数控稳压直流电源课程设计报告

实物图：

本文介绍了一种简易数控直流电源，与传统的稳压电源相比，该电源具有操作方便，电压稳定度高的特点，其输出电压大小用数码管显示，由计数器向数码管与数模转换器输出数字信号，数模转换器将数字信号转换为模拟信号，再通过运算放大器的进一步放大，最后输出电压处，接有负载电阻，通过观察负载电阻的电压值判断电源准确度。通过实验做出的实体电源输出电压为0~9.9V，步进为0.1V，输出电压的误差≤±0.05V，最大输出电流≥1A。可以用于要求电源精度比较高的设备，测试结果证明了本课设制作的数控直流电源方便易用，且满足课设的要求。

1 课题背景

随着人们生活水平不断提高，数字化控制无疑是人们追求的目标之一，它给人们带来的方便是毋庸置疑的，数控直流稳压电源就是其中一个典型的例子。当前社会有许许多多的先进的的电子设备，这些功能各异的电子设备首先离不开稳定的电源，电源稳定度越高，设备和外围条件越优越，那么设备的寿命更长。基于此，人们对数控电流器件的需求越来越迫切。

1.1 指导思想

操作人员通过按键对系统发出电压调整指令，该指令与输出电路的状态信号一起送入数控部分电路，经过处理后产生符合指令要求的输出电压信号，并经输出电路功率驱动后输出。另外，数控部分还产生显示信息送入显示电路，将输出电压或其它信息报告给操作人员。

1.2 课题应解决的主要问题

（a）设计置数按钮和增减按钮对系统发送状态信息，通过数控部分转换为BCD码。

（b）把BCD码转换成符合要求的电压，并且最大电流大于1A。

（c）将电压显示出来。

1.3 课设应达到的技术要求

设计并制作一个数控稳压电源。电源设有“电压增”（UP）和“电压减”（DOWN）两个键，按UP时输出电压步进增加，按DOWN时步进减小。具体要求如下：

(a) 输出电压为0~9.9V，步进为0.1V；

(b) 输出电压的误差≤±0.05

V；

(c) 用LED数码管显示输出电压的设定值；

(d) 最大输出电流≥1A。

发挥部分：输出电压可在0~9.9V范围可以任意预置。

2 方案论证

2.1 设计方案

通过已掌握的《模拟电子电路及技术基础》《数字电子技术基础》知识，以及上网了解、在图书馆查阅资料，我们了解了数控电流源制作原理和方法。设计过程中，我们应用已学过的集成器件，集成块的价格也比较便宜且很容易购买。因此有以下三种方案：

方案一：采用各类数字电路来组成键盘控制系统，进行信号处理，如选用CPLD等可编程逻辑器件。

缺点：本方案电路复杂，灵活性不高，效率低，不利于系统的扩展，对信号处理比较困难。

方案二：通过编码开关来控制存储器的地址；根据地址输出对应的数字量送数模（D/A）进行转换；再根据输出的电压量来控制电流的变化；同时；通过四个编码开关的BCD码送给CD4511及数码管显示。

优点：是电路简单

缺点：数据量大且存储器存储容量有限，在实验过程中发现编码开关不稳定，所以不宜采用。

方案三：采用集成器件，通过按键产生脉冲信号，计数器（74HC192）的十进制数字输出分两路运行：一路用于通过CD4511驱动数码管显示器，指示电源输出电压的大小值，LED输出（0、1、2、3、4、5、6、7、8、9）十个数字；另一路进入Ｄ/Ａ转换电路，Ｄ/Ａ转换（DAC0832），将数字量按比例转换成模拟电压，然后驱动由运算放大器（NE5532）、电阻、三极管组成的恒流源部分，使其输出0-9.9V的电压。

通过对三种方案的比较分析，为了提高本次电子课程设计的可操作性和准确性，决定采用第三种方案进行本次课设，因为第三种方案相对于第一二种方案较为灵活，效率高，可以最大化的实现需要得到的结果，也将最大的减少本次课设出现的误差。

2.2 系统框图

图2-1 系统框图

3 单元电路设计

3.1 数字控制电路的设计

数控稳压源分为数字控制电路、模拟信号输出电路和电流功率放大电路。图3-1是数字控制电路和数码显示电路。

图3-1

从下至上，依次是：开关及其上拉电阻电路、点稳态触发器消抖电路、十进制转BCD码编码电路、100进制计数器计数及置数电路和数码显示电路。

如图3-1，将计数开关、清零开关、置数控制开关和置数开关分别与其对应的上拉电阻相连；电阻一段接高电平，开关一侧接低电平，电阻和开关链接处与其功能对应的集成电路电平信号输入引脚相连。当开关断开时，上拉电阻不导通，输入与其相连的高电平信号；当开关闭合时，上拉电阻导通，由于开关与低电平相连，低电平信号通过闭合的开关输入集成电路引脚。

图3-1中连接电容的集成电路是47LS123单稳态触发器。按键开关在导通和断开的过程中不可避免地会出现电平抖动现象，会使脉冲计数器出现重复计数现象。为规避重复计数现象，需要消抖电路将一段大于开关抖动时间内的电平或边沿触发信号输出为一个标准的脉冲信号。74LS123单稳态触发器此处的功能就是如此，其功能表如图3-2所示。

图3-2

如图3-1所示，当外接10纳法定时电容和100欧姆电阻时单稳态触发器延时为：

大于一般开关电平抖动时间。

图3-1中与非门74LS04输入端相连的是编码器74LS147，它与非门一起构成十进制转BCD码编码电路，其真值表如图3-3所示。

图3-3

用74LS147编码器将代表数字1到9的9个开关输入的低电平转换为BCD码的反码（同时有多个低电平输入时，优先转换代表数字大的信号），经过非门变为BCD码，实现十进制信号与BCD码的转换。

74LS192引脚图及功能表如图3-4所示。

图3-4

将十分位计数器的第12引脚借位输出端与个位计数器的第5引脚借位输入端相连；十分位计数器第13引脚进位输出端与个位计数器第4引脚进位输入端相连，可级联成二位十进制加减计数器，实现0到9.9的计数和置数。

数码显示电路在图3-1中位完全表示，它可以按图3-6中CD4511与数码管的连接实现。CD4511真值表如图3-5所示。

图3-5

图3-6

3.2 模拟信号输出电电路的设计

图3-7是模拟信号输出电路和电流功率放大电路。

图3-7

工作原理：数模转换电路采用两块DAC0832 集成块，它是一个8 位数/模转换电路。由于DAC0832 不包含运算放大器，所以需要外接一个运算放大器相配，才构成完整的D/A 转换器。运放将其转换成与数字端输入的数值成正比的模拟输出电压，运放采用的是低噪声的NE5532芯片。十分位和个位的模拟信号依次加载到比例为1:10的反向加法器，由图3-7中R25和R26实现，调节加法器反馈电阻大小即可实现输出数码管显示的模拟电压值。图3-7中RV2是级联运放的调零电路，将级联运放看成整体，只需给最灵敏的第一级运放调零即可。D/A转换器由8位输入锁存器、8位DAC寄存器、8位D/A转换电路及转换控制电路构成，其结果采用电流形式输出。它是采用CMOS工艺制成的单片直流输出型8位数/模转换器，它由倒T型R-2R电阻网络、模拟开关、运算放大器和参考电压VREF四大部分组成。

元件选择：DAC0832是采样频率为八位的D/A转换器件。该芯片的特点如下所述。 芯片内有两级输入寄存器，使之具备双缓冲、单缓冲和直通三种输入方式，以便适于各种电路的需要(如要求多路D/A异步输入、同步转换等)。D/A转换结果采用电流形式输出。若需要相应的模拟电压信号，可通过一个高输入阻抗的线性运算放大器实现。运放的反馈电阻可通过RFB端引用片内固有电阻，也可外接。该片逻辑输入满足TTL电压电平范围，可直接与TTL电路或微机电路相接。其逻辑电路图和引脚排列图如下图所示：

图3-8

DI0～DI7为8位数据输入线，TTL电平，有效时间应大于90ns(否则锁存器的数据会出错)；

ILE为数据锁存允许控制信号输入线，高电平有效；

CS为片选信号输入线（选通数据锁存器），低电平有效；

WR1为数据锁存器写选通输入线，负脉冲（脉宽应大于500ns）有效。由ILE、CS、WR1的逻辑组合产生LE1，当LE1为高电平时，数据锁存器状态随输入数据线变换，LE1的负跳变时将输入数据锁存；

XFER为数据传输控制信号输入线，低电平有效，负脉冲（脉宽应大于500ns）有效；

WR2为DAC寄存器选通输入线，负脉冲（脉宽应大于500ns）有效。由WR2、XFER的逻辑组合产生LE2，当LE2为高电平时，DAC寄存器的输出随寄存器的输入而变化，LE2的负跳变时将数据锁存器的内容打入DAC寄存器并开始D/A转换。

IOUT1为电流输出端1，其值随DAC寄存器的内容线性变化；

IOUT2为电流输出端2，其值与IOUT1值之和为一常数；

Rfb为反馈信号输入线，改变Rfb端外接电阻值可调整转换满量程精度。

由于数模转换器DAC0832输出为电流，则电路中需要接入运算放大器将输出电流转换为输出电压，如下图：

图3-9

其中接入的运算放大器有三个特点：

(a)开环放大倍数非常高，一般为几千，甚至可高达10万。因此在正常情况下，运算放大器所需要的输入电压非常小。

(b)输入阻抗非常大。运算放大器工作时，输入端相当于一个很小的电压加在一个很大的输入阻抗上，所需要的输入电流也极小。

(c)输出阻抗很小，所以，它的驱动能力相对于较大。

3.3电流功率放大电路的设计

工作原理：调整输出级采用运放作射极跟随器，使调整管的输出电压精确地与前一级反向比例加法器输出电压保持一致。调整管采用大功率三极管TIP41级联成的达林顿管，电流放大倍数至少可达900倍，确保电路的输出电流值达到设计要求。数控电源各部分工作所需的±15V 和+5V 电源由直流稳压电源箱提供。

图3-10

4 组装、调试

4.1 焊接电路

焊接电路是本次课设最为基础的部分，在焊接时需要注意：

(a)对元器件不能造成虚焊和漏焊；

(b)本次电子课设的电路需要的元器件比较多，焊接时也需要注意不能将元器件焊错，尤其是引脚相对于较多的计数器、译码器和数模转换器；

(c)电路中部分元器件分正负极，所以焊接电路时也不能将元器件正负极焊反；

(d)焊接电路时需要仔细认真，让焊接的电路版整齐且焊接结点达到所学的裙状；

(e)焊接电路结束后，需要对焊接好的电路板进行检查，确保没有造成漏焊，虚焊等问题，用万用表检查线路全部导通而且连接无误后方可进行电路调试；

(f)焊接设计应该尽量多走锡少走线；

4.2 调试电路

电路焊接完成并检查无误后，接下来便是调试电路，调试电路时较为麻烦，因为在调试电路时，出现的问题也许是自己所不能想到的，解决也需要一定的知识，在调试电路时，尽量使自己所做的物品达到课程设计所要的结果，这就要求需要将调试出现的问题一一解决。

（a）初次调试时发现数码管不亮

（b）第二次调试时由于改进了前一次发现的问题，数码管可以正常发亮，可是计数器通过将输出数据传递给CD4511来控制数码管显示数字，结果却不尽人意，它不是按照预定的顺序0、1、2、3、4、5、6、7、8、9出现，而是奇数变化，1、3、5、7、9，通过这次调试也发现了一个新的问题，计数器输入只有加输入时钟UP键有作用，而控制计数器减输入时钟的DOWN键没有作用，而且在数码管变化的情况下，本次课设需要测量的电压表没有示数变化。

（c）经过对前两次调试出现的问题，在第三次调试的通过询问同学，自己查资料并动手改进，电路出现了一定的进步，最终终于功夫不负有心人，结果调试出来了，比之前有所进步的计数可以正常增减显示0、1、2、3、4、5、6、7、8、9。 但输出电压维持在8V不变。

（d）然后坚持努力调试，终于得出了正确的输出电压。

4.3 调试电路的方法和技巧

调试电路的时候先不要急着接电，首先在不接电的情况下对自己电路板的线路进行细致的观察检查，每一个引脚每一条导线的连接都要与电路原理图仔细对照检查。防止有线路短路或者部分线路在焊接好之后脱落，导致在接电后烧坏元器件，破坏整个电路板。在检查完线路没有错误后再进行接电调试，这样就不会使实验出现不知道是线路问题还是元器件有问题的麻烦局面，在调试之前需要对每个元器件的数值计算清楚。在调试的时候，为了准确方便，可以进行分块测试，可以先对每个功能块进行调试，正确之后再进行扩大范围测试。

在接电调试的时候，要把输出电压调准确，与电路板各电极连接准确防止接错线烧坏电路。在没有短路报警的机器上调试的时候，要注意各个元器件是否有发热与冒烟的不正常情况，如果有的话必须马上切断电源，以异常的元器件为重点进行仔细排查错误。

经过测量调试发现，容易出现问题的是放大电路部分，这部分电路通常会因为电压太大或者电压接反导致放大电路发热甚至是烧坏器件。

4.4测试数据

输出电压为0~9.9V，步进为0.1V，输出电压的误差≤±0.03V。

4.5 调试结果

本课设制作的数控稳压电源设有“电压增”（UP）和“电压减”（DOWN）两个键，按UP时输出电压步进增加，按DOWN时步进减小。还制作了置数键，可以直接控制置数键输出想要的电压。

作品实现如下功能

(a) 输出电压为0~9.9V，步进为0.1V；

(b) 输出电压的误差≤±0.03V；

(c) 用LED数码管显示输出电压的设定值；

(d) 最大输出电流≥1A。

(e) 并且实现了发挥功能：输出电压可在0~9.9V范围可以任意预置。

4.6 调试中出现的故障、原因及排除方法

（a）接电后数码管显示器不亮

原因：数码管的共阴极没有接地。

      计数器74LS192和译码器CD4511的8和16引脚没有接地和电源。

解决方法：将所有缺失的线接连正确并进行检查，查看是否导通。

（b）计数器74LS192控制错误

原因：计数器74LS192是一个十进制计数器，在设计电路时，误将74HC192认为是一个十六进制的计数器。

解决方法：在查资料确认了74LS192为十进制的计数器后，在设计电路时，将低电平有效的置数端接高电平，使其失效，不置数，又由于74HC192计数器为MOS电路，输入端不能悬空，所以将输入端接高电平“1”或者低电平“0”，而且将进位标志和借位标志进行悬空。

（c）电压表示数不变化

原因：数模转换器和放大器之间电路连接线路出现问题

解决方法：重新检查线路，排查元器件是否损坏，是否和前半部分电路连接准确，在检查完成之后将线路连接正确，并进行检查，以确保本次课设的电路无误。

4.7 实物展示

图4-1 实物正面

图4-2 实物反面

5 设计总结

通过这次的课程设计，我对一些专业知识和电子课程设计有了更深的了解，不仅仅是对知识的一次更加深刻的认知，也是对自己之前学习的一次检验。这次电子课程设计用的是模电和数电的知识，同时加上电路等知识，从老师给的选题里面选择一个课题进行。这次设计过程中我们也不可避免的遇到了很多的问题，尤其是在调试过程中,会因为某些原因出不来结果，有因为粗心犯了不该犯的错误，也有因为对实验态度不严谨而造成的不良后果，虽然在焊接和调试的过程中有很多错误和不同意见，但终究是在大家一起努力下解决了很多问题。

参考文献

附录 Ⅰ 总电路图

附录 Ⅱ 元器件清单

7SEG-COM-CATHODE                 共阴极数码管         2个

CD4511                                                    译码器                          2个

74LS192                                                               计数器               2个

74LS147                 编码器               2个

DAC0832                                                              数模转换器           2个

NE5532                                                                运算放大器           2个

74LS123                                                                单稳态触发器         1个

TIP41                                                                功率三极管           2个

POT-HG-100             100欧电位器                       2个

RES-10K                                                              10千欧电阻                       1个

RES-500                                                             1千欧电阻                         2个

RES-100                                                              100欧电阻                       1个

RES-200                 200欧电阻           3个

RES-62                             62欧电阻                       1个

8欧5w的功率电阻                                         1个

单刀双掷开关                                 18个

Switch                               自锁开关             1个

Button                                                                                      微动开关             2个