三極管的導通特性此方案利用三極管導通時基極—發(fā)射極之間電壓差VBE≈0.7V的特性，當采樣電阻上因負載電流增加而使壓降大于0.7V時使三極管導通，產(chǎn)生過流保護信號。第二十頁，共三十七頁，編輯于2023年，星期日此信號可直接接輸出驅動管，限制輸出電流的繼續(xù)增加，也可以送入數(shù)控部分，經(jīng)處理后切斷輸出電壓信號，如圖3.6所示。互補對稱功放級去數(shù)控電路RsVoR1R2-15V圖3.6用三極管作過流保護電路原理圖第二十一頁，共三十七頁，編輯于2023年，星期日2.用電壓比較器輸出電路+-ARs+15VVoVsR1去數(shù)控部分﹢﹣圖3.7用電壓比較器作過流保護電路原理圖第二十二頁，共三十七頁，編輯于2023年，星期日此方案利用電壓比較器，當采樣電阻壓降達到某個設定值時，比較器輸出信號發(fā)生翻轉，起到過流保護的作用。其原理如圖3.7所示，當電壓比較器同相輸入端電壓比VO高出Vs(即Rs上的壓降達到Vs)時，電壓比較器輸出信號發(fā)生翻轉。同樣，該信號經(jīng)處理后可直接控制輸出電路的輸出，也可送到數(shù)控部分，由數(shù)控部分切斷整個電路的輸出，實現(xiàn)保護功能。第二十三頁，共三十七頁，編輯于2023年，星期日3.采用A/D轉換器此方案先將采樣電阻兩端壓差用差分放大電路處理后送A/D轉換器，轉換的結果送入單片機系統(tǒng)，由單片機系統(tǒng)通過軟件判斷輸出回路的負載電流情況，如圖3.8所示。當負載電流大于設定值時，由軟件控制D/A轉換器，切斷整個電路的輸出。這個方案的優(yōu)點是過流點的設置可由軟件完成，調(diào)整比較靈活，缺點是需要增加差分放大電路和A/D轉換器，硬件略顯復雜。另外，用多輸入通道的A/D轉換器直接將采樣電阻兩端的電壓值采入單片機系統(tǒng)后，第二十四頁，共三十七頁，編輯于2023年，星期日也可用軟件的方法求差獲得采樣電阻的壓差，在硬件上可以省去差分放大電路。差分放大電路輸出電路RsVoA/D轉換器單片機系統(tǒng)D/A轉換器圖3.8用差分放大器和A/D轉換器作過流保護電路原理圖第二十五頁，共三十七頁，編輯于2023年，星期日四、輸出電壓顯示輸出電壓的顯示可以顯示電壓的設定值，也可按實測的輸出電壓進行顯示，或者將設定值與實測值同時顯示出來。當只顯示設定值或實測值時可用2位或3位LED數(shù)碼管，顯示范圍為0.0～9.9V或0.00～9.99V。輸出電壓顯示實現(xiàn)電路可采用以下幾種方式：第二十六頁，共三十七頁，編輯于2023年，星期日1.采用計數(shù)器作數(shù)控時顯示計數(shù)值當采用計數(shù)器作數(shù)控部分控制芯片時，由于其計數(shù)值是以二進制形式出現(xiàn)的，因此不能直接用于譯碼顯示電路，而必須將按鍵輸入的信號同時送入十進制計數(shù)器。再由十進制計數(shù)器的輸出結果經(jīng)譯碼、驅動后送LED數(shù)碼管顯示，如圖3.9(a)所示。另外，也可將二進制計數(shù)器的輸出結果送入EPROM，經(jīng)查表獲得十進制的計數(shù)值，再送入譯碼顯示電路，如圖3.9(b)所示。第二十七頁，共三十七頁，編輯于2023年，星期日十進制計數(shù)器按鍵二進制計數(shù)器D/A轉換器譯碼顯示按鍵二進制計數(shù)器D/A轉換器譯碼顯示EPROM(a) (b)圖3.9計數(shù)器作控制的輸出電壓顯示電路第二十八頁，共三十七頁，編輯于2023年，星期日2.采用單片機作數(shù)控時由軟件完成顯示控制當采用單片機作數(shù)控部分控制芯片時，單片機可由軟件完成按鍵輸入、計數(shù)、二進制——十進制轉換，顯示譯碼等工作，因此輸出顯示電路只需由單片機、驅動、LED顯示等3部分組成，硬件電路十分簡單。單片機作控制時的輸出電壓顯示電路如圖3.10所示。第二十九頁，共三十七頁，編輯于2023年，星期日按鍵驅動單片機LED顯示圖3.10單片機作控制時輸出電壓顯示電路3.采用A/D轉換器上述兩種方案都是顯示輸出電壓的設定值，而實際輸出電壓值可能會因負載的變化及控制誤差，而與設定的輸出電壓值不一致，此時顯示輸出電壓的實際值比顯示輸出電壓的設定值更有意義。第三十頁，共三十七頁，編輯于2023年，星期日為了顯示輸出電壓的實際值，必須對輸出電壓進行采樣并通過A/D轉換變?yōu)閿?shù)字量。在有單片機的系統(tǒng)中，該數(shù)字量通過單片機系統(tǒng)的軟件處理后送往顯示器顯示，如圖3.11(a)所示；在用計數(shù)器作數(shù)控部分的系統(tǒng)中，則首先應將該數(shù)字量轉換成十進制數(shù)，然后才能送往顯示部分進行顯示，如圖3.11(b)所示。第三十一頁，共三十七頁，編輯于2023年，星期日采樣A/D轉換器顯示單片機輸出電路EPROM顯示A/D轉換器采樣輸出電路圖3.11輸出電壓實際值的顯示電路原理框圖(a) (b)第三十二頁，共三十七頁，編輯于2023年，星期日五、輸出電壓預置輸出電壓預置使系統(tǒng)具有開機自動輸出預置電壓的功能。要實現(xiàn)輸出電壓預置的功能，可以采用以下幾種方案：1.由拔碼盤或微型開關設定預置值在單片機系統(tǒng)中，可以使用撥碼盤或微型開關來設定預置值。在系統(tǒng)中撥碼盤或微型開關輸出的都是開關量，不同的是撥碼盤的輸出數(shù)據(jù)以BCD碼形式出現(xiàn)，而微型開關只能以二進制碼的形式出現(xiàn)。當系統(tǒng)上電工作時，單片機通過軟件將預置值讀入系統(tǒng)內(nèi)部，并根據(jù)該第三十三頁，共三十七頁，編輯于2023年，星期日預置值對輸出電壓進行初始化，完成輸出電壓預置輸出的功能。對于數(shù)控部分由計數(shù)器完成的系統(tǒng)來說，撥碼盤或微型開關的預置值要在系統(tǒng)上電時裝入計數(shù)器，就必須利用上電復位信號產(chǎn)生一個裝載信號脈沖，將預置值裝入計數(shù)器。另外撥碼盤輸出的BCD碼數(shù)據(jù)裝入十進制計數(shù)器后也必須先轉換成二進制數(shù)，然后才能用于控制輸出電路。第三十四頁，共三十七頁，編輯于2023年，星期日2.由鍵盤輸入預置值并存入E2PROM在有單片機的系統(tǒng)中可以使用鍵盤輸入電壓預置值，并將該預置值保存于E２PROM等具