简易数控直流稳压电源报告.docx
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简易数控直流稳压电源报告
数字逻辑课程设计
姓名：
邓凯旋
学号：
班级：
计1341
简易数控直流稳压电源
一、概述
随着电子技术的高速发展，电子系统的应用领域越来越广泛，电子设备的种类也越来越多，电子设备与人们的工作、生活的关系益密切。
任何电子设备都离不开可靠的电源，它们对电源的要求也越来越高。
特别是随着小型电子设备的应用越来越广泛，也要求能够提供稳定的电源，以满足小型电子设备的用电需要。
本文基于这个思想，设计和制作了符合指标要求的开关稳压电源。
数字化控制无疑是人们追求的目标之一,它所给人带来的方便也是不可否定的,其中数控直流稳压电源就是一个很好的典型例子,但人们对它的要求也越来越高,要为现代人工作、科研，生活、提供更好的，更方便的设施就需要从数字电子技术入手，一切向数字化，智能化方向发展.
本报告所介绍的数控直流稳压电源与传统的稳压电源相比，具有操作方便，电压稳定度高的特点，主要用于要求电源精度比较高的设备，或科研实验电源使用，并且此设计，没有用到单片机，只用到了数字技术中的可逆计数器，D/A转换器等电路，具有控制精度高，制作比较容易等优点。
直流稳压电源是常用的电子设备，用以保证在电网电压波动或负载改变时，输出稳定的电压。
低纹波、高精度的稳压电源在仪器仪表、工业控制及测量领域都有重要的实际应用价值。
这里设计的稳压电源输出电压范围为5--15V，额定工作电流为500mA，并具有“+”、“－”步进电压调节功能，最小步进电压为1V．纹波不大于10mV。
二、方案论证
数控直流稳压电源的工作原理框图如图1所示。
主要包括数字控制部分、模拟/数字转换部分（D/A变换器）及可调稳压电源。
数字控制部分用+、-按键控制可逆二进制计数器，二进制计数器的输出到D/A变换器，经D/A转换相应的电压，经放大后去控制稳压电源的输出，来实现输出电压值步进增减。
方案：
数控直流稳压电源的工作原理框图如图1所示。
此电路分以下几部分：
1、数字控制电路部分。
主要包括电压增减步进按键的设计，电脉冲的产生（应用SR锁存器产生单脉冲，也可应用555组成的多谢震荡器，本电路设计应用的前者）和可逆计数器（应用74LS193）。
其主要部分就是可逆计数器。
2、D/A变换器部分。
从可逆计数器输出的步进变化到控制电压步进变化要经过一个D/A转换器来完成，D/A转换器电路是由反相加法器和电压可上下偏移的反相器构成。
3、稳压调节部分。
因为要满足稳压电源最大输出电流500mA的要求，可调稳压电路要选用三端集成稳压器LM7805CT，而且该稳压器除了最大输出电流满足设计要求外，输出电阻、纹波大小、稳压系数等性能指标均满足要求。
图1数控直流稳压电源工作原理图
4、输入电源的设计部分。
市电接入变压器，经过变压器得到的二次侧电压为20V，在经过全桥整流和滤波电容得到要求的输入电压。
三、电路设计
1、数字控制电路部分
涉及到一个由与非门连接而成的SR触发器。
每当两个开关有打开或者关断的时候就会产生脉冲，并把脉冲输出给74LS193D。
74LS193D的输出端将会把信号传递给D/A转换电路。
电路原理图如下图2所示：
数字控制部分的核心就是可逆计数器的使用。
74LS193是双时钟4位二进制同步可逆计数器。
74LS193的特点是有两个时钟脉冲（计数脉冲）输入端CPU和CPD。
在RD=0、LD＝1的条件下，作加计数时,令CPD＝1,计数脉冲从CPU输入；作减计数时，令CPU＝1，计数脉冲从CPD输入。
图2数字控制部分电路图
此外，74LS193还具有异步清零和异步预置数的功能。
当清零信号RD＝1时，不管时钟脉冲的状态如何,计数器的输出将被直接置零；当RD＝0,LD＝0时，不管时钟脉冲的状态如何，将立即把预置数数据输入端A、B、C、D的状态置入计数器的QA、QB、QC、QD端，称为异步预置数。
2、D/A转换部分
电路原理图如图3所示：
该电路由一个反向加法器和电压可上下偏移的反相器构成，输入端接到可逆计数器的输出端，计数器输出的高电平UH为5V，输出的低电平UL0V。
由于运算放大器的虚短作用（UP=UN），可得到输出电压Uo1的表达式：
Uo1=-Rf（Q0UH/8R+Q1UH/4R+Q2UH/2R+Q3UH/R）
=-RfUH/23R（23Q3+22Q2+2Q1+20Q0）
设Uo2=-Uo1【UIN】
当D3D2D1D0（Q3Q2Q1Q0）=1111时
要求UIN=10V即10=RfUH/23R*15
当UH=5V时，Rf=1.067R
即R=20k，Rf由20k电阻和电阻为10k的电位器串联组成。
电位器R10实现的是调节步进电压的作用，电位器R13是调节最小输出电压的作用。
图3Ｄ／Ａ转换部分电路图
3、稳压调节部分
图4 稳压调节电路图
电路原理图如图４所示：
可调稳压电路的设计主要是应用三端稳压器LW7805，输出电压和最大输出电流取决于所选用的三端稳压器。
设运算放大器为理想器件，即：
Up=Un
Up=（R1/R1+R4）UinUn=5（R3/R3+R2）Uo
Uo=（R18/R14+R18）Uin+5（R3/R4+R3）
R2=R4=0,R1=R3=1k
Uo=Uin+5
由此可见，当Uin变化时，输出电压也跟着变化，而且最小为5v。
4.、输入电源设计部分
电路原理图如图5：
图5 输入电源电路图
T1为变压器，实现将市电降压为我们所需要的电压。
D1--D4是四个1N4001二极管，由他们组成桥式整流电路，实现对交流电流的整流作用。
为了使稳压电源正常工作，整流滤波电路的输出电压U要满足下面的式子：
U=Uomax+（Ui-Uo）min+Ur+U'
Uomax:
稳压电源输出最大值（Ui-Uo）min：
集成稳压器输出最小电压差
Ur=滤波器输出电压的纹波电压值[取Uo与（Ui-Uo）之和的10%]
U':
电网波动引起的输入电压的变化[一般取Uo、（Ui-Uo）和Ur之和的10%]
对于集成三端稳压器，当（Ui-Uo）=2--10v时，具有较好的稳压特性
故滤波器输出电压值：
U>=15+3+1.8+1.98>=22v
取Ui=22v，根据Ui可以去定变压器次级电压：
U2=Ui/1.2=20v
在桥式整流中，变压器、变压器次级电流与滤波器输出电流的关系为：
I2=1.5I1=1.5I0=1.5*0.5=0.75A
取变压器的效率为ƞ=80%，则变压器的容量为：
P=U2I2/ƞ=20*0.75/0.8=18.75w
所以选用20w的变压器。
因为流过桥式整流电路中的每只整流二极管的电流为：
Id=1/2Imax=1/2Iomax=0.5/2=0.25A
所以，每只整流二极管承受的最大反向电压为：
Urm=1.414Umax=1.414*20*（1+100%）=31v
根据以上有关整流部分的计算，选用二极管1N4001组正整流桥，其参数为：
Id=1A，Urm=100v,可以满足要求。
滤波电容的设计原则是取其放电时间常数R1C是其充电周期的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周期的一半，即：
RLC>=（2---5）T/2=（2----5）/2f
因为w=2πf，故wRLC=3π
则：
C=3π/wR
其中RL=Ui/Ii，所以滤波电容的容量为：
C=3πIi/2πfUi=（3π*0.5）/2π*50*22=0.68*103uf
根据以上计算可以取电容C是值为1mf。
电容耐压值应考虑电网电压最高、负载电流最小的情况，即：
Ucmax=1.1*1.414U2max=1.1*1.414*20=31v
综上所述，最好选用C=1mf,50v的电解电容，选用的高频瓷片电容是为了消除高频干扰和改善电源的动态特性。
四、性能的测试
1、数字控制部分性能测试。
每当电压增步进按键按下一次后就会产生一个脉冲，经可逆计数器后就会产生从0000到1010的依次增加的脉冲波形；如果按下电压减步进按键后，又会产生相应的减信号脉冲，从而实现增减步进的功能。
经性能测试后得到的波形如图6所示。
图中所示的四条脉冲信号从上至下依次是A、B、C、D四个通道的输出波形。
图6 数字控制部分性能测试图
2、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，用示波器观察输出稳压电压值的变化情况。
当存在误差时，我们通过改变滑动变阻器的阻值来稳定电压输出。
如表1所示。
表1,可调稳压电源调试
输入电压
0v
1v
2v
3v
4v
5v
6v
7v
8v
9v
10v
输出电压
5.121v
6.121v
7.122v
8.122v
9.134v
10.133v
11.145v
12.167v
13.165v
14.174v
15.179v
3、电源性能测试。
测量经过整流后的电源电压，为满足要求，实际电压应该在20v左右为最佳。
实验测得电压如图7所示：
图7电源性能测试
3、纹波测试
经稳压调节部分后输出的电压用示波器测量其纹波电压及波形，将示波器调到AC档，观察得到的纹波电压及波形如图8所示。
选用A通道，比例为5mf,由图可知纹波被控制在10mf以内。
图8纹波电压
4、总电路测试
不断按下电压增减按键，按下增按键，电压就会以1v为步进电压增加1v，按下减按键，电压又会减少1v。
因为实验存在误差，所以步进电压会在1.2--0.8v范围内波动，所以所测得的电压与理论电压有偏差。
实验测得电压如图9所示。
图9输出电压
五、结论
整个设计的电路基本可以实现课设要求的指标，电压可以在5---15v内以1v为步进增减，纹波控制在10mv以内等等，只是电压调节的精度有待提高。
附录I总电路图
附录II元器件清单
序号
编号
名称
型号
数量
1
U1--U4
与非门
74ALS00N
4
2
U5
可逆计数去
74LS93D
1
3
U6--U8
运算放大器
LM324D
3
4
U9
集成三端稳压器
LM7805
1
5
U10
四管脚与非门
74LS20D
1
6
U11
非门
74LS904
1
7
D1--D4
二极管
1N4001
4
8
R10，R13
电位器
10k
2
9
R1--R9，R11R12，
R14--R16
电阻
R
14
10
C1,C2
电容
1mf
2
11
J1，J2
开关
2
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