数控稳压电源设计报告终稿Word格式.docx
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15V,+5V;
②拨码开关预置输出电压;
指导教师签名:
2009年月日
二、指导教师评语
2009年月日
三、成绩
验收盖章
2009年月日
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1
1.3.1方案一(如图2所示)1
1.3.2方案二(如图3.所示)2
1.3.3方案三(如图4.所示)2
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3
2.1数字控制部分3
2.1.1单脉冲产生3
2.1.2计数部分5
2.1.3显示部分7
2.2D/A变换部分8
2.3可调稳压部分9
2.4辅助电源部分11
3在调试及组装电路过程中出现的问题及解决方法13
3.1辅助电源的安装调试13
3.2单脉冲及计数器调试13
3.3D/A变换器电路调试13
3.4可调稳压电源部分调试13
3.5调试中发现的其他问题13
3.6调试中原始数据记录14
4心得与体会14
5致谢15
附录:
16
1原理图16
2PCB图17
3作品照片18
4元件清单18
参考文献:
19
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范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
2.发挥部分
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)
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
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VDD接电源(5V);
8脚VSS接地;
为了能完成所需的功能,3、13脚清零端CD始终接高电平,既电源。
Inputs
Outputs
Clear
A
B
Q
L
X
H
↓
↑
H=HighLevel
L=LowLevel
↑=TransitionfrowLowtoHigh
↓=TransitionfrowHightoLow
=OneHighLevelPulse
=OneLowLevelPulse
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
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:
图8.计数部分电路
图9.74LS192引脚图
由图可得:
16脚VCC接电源(5V);
8脚接地;
当清除端14(MR)为高电平时,不管时钟端CPD、CPU状态如何,即可完成清除功能,所以14脚接地;
11脚
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
为进位输出端,13脚
为错位输出端,进行级联时,把前一级的
和
分别接入后一级的CPU、CPD。
两片74LS192的置入控制端11脚
分别外接上拉电阻R4、R7(取
)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P0~P3分别外接4个上拉电阻,R8=R9=R10=R11=R12=R17=R18=R19=
,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的内部有升压电阻,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R8=R12=1K,
而小数点接电源而使其常亮。
图10.显示部分电路
2.2D/A变换部分
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。
由[1]得,令
=0,
其中k=0.1,当U1,U2,U3,U4,U5,U6,U7,U8均为零时,R5,R7,R15,R32,R33,D2,D3,D4,D5构成清零功能,使输出UIN=0。
2.3可调稳压部分
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
由此可见,UI与UIN之间成线性关系,当UIN变化时,输出电压也相应改变.若要求输出电压步进增或减,UIN步进增或减即可。
所以,当
结合D/A转换部分和可调稳压电源,可得:
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:
式中,
—稳压电源输出最大值;
—集成稳压器输入输出最小电压差;
—滤波器输出电压的纹波电压值(一般取
,
之和的10%);
之和的10%)。
对于集成稳压器,当
=2V~10V时,具有较好的稳压输出特性,故滤波器输出电压值
取
=20V。
根据
可确定变压器次级电压
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:
取变压器的效率
,则变压器的容量为
,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
每只整流二极管承受的最大反向电压为
,故选用二极管1N4001,其参数为:
ID=1A,URM=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
取C1=C2=470uF,同理C5=C6=220uF。
因为C3,C4,C7,C8是为了防止产生自激振荡而用于改善波形的,故一般取用C3=C4=C7=C8=0.1uF。
C9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
=0000,
=0000,调节
,使运算放大器输出
=0V。
在调试过程中发现R22取值偏小,放大倍数不够,导致无法调零,故在R22端串联一支50K的微调电阻,使之能够正常调零。
另外,由于R24-R31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
参数
测试次数
输出电压
(V)
输出纹波
输出电流(mA)
显示电压
步进值
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
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致谢
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,因此非常感谢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,还要感谢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,感谢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
2PCB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
1K
R20,R23,R13,R14
2.2K
Rf1
96K
Rs1
40K
R25,R29
80K
R26,R30
160K
R27,R31
20K
R24,R28
9.1K
R21
10K
R1,R2,R4
39K
R22
100K
R6,R7,R15,R32,R33
470
R12
介质电容
0.1uF
C3,C4,C7,C8
电解电容
1uF
C10,C11
10uF
C12,C13,C14,C15
470uF
C1,C2
220uF
C5,C6
100uF
C9
二极管
1N4148
D2,D3,D4,D5
整流桥堆
D1
拨码开关
SW-DIP4
S4,S6
按键
SW-PB
S2,S3,S5
集成块
LM324
U3
74LS192
U6,U7
74LS248
U9,U10
CD4538
U4
稳压器件
7805
U2,U8
7815
U1
7915
U5
[1]康华光.电子技术基础(模拟部分)(第四版).高等教育出版社.2006
[2]康华光.电子技术基础(数字部分)(第五版).高等教育出版社.2008
[3]张立萍.一种简易数控电源的设计.赤峰学院学报(自然科学版),2008.
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- 数控 稳压电源 设计 告终