簡易數(shù)控直流電源設(shè)計(jì)

1、課程設(shè)計(jì)任務(wù)書20152016學(xué)年第二學(xué)期專業(yè)：電子信息工程（電子技術(shù)應(yīng)用方向）學(xué)號：1401020023姓名：鈕豪 課程設(shè)計(jì)名稱： 電子技術(shù)課程設(shè)計(jì) 設(shè)計(jì)題目： 簡易數(shù)控直流電源設(shè)計(jì) 完成期限：自 2016 年 6月 13 日至 2016 年 6 月 26 日共 2 周一、設(shè)計(jì)依據(jù) 本課題要求利用電子技術(shù)知識設(shè)計(jì)出一定輸出電壓范圍和功能的數(shù)控電源。電路由數(shù)字控制部分、D/A轉(zhuǎn)換部分、可調(diào)穩(wěn)壓部分組成。數(shù)字控制部分采用“+”“-”按鍵來分別調(diào)整控制輸出電壓步進(jìn)增減，信號經(jīng)過D/A轉(zhuǎn)換后控制調(diào)整步進(jìn)為0.1V，可輸出0+9.9V的穩(wěn)定直流電壓，并采用LED顯示輸出電壓，同時預(yù)設(shè)一個復(fù)位按鍵來進(jìn)行

2、復(fù)位。通過本課題的練習(xí)，學(xué)生的綜合知識應(yīng)用能力、設(shè)計(jì)能力將有較大提高，對今后從事電子產(chǎn)品的研制、生產(chǎn)、經(jīng)營維修等打下基礎(chǔ)。 二、主要內(nèi)容及要求 主要內(nèi)容： 1、要求輸出電壓范圍0+9.9V、步進(jìn)0.1V、波紋不大于10mv；輸出電流500mA；輸出電壓值由數(shù)碼管顯示；由“+”、“-”兩鍵分別控制輸出電壓步進(jìn)增減；同時預(yù)設(shè)一個復(fù)位按鍵來進(jìn)行復(fù)位；可自制一個穩(wěn)定直流電源（輸出±15V.+5V）。 2、設(shè)計(jì)要求畫出電路原理圖（或仿真電路圖）；元器件及參數(shù)選擇；電路仿真與調(diào)試；PCB文件生成與打印輸出。 3、制作要求自行裝配和調(diào)試，并能發(fā)現(xiàn)問題和解決問題。 4、撰寫設(shè)計(jì)報告，寫出設(shè)計(jì)與制作的

3、全過程，附上有關(guān)資料和圖紙，有心得體會。 設(shè)計(jì)要求： 1、給出詳細(xì)的總體設(shè)計(jì)方案； 2、完成各部分具體功能電路設(shè)計(jì)，包括“+”、“-”鍵控制的可逆計(jì)數(shù)器的設(shè)計(jì)、D/A轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì)、可調(diào)輸出設(shè)計(jì)、LED顯示電路設(shè)計(jì)、自制穩(wěn)壓電源設(shè)計(jì)； 3、仿真、調(diào)試驗(yàn)證各部分設(shè)計(jì)的正確性； 4、整理設(shè)計(jì)成果，完成設(shè)計(jì)說明書的撰寫。 三、途徑和方法 本課題利用電子技術(shù)設(shè)計(jì)一個數(shù)控直流電源，可以先查閱相關(guān)資料（網(wǎng)上查找或參考相關(guān)書籍手冊），明確課題的方向和目的，然后學(xué)習(xí)完成課題所需的理論知識，了解可逆計(jì)數(shù)器、D/A轉(zhuǎn)換電路、LED顯示電路的工作原理；在理解的基礎(chǔ)上確定設(shè)計(jì)電路方案，設(shè)計(jì)電路，畫出原理圖及PCB印制版

4、圖，最后提交課程設(shè)計(jì)說明書一份。 四、時間安排 課題講解：2小時 閱讀資料：10小時 撰寫設(shè)計(jì)說明書：12小時 修訂設(shè)計(jì)說明書：6小時 五、參考文獻(xiàn) 1 樂麗琴. 數(shù)字電子技術(shù) M. 北京：電子工業(yè)出版社，2014. 2 王毓銀. 脈沖與數(shù)字電路（第三版）M. 北京：高等教育出版社，1999. 3 路勇. 電子電路實(shí)踐及仿真（第一版）M. 北京：清華大學(xué)出版社，2004. 4 岳怡. 數(shù)字電路與數(shù)字電子技術(shù)（第一版）M. 西安：西北工業(yè)大學(xué)出版社，2001. 5 劉常澍. 數(shù)字邏輯電路（第一版）M. 北京：國防工業(yè)出版社，2002. 6 蕭寶瑾. protel 99 SE操作指導(dǎo)與電路設(shè)計(jì)實(shí)例

5、（第一版）M. 太原：太原理工大學(xué)，2004. 7 趙學(xué)良，張國華.電源電路M.北京:電子工業(yè)出版社,1995. 8 張義申，陸坤. 電子設(shè)計(jì)技術(shù)M. 西安:電子科技大學(xué)出版.1996. 指導(dǎo)教師（簽字）： 教研室主任（簽字）： 批準(zhǔn)日期： 年 月 日簡易數(shù)控直流電源設(shè)計(jì) 摘 要電子系統(tǒng)的正常運(yùn)行離不開穩(wěn)定的電源，除了在某些特定場合下采用太陽能電池或化學(xué)電池作電源外，多數(shù)電路的直流電是由電網(wǎng)的交流電轉(zhuǎn)換來的，能長期、連續(xù)地工作，給人們生產(chǎn)生活帶來了極大的方便。但是當(dāng)前的大部分穩(wěn)壓電源輸出電壓不穩(wěn)定，給設(shè)備造成致命傷害或誤動作，影響設(shè)備的使用壽命、加速設(shè)備的老化。本文所研究的數(shù)控直流電源具有輸出

6、電壓穩(wěn)定、工作可靠，范圍可調(diào)、成本較低等特點(diǎn)。本課題主要對簡易數(shù)控直流電源電路的硬件設(shè)計(jì)進(jìn)行了詳細(xì)的描述。首先，本文概述了數(shù)控電源的背景、發(fā)展?fàn)顩r及其設(shè)計(jì)要求。其次，本文講述了簡易數(shù)控電源系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)方案及其論證。再次，本文介紹了本課題用到的集成電路的內(nèi)部結(jié)構(gòu)及外圍引腳功能。最后，本文簡述了整流濾波電路、數(shù)字控制電路、D/A轉(zhuǎn)換器及穩(wěn)壓調(diào)節(jié)電路的設(shè)計(jì)方法，并設(shè)計(jì)出整體電路。 關(guān)鍵詞：整流濾波電路，數(shù)字控制電路，D/A轉(zhuǎn)換器，穩(wěn)壓調(diào)節(jié)電路目 錄1 緒論11.1課題描述11.2基本工作原理及框圖12 相關(guān)芯片22.174LS192芯片22.2DAC0832芯片22.374LS47芯片33 主要電

7、路設(shè)計(jì)的電路圖及原理33.1“+”、“-”鍵控制的可逆計(jì)數(shù)器的設(shè)計(jì)3工作原理4 元件的選擇53.2數(shù)字顯示電路的設(shè)計(jì)5 工作原理5 元件的選擇53.3D/A 轉(zhuǎn)換電路（數(shù)模轉(zhuǎn)換器）的設(shè)計(jì)63.4自制穩(wěn)壓電源73.5調(diào)整輸出的設(shè)計(jì)74 總體電路設(shè)計(jì)以及元器件清單84.1總體電路設(shè)計(jì)84.2元器件清單85 仿真分析95.1自制穩(wěn)壓電源電路95.2整體電路9總 結(jié)11致 謝12參考文獻(xiàn)131 緒論1.1 課題描述本課題利用電子技術(shù)知識設(shè)計(jì)出一定輸出電壓范圍和功能的數(shù)控電源。電路由數(shù)字控制部分、D/A轉(zhuǎn)換部分、可調(diào)穩(wěn)壓部分組成。數(shù)字控制部分采用“+”“-”按鍵來分別調(diào)整控制輸出電壓步進(jìn)增減，信號經(jīng)過D

8、/A轉(zhuǎn)換后控制調(diào)整步進(jìn)為0.1V，可輸出0+9.9V的穩(wěn)定直流電壓，并采用LED顯示輸出電壓，同時預(yù)設(shè)一個復(fù)位按鍵來進(jìn)行復(fù)位。1.2 基本工作原理及框圖本次所設(shè)計(jì)的數(shù)控直流電源與傳統(tǒng)穩(wěn)壓電源相比，具有操作方便，電壓穩(wěn)定度高的特點(diǎn)，其輸出電壓的大小采用數(shù)字顯示，整個系統(tǒng)包括：“+”，“-”鍵控制的可逆計(jì)數(shù)器的設(shè)計(jì)，可逆計(jì)數(shù)器的二進(jìn)制數(shù)字輸出分兩路運(yùn)行：一路用于驅(qū)動數(shù)顯電路，指示電源輸出電壓的大小值；另一路進(jìn)入D/A轉(zhuǎn)換電路，D/A轉(zhuǎn)換器將數(shù)字量按比例轉(zhuǎn)換成模擬電壓，然后禁果跟隨器控制調(diào)整輸出級輸出所需的穩(wěn)定電壓。為實(shí)現(xiàn)上述幾部分電路的正常工作，需要另制“+15v”“-15v”“+5v”的穩(wěn)壓直流

9、電源。流程圖如圖1所示。數(shù)顯電路D/A轉(zhuǎn)換可逆計(jì)數(shù)器調(diào)整輸出“+”“-”鍵穩(wěn)壓電路圖1基本工作原理框圖2 相關(guān)芯片2.1 74LS192芯片74LS192是同步十進(jìn)制可逆計(jì)數(shù)器，它具有雙時鐘輸入，并具有清除和置數(shù)等功能。74LS192引腳排圖如圖2所示。圖2 74LS192引腳排圖PU為加計(jì)數(shù)時鐘輸入端，CPD為減計(jì)數(shù)時鐘輸入端 LD為預(yù)置輸入控制端，異步預(yù)置 CR為復(fù)位輸入端，高電平有效，異步清除 CO為進(jìn)位輸出：1001狀態(tài)后負(fù)脈沖輸出 BO為借位輸出：0000狀態(tài)后負(fù)脈沖輸出12.2 DAC0832芯片DAC0832是8分辨率的D/A轉(zhuǎn)換集成芯片。與微處理器完全兼容。這個DA芯片以其價格

10、低廉、接口簡單、轉(zhuǎn)換控制容易等優(yōu)點(diǎn)，在單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中得到廣泛的應(yīng)用。D/A轉(zhuǎn)換器由8位輸入鎖存器，8位DAC寄存器，8位D/A轉(zhuǎn)換電路及轉(zhuǎn)換控制電路構(gòu)成。DAC0832引腳排列如圖3所示。圖3 DAC0832引腳排列圖2.3 74LS48芯片74LS47為四線七段譯碼驅(qū)動器，內(nèi)部輸出帶上了阻把它從計(jì)數(shù)器傳送來的二-十進(jìn)制碼，驅(qū)動數(shù)碼管顯示數(shù)碼。74LS47引腳排圖如圖4所示。圖4 74LS47引腳排列圖3 主要電路設(shè)計(jì)的電路圖及原理3.1 “+”、“-”鍵控制的可逆計(jì)數(shù)器的設(shè)計(jì)此部分電路主要用兩按鈕開關(guān)作為電壓調(diào)整鍵，與可逆計(jì)數(shù)器的加計(jì)數(shù)CPU 時鐘輸入端和減計(jì)數(shù)CPD 時鐘輸入端相連，可逆

11、計(jì)數(shù)器采用兩片四位十進(jìn)制同步加/減計(jì)數(shù)集成塊74LS192 級聯(lián)而成。74LS192 是雙時鐘，可預(yù)置數(shù)，異步復(fù)位，十進(jìn)制（BCD 碼）可逆計(jì)數(shù)器。與之功能相同的還有其它芯片，比較容易找到。3.1.1工作原理 由于輸出電壓從 0V 到 9.9V 可以調(diào)節(jié)，所以 74LS192 兩計(jì)數(shù)器總計(jì)數(shù)范圍從 00000000 到10011001（即099）,而74LS192 本身為十進(jìn)制可逆計(jì)數(shù)器，所以只需兩塊這樣的芯片級聯(lián)就可以達(dá)到目的。PL是低電平有效的預(yù)置數(shù)允許端，PL=0 時，預(yù)置數(shù)輸入端P0P3 上的數(shù)據(jù)被置入計(jì)數(shù)器。MR是高電平有效的復(fù)位端，MR=1 時，計(jì)數(shù)器被復(fù)位，所有輸出端都為低電平。

12、CPU 是加計(jì)數(shù)時鐘，CPD 是減計(jì)數(shù)時鐘，當(dāng)CPU=CPD=1 時，計(jì)數(shù)器處于保持狀態(tài)，不計(jì)數(shù)。當(dāng)CPD=1，CPU 由0變?yōu)?時，計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)值加1；當(dāng)CPU=1，CPD 由0變1時，計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)值減1。 TCU 是進(jìn)位輸出端，當(dāng)加計(jì)數(shù)器達(dá)到最大計(jì)數(shù)值時，即達(dá)到9 時，TCU 在后半個時鐘周期（CPU=0）內(nèi)變成低電平，其他情況均為高電平。TCU 是借位輸出端，當(dāng)減計(jì)數(shù)器計(jì)到零時，TCD在時鐘的后半個周期（CPD=0）內(nèi)變成低電平，其他情況下均為高電平。為實(shí)現(xiàn)100 進(jìn)制的計(jì)數(shù)可把第一塊芯片的TCU，TCD 分別接后一級的CPU，CPD 就可以級聯(lián)使用，這就達(dá)到了099 的計(jì)數(shù)。2 “+”

13、、“-”鍵控制的可逆計(jì)數(shù)器電路圖如圖5所示。圖5 “+”、“-”鍵控制的可逆計(jì)數(shù)器電路圖3.1.2 元件的選擇 74LS192 是雙時鐘，可預(yù)置數(shù)，異步復(fù)位，十進(jìn)制（BCD 碼）可逆計(jì)數(shù)器，還可選用54HC192，54HCT192，74HC192，74HCT192 等。3.2 數(shù)字顯示電路的設(shè)計(jì)3.2.1 工作原理 數(shù)字顯示驅(qū)動采用兩塊74LS48 芯片，74LS248 為四線七段譯碼驅(qū)動器，內(nèi)部輸出帶上拉電阻它把從計(jì)數(shù)器傳送來的二十進(jìn)制碼，驅(qū)動數(shù)碼管顯示數(shù)碼。 74LS48，七段譯碼器，輸出高電平有效，適合于共陰極接法的七段數(shù)碼管使用A3，A2，A1，A0，為8421BCD 碼輸入，a,b,

14、c,d,e,f,g 為七段數(shù)碼輸出，LT 為試燈輸入信號，用來檢查，數(shù)碼管的好壞，IBR 為滅零輸出信號，用來動態(tài)滅零，IB/QBR 為滅燈輸出信號，該端既可以作輸入也可以作輸出。數(shù)字顯示電路圖如圖6所示。圖6 數(shù)字顯示電路圖3.2.2 元件的選擇與74LS48 功能相同的還有74LS247、7CD4511 等。3.3 D/A 轉(zhuǎn)換電路（數(shù)模轉(zhuǎn)換器）的設(shè)計(jì) 數(shù)模轉(zhuǎn)換電路，采用兩塊DAC0832 集成塊，它是一個8 位數(shù)/模轉(zhuǎn)換電路，這里只使用高4 位數(shù)字量輸入端。由于DAC0832 不包含運(yùn)算放大器，所以需要外接一個運(yùn)算放大器相配，才構(gòu)成完整的D/A 轉(zhuǎn)換器，低位DAC 輸出模擬量經(jīng)9：1 分

15、流器分流后與高位DAC 輸出模擬量相加后送入運(yùn)放，具體實(shí)現(xiàn)，由900和100的電阻相并圖7 D/A 轉(zhuǎn)換電路圖聯(lián)分流實(shí)現(xiàn)，運(yùn)放將其轉(zhuǎn)換成與數(shù)字端輸入的數(shù)值成正比的模擬輸出電壓，運(yùn)放采用具有調(diào)零的低噪聲高速優(yōu)質(zhì)運(yùn)放NE5534。當(dāng)ILE=1,CS=0,WR=0，輸入數(shù)據(jù)d7d0 存入8 位輸入寄存器中，當(dāng)WR2=0，XFER=0 時，輸入寄存器中所存內(nèi)容進(jìn)入8 位DAC 寄存器并進(jìn)行D/A 轉(zhuǎn)換。 DAC0832 最具特色是輸入為雙緩沖結(jié)構(gòu)，數(shù)字信號在進(jìn)入D/A 轉(zhuǎn)換前，需經(jīng)過兩個獨(dú)立控制的8 位鎖存器傳送。其優(yōu)點(diǎn)是D/A 轉(zhuǎn)換的同時，DAC 寄存器中保留現(xiàn)有的數(shù)據(jù)，而在輸入寄存器中可送入新的數(shù)

16、據(jù)。系統(tǒng)中多個D/A 轉(zhuǎn)換器內(nèi)容可用一公共的選通信號選通輸出。3 D/A 轉(zhuǎn)換電路圖如圖7所示。3.4 自制穩(wěn)壓電源本次設(shè)計(jì)的數(shù)控直流穩(wěn)壓電源需要不少外在的穩(wěn)壓電源提供電壓，如D/A轉(zhuǎn)換器，穩(wěn)壓電路和數(shù)字控制電路都需要外在的直流電源供電，因此本次設(shè)計(jì)的輔助電源主要實(shí)現(xiàn)+15V，-15V，和+5V以便于對各個部分的電路提供電壓。如D/A轉(zhuǎn)換器所需的V15±，數(shù)字控制電路所需的+5V和穩(wěn)壓電路所需的V15±。對于輔助電源的設(shè)計(jì)我主要采用了整流濾波電路和CW7805、CW7815、CW7915集成三端穩(wěn)壓器進(jìn)行實(shí)現(xiàn)。通過整流濾波電路將交流電轉(zhuǎn)變?yōu)榉€(wěn)壓直流電，然后通過三端集成穩(wěn)壓器

17、CW7805、CW7815、CW7915獲得固定輸出電壓，進(jìn)而對D/A轉(zhuǎn)換器，穩(wěn)壓電路和數(shù)字控制電路各個部分所需要的固定電壓進(jìn)行定點(diǎn)輸送。4 自制穩(wěn)壓電源電路圖如圖8所示。圖8 自制穩(wěn)壓電源電路圖3.5 調(diào)整輸出的設(shè)計(jì)  調(diào)整輸出級采用運(yùn)放作射極跟隨器，使調(diào)整管的輸出電壓精確地與D/A 轉(zhuǎn)換器輸出電壓保持一致。數(shù)控電源各部分工作所需的±15V 和5V 電源由固定集成穩(wěn)壓器7815、7915、和7805 提供，調(diào)整管所需輸入電壓，經(jīng)簡單整流，濾波即可得到，但要求能提供500mA的電流。輸出電壓的調(diào)整，主要是運(yùn)用射極輸出器發(fā)射極上所接的1

18、00K電位器來完成的，此反饋電阻的主要作用是，把輸出電壓反饋到NE5532 的輸入級的反向輸入端，當(dāng)同相輸入IN+和反向輸入端IN-有差別時，調(diào)整輸出電壓使之趨于穩(wěn)定，從而達(dá)到調(diào)整輸出電壓的目的。調(diào)整輸出電路圖如圖9所示。圖9 調(diào)整輸出電路圖4 總體電路設(shè)計(jì)以及元器件清單4.1 總體電路設(shè)計(jì)將上述各單元電路連接起來就得到整體電路原理圖。整體電路原理圖如圖10所示。圖10 整體電路原理圖4.2 元器件清單元器件清單如表1所示。表1 元器件清單列表相關(guān)芯片，元器件主要用途數(shù)量74LS192十進(jìn)制可逆加減計(jì)數(shù)器2個74LS47譯碼器2個數(shù)碼顯示管顯示電壓值2個1位運(yùn)算放大器NE5534放大

19、電壓2個DAC0832實(shí)現(xiàn)D/A轉(zhuǎn)換2個電阻，電容降壓，分壓，濾波等等電阻：1K15個，10K2個，100,900，各一個。電容：470uf3個，100uf2個，0.1uf6個，220uf3個，LED2個（紅、綠）5 仿真分析 在整個仿真電路中，使用仿真軟件Multisim對于要求的電路進(jìn)行仿真。55.1 自制穩(wěn)壓電源電路自制穩(wěn)壓電源分析：給電路輸入220V交流電壓，通過整流濾波電路將交流電轉(zhuǎn)變?yōu)榉€(wěn)壓直流電，然后通過三端集成穩(wěn)壓器CW7805、CW7815、CW7915，可以輸出±15V，+5V直流電壓，并且輸出波紋小于10mV，符合設(shè)計(jì)要求。自制穩(wěn)壓電源分析圖如圖11所示。圖11

20、自制穩(wěn)壓電源分析圖5.2 整體電路調(diào)節(jié)按鍵，當(dāng)數(shù)碼管顯示0.1時，用數(shù)字萬用表檢測，輸出電壓Vo0±1mV。依次按增減鍵使數(shù)碼管顯示0.09.9，電壓顯示0.09.9V。設(shè)計(jì)數(shù)控直流電源的電壓輸出范圍為0.0+9.9V，步進(jìn)值為0.1V，輸出紋波電壓不大于10mV，輸出電流為500mA，其測試結(jié)果符合設(shè)計(jì)要求。整體電路測試圖如圖12所示，輸出電流顯示圖如圖13所示。圖12 整體電路測試圖圖13 輸出電流顯示圖總 結(jié)在本次設(shè)計(jì)過程中，對紋波提出非常的嚴(yán)格要求，所以使用了DAC0823，整個電路簡單可靠，選用低價格通用元器件具有較高的性價比。本文的各個部分分別闡述了簡易數(shù)控直流穩(wěn)壓電源的

21、設(shè)計(jì)思路和電路組成部件的功能和作用。簡易數(shù)控直流穩(wěn)壓電源選用了整流濾波電路、數(shù)字控制電路、D/A轉(zhuǎn)換電路和調(diào)整輸出電路。整流濾波電路采用的是橋式整流、電容濾波進(jìn)行設(shè)計(jì)的，數(shù)字控制電路采用了74LS192芯片來進(jìn)行實(shí)現(xiàn)的，D/A轉(zhuǎn)換電路采用了DAC0832實(shí)現(xiàn)的，調(diào)整輸出級采用運(yùn)放作射極跟隨器，使調(diào)整管的輸出電壓精確地與D/A 轉(zhuǎn)換器輸出電壓保持一致。最后由于各個電路還需要直流穩(wěn)壓電源來提供固定電壓，因此我又設(shè)計(jì)了由整流濾波電路和CW7805、CW7815、CW7915組成了輔助電源來實(shí)現(xiàn)本次的設(shè)計(jì)課題。因此本次設(shè)計(jì)所實(shí)現(xiàn)的直流穩(wěn)壓數(shù)控電源具有操作簡便，便于實(shí)現(xiàn)5至15V的電壓轉(zhuǎn)換。經(jīng)測試，本方案可以達(dá)到設(shè)計(jì)要求。實(shí)現(xiàn)了輸出電壓范圍0+9.9V、步進(jìn)0.1V、波紋不大于10mv；輸出電流500mA；輸出電壓值由數(shù)碼管顯示；由“+”、“-”兩鍵分別控制輸出電壓步進(jìn)增減；同時預(yù)設(shè)一個復(fù)位按鍵來進(jìn)行復(fù)位，并且設(shè)計(jì)了一個自制的穩(wěn)定直流電源（輸出±15V.+5V）。這次課程設(shè)計(jì)，也是考驗(yàn)我們的信息搜索能力，從互聯(lián)網(wǎng)上找到我們所需要的相關(guān)資料，從中選擇出我們真正需要和使用的到東西，然后