数控稳压电源设计报告

2007级电子信息工程
模拟、数字电路课程设计报告书
设计题目简易数控稳压电源
姓名正中、毕轶
学号、
学院物理与电子信息工程学院
专业电子信息工程
班级2007级3班
指导教师胡仲秋
2009年12 月19日
目录
1设计任务、要求及方案选择1
1.1设计任务1
1.2设计要求1
1.3设计方案的比较与选定2
1.3.1方案一（如图2所示）2
1.3.2方案二（如图3.所示）2
1.3.3方案三（如图4.所示）3
1.4电路工作原理3
2单元电路设计参数计算与元器件选择4
2.1数字控制部分4
2.1.1单脉冲产生4
2.1.2计数部分6
2.1.3显示部分7
2.2D/A变换部分9
2.3可调稳压部分10
2.4辅助电源部分13
3在调试及组装电路过程中出现的问题及解决方法15
3.1辅助电源的安装调试15
3.2单脉冲及计数器调试15
3.3D/A变换器电路调试15
3.4可调稳压电源部分调试15
3.5调试中发现的其他问题16
3.6调试中原始数据记录16
4心得与体会16
5致17
附录：18
1原理图18
2 PCB图19
3作品照片20
4元件清单20
参考文献：22
1设计任务、要求及方案选择
1.1设计任务
设计出有一定输出电压围和功能的数控电源。

其原理示意图1.如下：
图1.原理方框图
1.2设计要求
1.基本要求
①输出电压：0～+9.9V，步进量0.1V；
②输出纹波：<10mV；
③最大输出电流：500mA；
④由“+”、“-”两键分别控制输出电压步进增减；
错误！未找到引用源。

数码显示输出电压。

2.发挥部分
①自制所用直流电源：±15V，+5V；
②拨码开关预置输出电压。

1.3设计方案的比较与选定
根据题目要求，提出以下三种设计方案：
1.3.1方案一（如图2所示）
图2 方案一方框图
在此方案中，其电路结构简单，能完成所要求功能。

但存在的不足之处是：D/A转换要求输入二进制数但是显示却要求输入BCD码。

实现这种转换的电路并不是一个简单的电路。

所以虽然这是最容易想到的一种方案。

我们却没有采用。

1.3.2方案二（如图3.所示）
采用以89C55芯片为核心的单片机最小系统作为该系统的控制部分。

其中采样与控制部分采用精度较高的12位A/D、D/A转换器，它不仅能实现步进0.1V 的基本要求，而且在对电压采样中，可以得到精度较高电流输出。

此外，控制部分电路还具有键控和显示等附加功能。

由于第二个方案所用的是单片机，设计出
产品的精度高能满足大众的要求，但是以我们的现有知识无法完成，故不选择。

图3方案二方框图
1.3.3方案三（如图4.所示）
图4方案三方框图
既然要面对BCD码与二进制码之间的转换问题，此方案中采用了4线—7线74LS248译码器来解决，且避免了单片机的使用，数字部分采用全数字电路实现，电流输出采用集成稳压块功率扩展电路。

综上所述，选用方案三。

1.4电路工作原理
题目是设计一种从0.0~9.9V变化、步长为0.1V的简易数控电源。

设计思想应为：在达到性能指标的前提下，选用低价格通用元器件设计制作电路。

电路应简单、可靠，具有实用性，容易转变为实用产品。

数控直流稳压电源，主要包括三大部分：数字控制部分、D/A变换器及可调稳压电源。

整个系统的工作原理简述如下：数字控制部分用+/-按键控制产生可增加或减BCD码，BCD码输入到D/A变换，变换成相应的电压，此电压通过放大到合适的电平之后加到可调稳压部分，控制输出电压以手动0.1V的电压步进或步减。

2单元电路设计参数计算与元器件选择
2.1数字控制部分
2.1.1单脉冲产生
冲输出
冲输出
图5单脉冲产生电路
电路如图5.所示，该电路有“+”、“-”两按键控制计数器数字输出的加/减。

按下“+”或“-”按键，产生的输入脉冲输入到74LS192的CP+或CP-端，
以便控制74LS192的输出作加计数还是减计数。

为了消除按键的抖动脉冲，分别在“+”、“-”控制口接入了由双集成单稳态触发器CD4538组成的单脉冲发生器，其引脚图和真值表如下所示，由此可得出：16脚V DD 接电源（5V ）；8脚V SS 接地；为了能完成所需的功能，3、13脚清零端C D 始终接高电平，既电源。

H=High Level L=Low Level
↑=Transition frow Low to High ↓=Transition frow High to Low =One High Level Pulse =One Low Level Pulse
X=Irrelevant
图6.CD4538真值表
图7CD4538引脚图
查阅资料可得，CD4538的脉冲时间τ=100mS
,.
10,1,100,1,100,
21111063KΩ====KΩ===KΩ=∴⋅=R R F C C R R F C R C R X X X X μμτ
2.1.2计数部分
电路如图8.所示，两片可预置十进制同步可加/减计数器74LSl92构成2位十进制加法计数器，电路采用串行进位方式级联。

当个位计数器由9复位到0时，其发出一个正脉冲作十位计数器加计数的时钟信号。

使十位计数器加1计数。

74LS192其管脚图如下：
高位输出
图8.计数部分电路
图9.74LS192引脚图
由图可得：16脚V CC 接电源（5V ）；8脚接地；当清除端14（MR ）为高电平时，不管时钟端CP D 、CP U 状态如何，即可完成清除功能，所以14脚接地；11脚PL 为为置入控制端，且低电平有效，所以要有置数功能，两块74LS192的11脚均接地；12脚u TC 为进位输出端，13脚D TC 为错位输出端，进行级联时，把前一级的TCu 和D TC 分别接入后一级的CP U 、CP D 。

两片74LS192的置入控制端11脚PL 分别外接上拉电阻R 4、R 7（取KΩ10）和按钮开关，即可通过按钮开关控制来实现预置数功能，当按钮开关按下时，便可实现预置数功能。

两片74LS192的输入端P 0~P 3分别外接4个上拉电阻，R 8=R 9=R 10=R 11=R 12=R 17=R 18=R 19=KΩ10，并通过普通开关与电源连接。

开关闭合表示输入为“1”，断开为“0”。

2.1.3显示部分
电路如图10.所示，这里采用数码显示输出电压大小，用74LS248为驱动器。

其中，因为74LS47可用来驱动共阳极的发光二极管显示器；而74LS248则用来驱动共阴极的发光二极管显示器。

74LS47为集电极开路输出，使用时要外接电阻，而74LS248的部有升压电阻，可以直接与显示器相连接。

由于电路采
用了两级BCD码计数器，而且计数器输出仅仅代表电压值的代码，而不代表具体电压，因此不必考虑与D／A接口的问题。

故直接采用两片74LS248作为静态显示即可。

因为显示器的公共端接高电平，需要接一上拉电阻，故取R
8=R
12
=1K，
而小数点接电源而使其常亮。

低位输入
图10.显示部分电路
2.2D/A 变换部分
U 1
图11.D/A 变换部分
为了降低成本，使用分立的变形权电阻及运算放大器构成D/A 变换。

D/A 变换是运放的求和运算。

如图11.所示。

此电路将计数器中的数字信号转变为模拟信号，就是将输入二进制中为1的每一位代码按其权的大小，转换成模拟量，然后将这些模拟量相加，相加的结果就是数字量成正比的模拟量。

[]3124242526271
5678
11282930311
35678124124
2526272829303111S S f f U U U U U U U U U R R R R R U U U U U U R R R R R R U U U U U U U U U U U U U R R R R R R R R R '''''
----+++='++++=-⎛⎫⎛⎫''''----∴+++++++=- ⎪ ⎪
⎝⎭⎝⎭
3210321011
1221
212222
0000,1000,5
_[2]5 _[3]f f IN IN K K K K Q Q Q Q U R R
R R U U U R R R R ===--⋅=⇒=⋅
由[1]得，令U '=0，3567812424
252627282930311,O
f U U U U U U U U U k R R R R R R R R R ⎛⎫⎛⎫+++++++=- ⎪ ⎪⎝⎭⎝⎭其中k=0.1，当U 1，U 2，U 3，U 4，U 5,U 6,U 7,U 8均为零时，R 5,R 7,R 15,R 32,R 33,D 2,D 3,D 4,D 5构成清零功能，使输出U IN =0。

2.3可调稳压部分
U8
J1图13.可调稳压部分
为了满足稳压电源最大输出电流500mA 的要求，可调稳压电路选用了集成三端稳压块CW7805组成，该稳压器的最大输出电流可达1.5A ，稳压系数、输出电阻、纹波大小等性能指标均能满足设计要求。

且CW7805原本是输出固定电压5V 的集成稳压块，但可以外接电阻来改变输出电压值。

要使稳压电源能在
0.0—9.9V 之间调节，可采用如图13.所电路。

设运放为理想元件，则有
2014
122013142014
12201314
12131420,,5,,
50,15O N P N P P IN IN O O IN
O IN
U U U U U R R U U U U R R R R R R U U R R R R R R R R K U U =+===-++∴=+
++====Ω∴=+
由此可见，U I 与U IN 之间成线性关系，当U IN 变化时，输出电压也相应改变.若要求输出电压步进增或减，U IN 步进增或减即可。

所以，当
()3210321000014131413
13141413141332103210020
1220
01413
0000,
0,5,5555,
000001000,0.8, 4.2,,
0.8P N N P N N N N P N IN N N P N Q Q Q Q K K K K U V U V U V U U U U U U R R R R R R U R R U R R Q Q Q Q K K K K U V U V R U U R R U U U U R R U R =='==='---+⇒
=⇒=-∴=+=∴=====-=
⋅--⇒=-，，
，，
141320201220122014
0131412201314
4.2 1.7,2.31.71,
400,5,1,
15
0.8 2.38,0.412
N N IN
IN
IN U U U V R R R K R R R R R U U R R K R R R R U U V +=⇒=-∴==Ω+⇒=Ω=+==Ω++∴=+⇒=-+，
结合D/A 转换部分和可调稳压电源，可得：
121221*********
715323320, 2.2,9.1,39,400,150,100,
f R K R K R K R K R R R R K R R K R R R R =Ω=Ω=Ω=Ω=Ω===Ω'==Ω====KΩ，
2.4辅助电源部分
图14.辅助电源部分
本部分电路主要提供给稳压调节电路及各部分集成电路（包括运放和数字击集成电路）的供电电源。

要完成D/A 转换及可调稳压器的正常工作，运算放大器LM324必须要求正、负双电源供电.先选择±15V 供电电源。

数字控制电路要求5V 电源，可选择由CW7805集成三端稳压器组成的电源实现。

其中包括变压器降压、桥式整流、电容滤波、三端稳压集成电路稳压环节。

如图9.所示。

滤波电路的输出电压应满足下式:
max ()min i o i o rip i
U U U U U U ≥+-++∆
式中，max o U —稳压电源输出最大值;
()min i o U U -—集成稳压器输入输出最小电压差;
rip U —滤波器输出电压的纹波电压值(一般取o U ，()min i o U U -之和的
10%);
()min i o U U -rip U 之和的10%)。

对于集成稳压器，当()min i
o U U -=2V~10V 时，具有较好的稳压输出特性，
故滤波器输出电压值 152 1.7 1.8720i U V ≥+++≥
取i U =20V 。

根据i U 可确定变压器次级电压2U ，
220
181.1~1.2 1.1
i U U V
==≈
在桥式整流电路中，变压器次级电流与滤波器输出电流的关系为：
21(1.5~2) 1.50.50.75I I A ==⨯=，
取变压器的效率0.8η=，则变压器的容量为
22
180.75
170.8
U I P W η
⨯=
=
=，故选择容量为20W 的变压器。

因为流过桥式电路的每只二极管的电流为
0.5max 0.5max 0.50.50.25D i o I I I A ===⨯=
每只整流二极管承受的最大反向电压为
2max 1.41418(110%)28RM U V ==⨯⨯+≈，故选用二极管1N4001，其参数为：I D =1A,U RM =100V 。

可见能满足要求。

一般滤波电路的设计原则是，取其放电时间常数RLC 是其充电时间常数的2~5倍。

对于桥式整流电路，滤波电容C 的充电周期等于交流电源周期的一半，即
L 4I (2~5)(2~5)22
2(2~5),3R =I 1.5
37.51022000
I
I
I T
RLC f
f
U RLC RLC I C U F
f
ωπωπωππ
π-≥==∴≥=⇒===⨯取，
取C 1=C 2=470uF,同理C 5=C 6=220uF 。

因为C 3,C 4,C 7,C 8是为了防止产生自激振荡而用于改善波形的，故一般取用C 3=C 4=C 7=C 8=0.1uF 。

C 9是用于改善负载的瞬态响应的，故选用100uF ，耐压值为25V 的铝电解电容。

3在调试及组装电路过程中出现的问题及解决方法 3.1辅助电源的安装调试
在安装元件之前，尤其要注意电容元件的极性，注意三端稳压器各端子的功能及电路的连接.检查无误后，加入交流电源，测量各输出端直流电压值。

在实际调试过程中，发现7805的输出端和地端接反，故采取使之旋转90度，交换输出端和低端的方法解决该问题。

3.2单脉冲及计数器调试
加入5V 电源，用万用表测量计数器输出端子，分别按动“+”、“-”键，观察计数器的状态变化。

调试过程中能够输出脉冲，工作正常，但发现计数器74LS192的清零端误接为VCC ，导致清零端始终清零，无法计数，故将清零端改为接地，从而解决该问题，加减正常，同时预置数也正常。

3.3D/A 变换器电路调试
将计数器的输出端分别连接到D/A 转换器的数字输入端，在30K -K =0000，
30Q -Q =0000，调节5R ，5
R ，使运算放大器输出IN U =0V 。

在调试过程中发现R 22取值偏小，放大倍数不够，导致无法调零，故在R 22端串联一支50K 的微调电阻，使之能够正常调零。

另外，由于R 24-R 31所需为非标电阻，无法满足，之能用标准电阻串并联构成，故使步进值不能精确地达到0.1V 。

3.4可调稳压电源部分调试
将电路连接好，在运算放大器同相输入端加入一0-10V 的直流电压，观察输出稳压电压值的变化情况。

将上述各部分电路调试好后，将整个系统连接起来进行通调。

3.5调试中发现的其他问题
除上述提到的问题外，在调试过程中，还发现由于焊接工艺较差造成部分焊点虚焊后漏焊，问题发现后，一一解决。

3.6调试中原始数据记录
4心得与体会
本次课程设计是我们第一次将所学知识用于实践，从选题开始，到设计方案的选择制定，原理图的绘制，PCB板的制作，作品的制作、调试，最后形成设计报告，我们对设计的整个流程都有了一定的体会，期间发现了很多问题，原理图
修改了9次，PCB板的布线设计进行了4次，设计报告修改了7次，调试的过程也是花费了相当的时间，整个设计历时6周，从中我们感受到了很多，明白了理论和实践的差距，有很多问题只有在真正实践的过程中才会有所体会和收获；我们也深知自身还存在很多不足，例如对问题的考虑不够充分，基础知识不够扎实导致参数的计算和元件的选择相对困难，调试过程中不能及时发现并解决问题等等。

总之，在经历过此次课程设计后，我们对模拟、数字电路的相关知识有了更深的体会，在设计的过程中锻炼了自身的耐心、细心，为今后的毕业设计甚至工作求职打下了一定的基础，也激励我们今后应该更多进行实践，更好的学习专业知识。

5致
由于是初次完成这样的课程设计，我们对设计的整个流程难免陌生，经验和能力都存在不足，因此非常感指导老师胡仲秋老师的悉心的指导，他对我们的方案的制定，作品的调试都提供了极大的帮助，胡老师的建议、指导使我们收获了很多，而胡老师对工作的认真负责，一丝不苟更是让我们肃然起敬，另外，还要感薛世华副院长以及曾茂良师兄对我们PCB板制作过程和设计报告完成中的指导和建议，最后，感所有帮助过我们的老师和同学，你们的帮助使我们获益良多，必将激励我们更加努力的学习，不断进步。

1原理图
原理图
PCB图
3作品照片
4元件清单
元件清单
数量规格编号备注电阻
4 1K R20，R23,R13 ,R14
1 2.2K Rf1
1 96K Rs1
2 40K R25,R29 2 80K R26,R30
参考文献：
[1]康华光.电子技术基础(模拟部分）(第四版）.高等教育.2006
[2]康华光.电子技术基础(数字部分）(第五版）.高等教育.2008
[3]立萍.一种简易数控电源的设计.学院学报（自然科学版），2008.。