簡易數(shù)控直流電源設計.doc

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課程設計任務書 2015—2016學年第二學期 專業(yè)：電子信息工程（電子技術應用方向）學號：1401020023姓名：鈕豪 課程設計名稱： 電子技術課程設計 設計題目： 簡易數(shù)控直流電源設計 完成期限：自 2016 年 6月 13 日至 2016 年 6 月 26 日共 2 周 一、設計依據(jù) 本課題要求利用電子技術知識設計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轉換部分、可調穩(wěn)壓部分組成。數(shù)字控制部分采用“+”“-”按鍵來分別調整控制輸出電壓步進增減，信號經過D/A轉換后控制調整步進為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，同時預設一個復位按鍵來進行復位。通過本課題的練習，學生的綜合知識應用能力、設計能力將有較大提高，對今后從事電子產品的研制、生產、經營維修等打下基礎。 二、主要內容及要求 主要內容： 1、要求輸出電壓范圍0～+9.9V、步進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增減；同時預設一個復位按鍵來進行復位；可自制一個穩(wěn)定直流電源（輸出15V.+5V）。 2、設計要求畫出電路原理圖（或仿真電路圖）；元器件及參數(shù)選擇；電路仿真與調試；PCB文件生成與打印輸出。 3、制作要求自行裝配和調試，并能發(fā)現(xiàn)問題和解決問題。 4、撰寫設計報告，寫出設計與制作的全過程，附上有關資料和圖紙，有心得體會。 設計要求： 1、給出詳細的總體設計方案； 2、完成各部分具體功能電路設計，包括“+”、“-”鍵控制的可逆計數(shù)器的設計、D/A轉換電路設計、可調輸出設計、LED顯示電路設計、自制穩(wěn)壓電源設計； 3、仿真、調試驗證各部分設計的正確性； 4、整理設計成果，完成設計說明書的撰寫。 三、途徑和方法 本課題利用電子技術設計一個數(shù)控直流電源，可以先查閱相關資料（網(wǎng)上查找或參考相關書籍手冊），明確課題的方向和目的，然后學習完成課題所需的理論知識，了解可逆計數(shù)器、D/A轉換電路、LED顯示電路的工作原理；在理解的基礎上確定設計電路方案，設計電路，畫出原理圖及PCB印制版圖，最后提交課程設計說明書一份。 四、時間安排 課題講解：2小時 閱讀資料：10小時 撰寫設計說明書：12小時 修訂設計說明書：6小時 五、參考文獻 [1] 樂麗琴. 數(shù)字電子技術 [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. 電子電路實踐及仿真（第一版）[M]. 北京：清華大學出版社，2004. [4] 岳怡. 數(shù)字電路與數(shù)字電子技術（第一版）[M]. 西安：西北工業(yè)大學出版社，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操作指導與電路設計實例（第一版）[M]. 太原：太原理工大學，2004. [7] 趙學良，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. 電子設計技術[M]. 西安:電子科技大學出版.1996. 指導教師（簽字）： 教研室主任（簽字）： 批準日期： 年 月 日 簡易數(shù)控直流電源設計 摘 要 電子系統(tǒng)的正常運行離不開穩(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)的交流電轉換來的，能長期、連續(xù)地工作，給人們生產生活帶來了極大的方便。但是當前的大部分穩(wěn)壓電源輸出電壓不穩(wěn)定，給設備造成致命傷害或誤動作，影響設備的使用壽命、加速設備的老化。本文所研究的數(shù)控直流電源具有輸出電壓穩(wěn)定、工作可靠，范圍可調、成本較低等特點。 本課題主要對簡易數(shù)控直流電源電路的硬件設計進行了詳細的描述。首先，本文概述了數(shù)控電源的背景、發(fā)展狀況及其設計要求。其次，本文講述了簡易數(shù)控電源系統(tǒng)的總體設計方案及其論證。再次，本文介紹了本課題用到的集成電路的內部結構及外圍引腳功能。最后，本文簡述了整流濾波電路、數(shù)字控制電路、D/A轉換器及穩(wěn)壓調節(jié)電路的設計方法，并設計出整體電路。 關鍵詞：整流濾波電路，數(shù)字控制電路，D/A轉換器，穩(wěn)壓調節(jié)電路 目 錄 1 緒論 1 1.1 課題描述 1 1.2 基本工作原理及框圖 1 2 相關芯片 2 2.1 74LS192芯片 2 2.2 DAC0832芯片 2 2.3 74LS47芯片 3 3 主要電路設計的電路圖及原理 3 3.1 “+”、“-”鍵控制的可逆計數(shù)器的設計 3 3.1.1工作原理 4 3.1.2 元件的選擇 5 3.2 數(shù)字顯示電路的設計 5 3.2.1 工作原理 5 3.2.2 元件的選擇 5 3.3 D/A 轉換電路（數(shù)模轉換器）的設計 6 3.4 自制穩(wěn)壓電源 7 3.5 調整輸出的設計 7 4 總體電路設計以及元器件清單 8 4.1 總體電路設計 8 4.2 元器件清單 8 5 仿真分析 9 5.1 自制穩(wěn)壓電源電路 9 5.2 整體電路 9 總 結 11 致 謝 12 參考文獻 13 1 緒論 1.1 課題描述 本課題利用電子技術知識設計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轉換部分、可調穩(wěn)壓部分組成。數(shù)字控制部分采用“+”“-”按鍵來分別調整控制輸出電壓步進增減，信號經過D/A轉換后控制調整步進為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，同時預設一個復位按鍵來進行復位。 1.2 基本工作原理及框圖 本次所設計的數(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，其輸出電壓的大小采用數(shù)字顯示，整個系統(tǒng)包括：“+”，“-”鍵控制的可逆計數(shù)器的設計，可逆計數(shù)器的二進制數(shù)字輸出分兩路運行：一路用于驅動數(shù)顯電路，指示電源輸出電壓的大小值；另一路進入D/A轉換電路，D/A轉換器將數(shù)字量按比例轉換成模擬電壓，然后禁果跟隨器控制調整輸出級輸出所需的穩(wěn)定電壓。為實現(xiàn)上述幾部分電路的正常工作，需要另制“+15v”“-15v”“+5v”的穩(wěn)壓直流電源。流程圖如圖1所示。 數(shù)顯電路 D/A轉換 可逆計數(shù)器 調整輸出 “+”“-”鍵 穩(wěn)壓電路 圖1基本工作原理框圖 2 相關芯片 2.1 74LS192芯片 74LS192是同步十進制可逆計數(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為加計數(shù)時鐘輸入端， CPD為減計數(shù)時鐘輸入端 LD為預置輸入控制端，異步預置 CR為復位輸入端，高電平有效，異步清除 CO為進位輸出：1001狀態(tài)后負脈沖輸出 BO為借位輸出：0000狀態(tài)后負脈沖輸出[1] 2.2 DAC0832芯片 DAC0832是8分辨率的D/A轉換集成芯片。與微處理器完全兼容。這個DA芯片以其價格低廉、接口簡單、轉換控制容易等優(yōu)點，在單片機應用系統(tǒng)中得到廣泛的應用。D/A轉換器由8位輸入鎖存器，8位DAC寄存器，8位D/A轉換電路及轉換控制電路構成。DAC0832引腳排列如圖3所示。 圖3 DAC0832引腳排列圖 2.3 74LS48芯片 74LS47為四線七段譯碼驅動器，內部輸出帶上了阻把它從計數(shù)器傳送來的二-十進制碼，驅動數(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 主要電路設計的電路圖及原理 3.1 “+”、“-”鍵控制的可逆計數(shù)器的設計 此部分電路主要用兩按鈕開關作為電壓調整鍵，與可逆計數(shù)器的加計數(shù)CPU 時鐘輸入端和減計數(shù)CPD 時鐘輸入端相連，可逆計數(shù)器采用兩片四位十進制同步加/減計數(shù)集成塊74LS192 級聯(lián)而成。 74LS192 是雙時鐘，可預置數(shù)，異步復位，十進制（BCD 碼）可逆計數(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 可以調節(jié)，所以 74LS192 兩計數(shù)器總計數(shù)范圍從 00000000 到10011001（即0～99）,而74LS192 本身為十進制可逆計數(shù)器，所以只需兩塊這樣的芯片級聯(lián)就可以達到目的。PL是低電平有效的預置數(shù)允許端，PL=0 時，預置數(shù)輸入端P0～P3 上的數(shù)據(jù)被置入計數(shù)器。MR是高電平有效的復位端，MR=1 時，計數(shù)器被復位，所有輸出端都為低電平。CPU 是加計數(shù)時鐘，CPD 是減計數(shù)時鐘，當CPU=CPD=1 時，計數(shù)器處于保持狀態(tài)，不計數(shù)。當CPD=1，CPU 由0變?yōu)?時，計數(shù)器的計數(shù)值加1；當CPU=1，CPD 由0變1時，計數(shù)器的計數(shù)值減1。 TCU 是進位輸出端，當加計數(shù)器達到最大計數(shù)值時，即達到9 時，TCU 在后半個時鐘周期（CPU=0）內變成低電平，其他情況均為高電平。TCU 是借位輸出端，當減計數(shù)器計到零時，TCD在時鐘的后半個周期（CPD=0）內變成低電平，其他情況下均為高電平。為實現(xiàn)100 進制的計數(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，這就達到了0~99 的計數(shù)。[2] “+”、“-”鍵控制的可逆計數(shù)器電路圖如圖5所示。 圖5 “+”、“-”鍵控制的可逆計數(shù)器電路圖 3.1.2 元件的選擇 74LS192 是雙時鐘，可預置數(shù)，異步復位，十進制（BCD 碼）可逆計數(shù)器，還可選用54HC192，54HCT192，74HC192，74HCT192 等。 3.2 數(shù)字顯示電路的設計 3.2.1 工作原理 數(shù)字顯示驅動采用兩塊74LS48 芯片，74LS248 為四線七段譯碼驅動器，內部輸出帶上拉電阻它把從計數(shù)器傳送來的二~十進制碼，驅動數(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,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 轉換電路（數(shù)模轉換器）的設計 數(shù)模轉換電路，采用兩塊DAC0832 集成塊，它是一個8 位數(shù)/模轉換電路，這里只使用高4 位數(shù)字量輸入端。由于DAC0832 不包含運算放大器，所以需要外接一個運算放大器相配，才構成完整的D/A 轉換器，低位DAC 輸出模擬量經9：1 分流器分流后與高位DAC 輸出模擬量相加后送入運放，具體實現(xiàn)，由900Ω和100Ω的電阻相并 圖7 D/A 轉換電路圖 聯(lián)分流實現(xiàn)，運放將其轉換成與數(shù)字端輸入的數(shù)值成正比的模擬輸出電壓，運放采用具有調零的低噪聲高速優(yōu)質運放NE5534。當ILE=1,CS=0,WR=0，輸入數(shù)據(jù)d7～d0 存入8 位輸入寄存器中，當WR2=0，XFER=0 時，輸入寄存器中所存內容進入8 位DAC 寄存器并進行D/A 轉換。 DAC0832 最具特色是輸入為雙緩沖結構，數(shù)字信號在進入D/A 轉換前，需經過兩個獨立控制的8 位鎖存器傳送。其優(yōu)點是D/A 轉換的同時，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)據(jù)。系統(tǒng)中多個D/A 轉換器內容可用一公共的選通信號選通輸出。[3] D/A 轉換電路圖如圖7所示。 3.4 自制穩(wěn)壓電源 本次設計的數(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，因此本次設計的輔助電源主要實現(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。對于輔助電源的設計我主要采用了整流濾波電路和CW7805、CW7815、CW7915集成三端穩(wěn)壓器進行實現(xiàn)。通過整流濾波電路將交流電轉變?yōu)榉€(wěn)壓直流電，然后通過三端集成穩(wěn)壓器CW7805、CW7815、CW7915獲得固定輸出電壓，進而對D/A轉換器，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行定點輸送。[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 調整輸出的設計 調整輸出級采用運放作射極跟隨器，使調整管的輸出電壓精確地與D/A轉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，調整管所需輸入電壓，經簡單整流，濾波即可得到，但要求能提供500mA的電流。輸出電壓的調整，主要是運用射極輸出器發(fā)射極上所接的100K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，當同相輸入IN+和反向輸入端IN-有差別時，調整輸出電壓使之趨于穩(wěn)定，從而達到調整輸出電壓的目的。調整輸出電路圖如圖9所示。 圖9 調整輸出電路圖 4 總體電路設計以及元器件清單 4.1 總體電路設計 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 相關芯片，元器件 主要用途 數(shù)量 74LS192 十進制可逆加減計數(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 運算放大器NE5534 放大電壓 2個 DAC0832 實現(xiàn)D/A轉換 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對于要求的電路進行仿真。[5] 5.1 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，符合設計要求。自制穩(wěn)壓電源分析圖如圖11所示。 圖11 自制穩(wěn)壓電源分析圖 5.2 整體電路 調節(jié)按鍵，當數(shù)碼管顯示0.1時，用數(shù)字萬用表檢測，輸出電壓Vo＝01mV。依次按增減鍵使數(shù)碼管顯示0.0～9.9，電壓顯示0.0～9.9V。設計數(shù)控直流電源的電壓輸出范圍為0.0～+9.9V，步進值為0.1V，輸出紋波電壓不大于10mV，輸出電流為500mA，其測試結果符合設計要求。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 在本次設計過程中，對紋波提出非常的嚴格要求，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)壓電源的設計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轉換電路和調整輸出電路。整流濾波電路采用的是橋式整流、電容濾波進行設計的，數(shù)字控制電路采用了74LS192芯片來進行實現(xiàn)的，D/A轉換電路采用了DAC0832實現(xiàn)的，調整輸出級采用運放作射極跟隨器，使調整管的輸出電壓精確地與D/A 轉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，因此我又設計了由整流濾波電路和CW7805、CW7815、CW7915組成了輔助電源來實現(xiàn)本次的設計課題。因此本次設計所實現(xiàn)的直流穩(wěn)壓數(shù)控電源具有操作簡便，便于實現(xiàn)5至15V的電壓轉換。 經測試，本方案可以達到設計要求。實現(xiàn)了輸出電壓范圍0～+9.9V、步進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增減；同時預設一個復位按鍵來進行復位，并且設計了一個自制的穩(wěn)定直流電源（輸出15V.+5V）。 這次課程設計，也是考驗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資料，從中選擇出我們真正需要和使用的到東西，然后組成自己所需要的電路。在基本電路組成后，然后使用Multisim進行仿真，仿真又是一個問題，由于對軟件的不熟悉，仿真的過程也異常的困難，有的元件由于不知道型號，無法找到正確的元件放置上去，電路也是經過了多次的修改，才最終在仿真中達到要求的參數(shù)。 有了這次難忘的經歷，我覺得自己充實了許多，學到了很多東西，更重要的是我們學會了如何協(xié)同合作，學會了遇到問題應該如何解決。這將在我們以后的學習和工作中起著重要的作用。 致 謝 本次關于簡易數(shù)控直流電源的設計是在張具琴老師的精心指導下，和同組內的其他成員的共同交流下才得以順利完成，經過本次課程設計把我大學兩年年來所學的理論知識轉化為實際應用，既鍛煉了我的綜合能力，又使理論知識得以加強和神話，激發(fā)了創(chuàng)新意識。感謝我的老師給予我很大的關心和支持，一直激勵著我去努力做好本次畢業(yè)設計并且給了我系統(tǒng)的思路和方法。張具琴老師精湛的專業(yè)知識、耐心的工作態(tài)度和真誠的待人風格給我留下了非常深刻的印象，對我以后的工作和生活將產生積極的影響。張具琴老師給予了我相當大的幫助，真摯的向導師說聲謝謝。 同時也要感謝幫助過我的所有同學，特別是在我的設計遇到困難的時候，他們在精神上和行動上，都給予我很大的支持，鼓勵我不要泄氣，勇敢的面對困難，使我終于突破了設計的難點，順利完成了此次課程設計。 參考文獻 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