数控稳压电源的设计

电子技术课程设计说明书题目：数控直流稳压电源B
学生姓名：李涛
学号： 201206010219
院（系）：电气与信息工程学院
专业：电气工程及其自动化
指导教师：侯勇严
2014 年 12 月 26日
数控直流稳压电源 (1)
1 选题背景 (1)
1．1 指导思想 (1)
1．2 方案论证 (1)
1．3 基本设计任务 (2)
1．4 发挥设计任务 (2)
1．5电路特点 (2)
2 电路设计 (3)
3 各主要电路及部件工作原理 (3)
3.1 74LS192 (3)
3.2 D/A 转换电路（数模转换器）的设计 (4)
3.3 555电路 (6)
3.4 调整输出电路的设计 (6)
4 原理总图 (7)
5 元器件清单 (7)
6 调试过程及测试数据（或者仿真结果） (8)
6.1 开关防抖电路 (8)
6.2 计数显示 (8)
6.3控制电路的仿真实现 (9)
6.4 调整输出 (10)
7 小结 (11)
8 设计体会及今后的改进意见 (11)
8.1设计体会 (11)
8.2 本方案特点及存在的问题 (12)
8.3 改进意见 (13)
参考文献 (14)
数控直流稳压电源
1 选题背景
直流电源的应用在生活中非常广泛。

它为许多用电器直接提供能量。

特别是电子产品，大多为36V以下的低压。

然而生活中电压多为220V交流，不能为这些用电器直接供电。

数控直流电源解决了这些问题，且能够不同电压等级的电压，给我们带来了极大的方便。

1．1 指导思想
首先将220V交流电通过变压器变为25V左右的低压，再通整流桥把交流变为直流，再经过大容量的滤波电容加到稳压管的输入端，稳压管输出端接一与定值电阻串联的电位器，使输出电压可调。

这为数控部分和运放提供稳定的直流电压。

数控直流电源的主要部分是控制，用按动开关为加减计数器提供脉冲，再用数码管做显示部分，显示计数器的当前值，（即输出电压的大小）再将计数器连接到DAC0832上把数字量变为模拟量，控制功放管的基极来控制输出电压，最后调整输出，达到所需要求。

1．2 方案论证
根据设计任务要求，数控直流稳压电源的工作原理框图如上图1所示。

主要包括这几部分：自制稳压电源、数控部分电路、显示电路、模拟/数字转换电路（D/A变换器）、过流保护及输出电路部分。

数字控制部分用“+”、“-”按键控制可逆计数器，计数器的输出输入到D/A变换器，经D/A器转换成相应的电压，此电压经过放大到合适的电压值后，去控制稳压电源的输出，使稳压电源的输出电压以0.1V的步进值增减。

方案一：此电源也主要有两部分组成，一部分直流电源供电部分，另一部分为数字控制部分，而它的主要功能由单片机来实现，数字控制部分简单易行，但需要编程。

且不符合此次课程实际的要求。

方案二：采用串联型稳压电路，数控基准电压源的电压大小可以通过可逆计数器进行数据设置，计数器的内容对应于稳压电源的输出电压，同时该计数器值经过译码显示电
路，显示出当前稳压电源的输出电压。

计数器的输出送至D/A转换器，转换成相应的电压，此电压去控制稳压电源的输出，使稳压电源的输出以0.1V的步进值增或减。

优点：容易进行数控，调节简单。

方案选择：方案二囊括了数模电的许多知识，而且从理论上简单易懂。

用到了555电路去除电路当中抖动，稳定输出数值，用了加减计数器是输出电压增加或减少，且使输出电压以0.1步进，数值大小用数码管来显示。

加减计数器的输出接到数模转换器DAC0832，把数字变为模拟量，DA的输出接到运放放大器上，并用求和电路把两个DA的电压加起来，（即把个位和十位加起来），用求和后的电压控制功放管的基极。

功放管的集电极接直流供给电源，为电路提供功率。

电路基本设计好，使用时通过两个按动开关，控制两个加减计数器，加减计数器输出几，数码管显示多少，输出电压也对应为几伏。

让我们学会用理论指导实践，理论与实践相结合，从实践当中升华理论知识。

1．3 基本设计任务
1)输出电压：0∽9．9V步进可调，调整步距0．1V；
2)输出电压的误差≤±0.05V；
3)用LED数码管显示输出电压的设定值；
4)最大输出电流≥1A。

5)电压调整：由“+”、“-”两键分别控制输出电压的步进增减；
1．4 发挥设计任务
输出电压可在0~9.9V范围可以任意预置。

1．5电路特点
我们选的数控直流电源这个课题，既涉及数电的知识，又有模电知识。

这个数控稳压电源实际上是用按键让加减计数器变化来控制输出电压的大小。

也就是用数电部分的数字量去控制模拟部分的输出量。

我们用了两片10位加减计数器74HC192,两片数模转换器DAC0832作为数字部分的控制。

两片计数器分别于两个模数转换器连接，两片计数器都是从0——9变化，一片作为个位控制，另一片作为十位控制，通过数模转换器后输出为电流量。

再通过运放转换为电压的形式输出。

一个运放输出接1K的电阻，另一个运放接10K
的电阻同时接到加法器上，加法器上的反馈电阻位1K.再通过功放管。

就这样转化成了所需要的模拟量。

又用数码管作为显示部分。

数码管上显示输出的量。

就这样很容易的做成了数控直流电源。

实现数字量控制模拟量。

2 电路设计
此数控直流稳压电源共有六部分，输出电压的调节是通过“+”、“-”两按键操作，步进电压精确到 0.1V 。

可逆计数器的二进制数字输出分两路运行：一路用于驱动数字显示电路，精确显示当前输出电压值；另一路进入数模转换电路（D/A 转换电路），数模转换电路将数字量按比例转换成模拟电压，然后经过射极跟随器控制,调整输出级，输出稳定直流电压。

为了实现上述几部分的正常工作，需要使输出0∽9．9V步进可调，调整步距为0.1V的稳定可调直流电压。

3 各主要电路及部件工作原理
3.1 74LS192
74LS192是双时钟方式的十进制可逆计数器，CPU为加计数时钟输入端，CPD为减计数时钟输入端；LD为预置数输入控制端，异步预置；CR为复位输入端，高电平有效，异步清除。

CO为进位输出：1001状态后负脉冲输出；BO为借位输出：0000状态后负脉冲输出。

3.2 D/A 转换电路（数模转换器）的设计
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，这里只使用高4位数字量输入端。

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，低位DAC输出模拟量经 9：1分流器分流后与高位DAC 输出模拟量相加后送入运放，具体实现由900Ω和100Ω的电阻相并联分流实现，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，集成运放采用具有调零的低噪声高速优质运放 NE5534。

DAC0832的引脚图如图10所示。

DAC0832芯片主要引脚功能：
DI1~DI7：8位二进制数据输入端；
ILE：输入锁存允许，高电平有效；
CS：片选信号，低电平有效；
WR1，WR2：写选通信号，低电平有效；
XFER：转移控制信号，低电平有效；
Rfb：内接反馈电阻，Rfb=15KΩ；
IOUT1，IOUT2：输出端，其中 IOUT1 和运放反相输入相连，IOUT2 和运放同相输入端相连并接地端；
Vcc：电源电压，Vcc 的范围为+5V~+15V；
Vref：参考电压，范围在-10V~+10V； GND：接地端。

当 ILE=1,CS=0,WR=0，输入数据 DI1~DI7存入8位输入寄存器中，当WR2=0，XFER=0时，输入寄存器中所存内容进入8位DAC寄存器并进行D/A转换。

当DAC0832外接运放A构成D/A转换电路时。

DAC0832 最具特色是输入为双缓冲结构，数字信号在进入 D/A 转换前，需经过两个独立控制的8位锁存器传送。

其优点是 D/A 转换的同时，DAC寄存器中保留现有的数据，而在输入寄存器中可送入新的数据。

系统中多个 D/A 转换器内容可用一个公共的选通信号选通输出。

由于DAC0832输出级没有加集成运放，所以需外加NE5532相配适用。

IN-为反相输入端,IN+为同相输入端； OUT为输出端；
COMP/BAL的作用为通过调节外接电阻,以达到改善放大器的性能和输出电压；
Vcc-和Vcc+为正负电源引脚；
3.3 555电路
555的8脚是集成电路工作电压输入端，电压为5～18V，以UCC表示；从分压器上看出，上比较器6脚A1的５脚接在R1和R2之间，所以5脚的电压固定在2U/3上；下比较器A2接在R2与R3之间，A2的同相输入端电位被固定在U/3上。

1脚为地。

2脚为触发输入端；3脚为输出端，输出的电平状态受触发器控制，而触发器受上比较器6脚和下比较器2脚的控制。

当触发器接受上比较器A1从R脚输入的高电平时，触发器被置于复位状态，3脚输出低电平；2脚和6脚是互补的，2脚只对低电平起作用，高电平对它不起作用，即电压小于1U/3，此时3脚输出高电平。

6脚为阈值端，只对高电平起作用，低电平对它不起作用，即输入电压大于2 U/3，称高触发端，3脚输出低电平，但有一个先决条件，即2脚电位必须大于1U/3时才有效。

3脚在高电位接近电源电压U，输出电流最大可打200mA。

4脚是复位端，当4脚电位小于0.4V时，不管2、6脚状态如何，输出端3脚都输出低电平。

3.4 调整输出电路的设计
输出电压的调整，主要是运用射极输出器发射极上所接的4.7K电阻来完成的。

此反馈电阻的主要作用是把输出电压反馈到NE5532的输入级的反向输入端，当同相输入端IN+和反向输入端IN-有差别时，调整输出电压使之趋于稳定，从而达到调整输出电压的目的。

4 原理总图
5 元器件清单
表格5-1
6 调试过程及测试数据（或者仿真结果）6.1 开关防抖电路
6.2 计数显示
6.3控制电路的仿真实现
控制电路采用了两个按键，分别为“+”和“-”，用来调节设定电压，可以以0.1V 的步进增加或减少。

当按下“+”和“-”键，产生的脉冲输入到74LSl92的CP、UP端或DOWN端来控制74LSl92的输出是作加计数还是减计数。

6.4 调整输出
7 小结
这次课程设计遇到了很多问题，花费了很多时间，消耗了很多精力，但是也调动了学习的兴趣，体会到了设计的艰辛，也学到了很多平时学不到的知识，总之这次课程设计还是比较成功的。

刚开始做课程设计时，我们组进展一直很快，这主要得以与我与队友的密切合作，每次要进行某一部分时，我们都进行了明确的分工，先完成任务的总是给另一个提供帮助，始终保持步调的一直。

课程设计完后，我体会到了一个人，无论他时多么优秀，总是有他的局限性，很难把问题的方方面面都考虑到，必须相互协作才能更好的解决问题。

只要两人能够密切配合，就能得到1+1>2的效果，如果配合不好，在设计中两个人有了严重分歧，这时应以完成任务为第一要务，一定要控制好个人的情绪。

负责两个人合作的结果只能是1+1<2,甚至是1+1<1的效果。

但是过了两个周后，进展颇为艰难，主要是我们没有注意到一些细节问题，如DAC参考电压应接-16V，而不是+16V，运放NE5532应接+15V和-15V电压，我们当时只接了+15V和0V。

就是这些细节问题耗费了我们很多宝贵的时间，让我深刻明白了“细节决定成败”这句话的含义，在以后的设计中切不可掉以轻心！设计方案模拟成功后，我和同学一起到电子市场买了很多电子元器件，在这个过程中，我们查了 13 很多资料，比较了各种元器件的性能，为了降低设计成本，还和销售人员进行了谈判式的讨价还价。

最终通过各种渠道，买齐了各种元器件。

经过这次课程设计让我明白了要想成为一位高手，必须具有渊博的知识，深厚的积累，十八般武艺需得样样精通，现在我掌握的知识还非常少，还需长期不懈的进行奋斗！
8 设计体会及今后的改进意见
8.1设计体会
设计，总是给人以创作的冲动。

设计也是一种艺术，当把自己的想法以电路的形式呈现在自己面前时，所拥有的更多是成功感。

在电子工程师心中，设计是贝尔实验室的电话机或是华为的程控交换机。

凡此种种，但凡涉及设计都是一件良好的事情，因为它能给人以美的幻想，能给人以金般财富，我就是以此心态对待此次电子技术课程设计的，所谓“态度决定一切”，于是偶然又必然地收获了诸多，概而言之，大约以下几点：（1）温故而知新。

课程设计发端之始，思绪全无，举步维艰，，对于理论知识学习不
够扎实的我深感“书到用时方恨少”，当要用到计数器时，总是想不去各引脚接法，于是想起圣人之言“温故而知新”，便重拾教材与实验手册，对知识系统而全面进行了梳理。

有时看是简单的问题，实际做起来老出问题，如计数部分模拟是总是得不到预期结果，输出电压总与期望值偏差较大，数码管显示不稳定等等，每次遇到难处先是苦思冥想再向同学请教，终于熟练掌握了基本理论知识，而且领悟诸多平时学习难以理解掌握的较难知识，学会了如何思考的思维方式，找到了设计的灵感。

（2）勤学出思路。

当初没有思路，诚如举步维艰，茫茫大地，不见道路。

当我们做好控制部分时，突然想到输出功率达不到要求，我们想了很长时间后还是没想到解决方案。

在我们对理论知识进行梳理梳理，发奋勤学掌握之后，茅塞顿开，柳暗花明，思路如泉涌，想到了做一个模拟电源出来再加以控制，想到这儿，我俩高歌“条条大路通罗马”。

顿悟，没有思路便无出路，原来思路即出路。

（3）实践出真知。

这次课程设计深刻体会到“纸上得来终觉浅，绝知此事要躬行！”的道理。

看是简单的设计，动起手来总出问题。

很多时候，一看就会的问题，动起手来一作就错！咋一看计数功能再简单不过，我们做时，做了几遍才成功，很多时候忽略了细节问题，比如运放要接正、负电源。

在将电路做成成品时出现了一个致命的缺陷，就是输出电流一直达不到要求的数值，怎么查都没发现其中的问题，最后经过翻资料并且在老师的帮助下发现其实是功率放大电路的三极管所选用的不合适导致的，其实都是这些小问题没注意到，让我们费尽周折！时至今日，课程设计基本告成，才切身领悟“实践是检验真理的唯一标准”。

因为在教材上，各部分只不过是用些芯片构成，也便不以为然搭建电路图，结果实际制作时电路出现诸多问题。

才真正理解理论与实践还存在不小的距离。

8.2 本方案特点及存在的问题
（1）本方案中采用了DAC0832，此输出为电流型器件，而我们所需要的为电压，因此必须在DAC0832输出端接有运放，将电流转换为电压，并有反馈电阻。

（2）由于设计对电流有一定要求，且输出功率较大，因此应选用大功率三极管，同时配有相应的散热片。

（3）此电路对信号的相加、比较通过5532实现，而5532有反向器的作用，因此需对输出电压的正负进行检测。

8.3 改进意见
方案用到了很多芯片，接线很多，由于时间和成本的问题，没有做PCB板，选用的电子元器件精度不够高，这样噪声比较大。

对此，本方案采用了以下改进措施：（1）采用单片机来取代控制计数器74HC192和译码器CD4511这一部分，这样不禁减少了芯片数量，也简化了线路，可以减少干扰。

（2）采用软件延时的方法，可以取代硬件消除抖动部分，也可简化硬件电路。

（3）运放全部采用NE5532，NE5532有调零端，这样输出可以更加精确。

（4）采用军品的电子元器件，提高精度。

参考文献
【1】阎石.数学电子技术基础.清华大学.高等教育出版社.2006
【2】康华光.电子技术基础（模拟部分）.华中科技大学. 高等教育出版社.2006 【3】马全喜.电子元器件与电子实习.机械工业出版社.2006
【4】何杜成、袁跃进.电机-光电显示-改进应用电路.山东科学技术出版社.2007 【5】李志健. 数字电子技术基础实验任务书.陕西科技大学教务处.2007
【6】杨刚、周群.电子系统设计与实践.电子工业出版社.2004。