优秀毕业设计案例2.docx
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优秀毕业设计案例2
学校代码：
12904
学号：
中图分类：
密级：
无
吉林农业工程职业技术学院
毕业设计（论文）
简易数控直流电源
学生姓名：
王锋
指导教师：
高英霞
所在学院（系）：
机电工程系
学科专业：
机械设计与制造
吉林农业工程职业技术学院
中国·四平
2008年5月
吉林农业工程职业技术学院
毕业设计（论文）任务书
设计（论文）题目：
简易数控直流电源
任务与要求：
1.设计任务
设计一个有一定输出电压范围和功能的数控电源。
其原理示意图如图1.1所示。
图1.1电路结构总体框图
2.设计要求
（1）输出电压：
范围0～＋9.9V，步进0.1V，纹波不大于10mV；
（2）输出电流：
500mA；
（3）输出电压值由数码管显示；
（4）由“＋”、“－”、“计数”三键控制输出电压步进增减；
（5）为实现上述几部件工作，自制一稳压直流电源，输出+5V。
2008年4月7日
毕业设计（论文）进度计划表
日期
工作内容
执行情况
指导教师
签字
4.1-4.14
收集资料
4.15-4.20
设计初稿
4.21-4.28
CAD画图
4.29-5.10
整理设计
5.11-5.12
修改初稿
5.13-5.16
修改
5.17-5.20
机动
指导教师对进度计划实施情况总评
签名
年月日
本表作评定学生平时成绩的依据之一。
摘要
随着时代的发展，电子技术已经普及到我们生活，工作，科研，各个领域，本文主要研究设计了一个简易的数控直流电源，主要完成了如下工作：
1、电源由稳压电路设计，它采用了LM317作为基本的稳压电路，还在LM317的基础上附加了电压调节电路、数字电压显示电路。
2、输入整流滤波电路设计，主要是根据整流二极管的额定电流为输出电流平均值3~10倍的规则设计的。
3、数显部分设计，在数显部分设计中选择的是共阳极数码管和74LS47七段字形译码器配合使用的。
4、防溢出电路设计，为防止加、减溢出设计中用了与非门来检查。
由于要实现的不是高速电路，所以用最基本的二极管逻辑电路来实现的。
5、自制稳压直流电源设计是用电源变压器、整流器、LM7805构成的。
关键词：
数控电源桥式整流集成稳压器数码显示
目录
一、设计方案比较与确定··········································1
二、集成稳压器的设计·············································1
2.1基本设计思路··············································1
2.2稳压电路设计··············································1
2.2.1稳压电路设计·········································1
2.2.2整流滤波电路的设计···································4
三、数控电路设计················································5
3.1电路元件的选择···········································5
3.2计数电路设计·············································7
3.3具有防溢出功能的计数电路设计·····························9
四、输出电压值的数码管显示电路设计·····························10
五、整机工作用稳压直流电源设计··································11
结束语··························································12
致谢····························································13
参考文献························································14
简易数控直流电源
一、设计方案比较与确定
根据题目的要求，首先想到利用单片机控制，实现稳压电源的输出电压调节。
可以经过单片机通过D/A输出稳压电源的基准电压，再通过放大器和输出电压调整管输出可调电压。
但是如果按照这个思路，整个电路会变的很复杂，所以我选择了应用比较简单方便的集成稳压器来实现，并在集成稳压器的基础上附加所需要的数控功能。
二、集成稳压器的设计
2.1.基本设计思路
实现稳压电源最简单的方式就是采用集成稳压器。
如果是输出电压可调或输出电压精确控制，则选用输出电压可调的集成稳压器，本文选择了正电压输出的LM317和负电压输出的LM337。
在以LM317为基本稳压电路的基础上，附加电压调节电路、数字电压显示电路和扩展输出电压种类电路。
输出电压控制部分选用计数器控制继电器切换输出电压检测电阻的方式，这样控制电路部分不仅可以大大简化，而且也避免了单片机工作对稳压电源造成的电磁干扰。
2.2稳压电路设计
2.2.1稳压电路设计
本设计选用了输出电压可调的通用集成稳压器LM317，LM317的引脚功能及典型应用电路如图2.1所示。
图2.1LM317的引脚功能与典型应用电路
LM317是可调节3端正电压稳压器，在输出电压范围为1.2伏到37伏时能够提供超过1.5安的电流。
此稳压器非常易于使用，只需要两个外部电阻来设置输出电压。
此外还使用内部限流、热关断和安全工作区补偿使之基本能防止烧断保险丝。
LM317服务于多种应用场合。
该器件可以用来制做一种可编程的输出稳压器，或者，通过在调整点和输出之间接一个固定电阻，LM317可用作一种精密稳流器。
输出电流超过1.5安输出在1.2伏和37伏之间可调节内部热过载保护不随温度变化的内部短路电流限制输出晶体管安全工作区补偿对高压应用孚空工作表面贴装形式,和标准3引脚晶体管封装.避免置备多种固定电压。
LM317的主要技术指标件表2.1
表2.1LM317的主要技术指标
参数
最大输入电压（V）
静态电流（
A）
纹波电压抑制比（dB）
电压调整率
输出电压随结温变化（V）
典型值
35
50
66
0.01%
0.005
最大值
40
100
80
0.04%
从表2.1中可以看到，LM317完全可以满足本设计的稳压性能要求。
本设计拟采用LM317构成的步进为0.1V，输出电压范围为0~9.9V的稳压电源部分电路如图2.2所示。
图2.2输出电压范围为0~9.9V的稳压电源部分电路
为了实现输出电压从0~9.9V以0.1V步进调节，输出电压调节网络可以用8组电阻实现，分别是0.1V、0.2V、0.4V、0.8V、1V、2V、4V、8V。
由于三端稳压芯片LM317和LM337的输出电压不能从0V起调，依据输出公式：
Uout=1.25×（1+R2/R1）。
当集成稳压器的输出端与调节端所连接的电阻值选R1=625
（对应500
/V）时，0.1V、0.2V、0.4V、0.8V、1V、2V、4V、8V的调节电阻的阻值分别为50
、100
、200
、400
、500
、1k
、2k
、4k
。
每组电阻两端并接小型继电器或微型继电器K0.1、K0.2、K0.8、K1、K2、K4、K8（要求继电器的接触电阻小于1
），继电器的常闭触点将各输出电压检测电阻短接，也就是说，所以继电器的电磁线圈均不得电时，输出电压为零。
随着不同继电器电磁线圈的得电，将得到对应的输出电压。
例如，需要输出电压为2.5V，对应的BCD码应该为00100101，即整数电压位应该是0010，继电器K2得电，将常闭触点断开，切换到常开触点，使1k
电阻起作用；小数位电压应该是0101，继电器K04和继电器K01得电，使继电器K04和继电器K01将常闭触点断开，切换到常开触点，使200
电阻和50
电阻起作用。
这时的输出电压检测为1250
，是输出端与调整端并接625
的两倍，输出端对调整端电压为1.25V，忽略调整端电流（50
A<<2mA）对应的输出电压检测电阻1250
的电压为2.5V。
稳压电路对输出电压检测电阻的负端电压为3.75V。
由于输出电压检测电阻的负端对GND的电压为-1.25V，扣除这个-1.25V，输出电压为2.5V，其他数值的输出电压以此推类，不再赘述。
如果输出电压检测电阻的参考端接GND，LM317的最低输出电压则为1.25V（这时LM317的调节端GND，正常工作状态下，输出端对参考的电压为1.25V，也就是输出端电压对GND的电压为1.25V），不能满足试题的0~+9.9V的要求。
因此，为了获得0V的输出电压，输出电压检测电路的参考端应接在-1.25V的电压基准上，以抵消LM317的输出端与基准端的1.25V的影响。
当整流滤波电容器远离稳压电路时，需要在靠近稳压电路特别是集成稳压器的地方，在输入端和GND端接旁路电容器，旁路电容器的电容量取1
F，并要求旁路电容器的等效串联电阻ESR要小,通常选用陶瓷电容器。
2.2.2整流滤波电路的设计
因为本设计对稳压电源的效率没有要求，在设计时可以不考虑如何提高效率的问题，因此，在设计时我仅仅考虑了满足功能这一点。
根据整流二极管的额定电流应为输出电流平均值的3~10倍的规则，整流器可以选择额定电流为3A的1N5400系列整流二极管，为了简化整流变压器，可以选用桥式整流电路。
整流滤波电容器如果选择25V/1000
F或25V/47O
F可能会使整流输出纹波电压变大，并且一定要将整流变压器的级次电压选得比较高才能避免稳压电路的输出电压塌波。
本设计中滤波电容选择25V/2200
F，这样可以获得比较低的整流输出纹波电压。
整流变压器容量为30VA，级次输出电压约15V。
输出整流滤波电路如图2.3所示。
图2.3输入整流滤波电路
三、数控电路设计
采用数字电路实现输出电压的控制，基本思路是：
采用加、减计数器，通过加减键实现加计数或减计数。
将计数器的输出通过开关管驱动继电器的电磁线圈，通过继电器的动作实现电压检测电阻的转换，实现输出电压的控制。
3.1电路元件的选择
计数器应选择十进制加减计数器，本设计拟选择74LS192。
采用TTL逻辑电路而不采用CMOS数字的原因是TTL逻辑电路的输入阻抗低，具有良好的抗外界电磁场干扰能力，而CMOS数字电路的输入阻抗极高，很容易被外界电磁场所干扰而误动作。
采用两片74LS192级联构成两位十进制计数器，实现0.0~0.9V和1.0~9.0V的切换，由两片74LS192级联构成两位十进制计数器电路。
低位计数器输出Q0、Q1、Q2、Q3分别提供0.1V、0.2V、0.4V、0.8V的控制信号；高位计数器输出Q0、Q1、Q2、Q3分别提供1V、2V、4V、8V的控制信号。
采用按键作为步进加、步进减的控制按钮；为了防止按钮过程中出现振铃现象，在计数器加计数、减计数时钟脉冲端与加、减计数按钮之间接入施密特触发器74LS14，可以消除振铃现象。
74LS192为可预置的十进制同步加／减计数器，其主要电特性的典型值如表3.1所示。
表3.174LS192主要电特性的典型值
型号
fc
Pd
74LS192
32MHZ
95MW
74LS192的清除端是异步的。
当清除端（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。
74LS192的预置是异步的。
当置入控制端（TL）为低电平时，不管时钟CP的状态如何，输出端（QO~Q3）即可预置成与数据输入端（PO~P3）相一致的状态。
74LS192的计数是同步的，靠CPD、CPu同时加在4个触发器上而实现。
在CPD、CPu上升沿作用下QO~Q3同时变化，从而消除了异步计数器中出现的计数尖峰。
当进行加计数或减计数时可分别利用CPD或CPu，此时另一个时钟应为高电平。
当计数上溢出时，进位输出端（TCU）输出一个低电平脉冲，其宽度为CPu低电平部分的低电平脉冲；当计数下溢出时，错位输出端（TCD）输出一个低电平脉冲，其宽度为CPD低电平部分的低电平脉冲。
当把了CD和了Cu分别连接后一级的CPD、CPu，即可进行级联。
逻辑图如图3.1所示。
图3.174LS192逻辑图
引出端符号见表3.2所示。
表3.274LS192引出端符号
D
错位输出端（低电平有效）
U
进位输出端（低电平有效）
CPD
减计数时钟输入端（上升沿有效）
CPu
加计数时钟输入端（上升沿有效）
MR
异步清除端
P0～P3
并行数据输入端
异步并行置入控制端（低电平有效）
3.2计数电路设计
采用两个74LS192级联构成的两位十进制计数器电路如图3.2所示。
图3.2采用两个74LS192级联构成的两位十进制计数器电路
图3.2中1V以下计数器74LS192的时钟可以由“+”、“-”两键分别控制输出电压步进增减，1V以上计数器74LS192的加、减计数时钟则由低位的进、借位输出提供，上图中左边的集成电路选用了74LS14有施密特触发器，其主要电特性的典型值如表3.3。
表3.3主要电特性的典型值
型号
Vt
tPLH
tPHL
PD
74LS14
0.8V
15ns
15ns
52mW
为了防止加、减计数的溢出，需要设置防止加、减计数溢出电路。
基本思路是一旦计数器输出为10011001，应禁止继续加计数；同样，计数器一旦出现00000000，应禁止继续减计数。
按这个思路可以利用“与门”也可以是“与非门”检测10011001和00000000。
由于要实现的电路不是高速电路，所以选用最基础的二极管逻辑电路实现，其电路如图3.3所示。
图3.3（a）为防止减计数溢出控制电路。
当计数器输出为00000000，防止减计数溢出控制电路的全部输入为00000000。
经相反器后，在二极管逻辑电路的二极管输入端为高电位，8个二极管全部“关断”。
为了提高输出驱动能力，降低对前级的负载效应，二极管逻辑输出接晶体管射极跟随器。
当跟随器输出高电位时，经过反相器转换为低电位送到减计数器控制逻辑控制的“与非门”，封锁减计数控制逻辑控制的“与非门”，实现减计数溢出的防止。
图3.3“b”为防止加计数溢出控制电路。
当计数器输出为10011001时，防止加计数溢出控制电路的全部输入为10011001。
其中0.2、0.4、2、4直接送到二极管逻辑电路的输入，其余的0.1、0.8、1、8经过反相器后，在二极管逻辑电路二极管输入端为高电位，8个二极管全部“关断”。
为了提高输出驱动能力，降低对前级的负载效应，二极管逻辑输出接晶体管射极跟随器。
当跟随器输出高电位时，经过反相器转换为低电位送到加计数控制逻辑控制的“与非门”，封锁加计数控制逻辑控制的“与非门”，实现加计数溢出的防止。
（a）（b）
图3.3二极管逻辑电路
3.3具有防溢出功能的计数电路设计
在图3.4中，仅需要一键就可以实现扫描功能，将加、减计数控制按键设置在U3、U4上，来获得加减计数功能，这样就获得了具有完整的稳压电源和切换功能的单键加、减计数电路，如图3.4所示。
图3.4具有完整的稳压电源和切换功能的单键加、减计数电路
图3.4电路中的K0.1、K0.2、K0.4、K0.8、K1、K2、K4、K8分别为继电器K0.1、K0.2、K0.4、K0.8、K1、K2、K4、K8的电磁线圈。
控制继电器电磁线圈的晶体管选取9014，所有电阻选择3.3
，并接在继电器电磁线圈的二极管选取1N4007.电路的电源电压
为5V。
四、输出电压值的数码管显示电路设计
本设计所选用的是共阳极半导体数码管，是用发光二极管（简称LED）组成的字形来显示数字，七个条形发光二极管排列成七段组合字形，便构成了半导体数码管。
共阳极数码管需要输出低电平有效的译码器去驱动。
74LS47是输出低电平有效的七段字形译码器，它在这里与数码管配合使用，共阳极接法。
数码管的连接方式如图4.1所示，其电路如图4.2所示
图4.1数码管的连接方式
图4.2数码管的连接电路
五、整机工作用稳压直流电源设计
输出电压为+5V。
可以用电源变压器、整流器、LM7805构成，其电路如图5.1所示。
图5.1稳压直流电源
结束语
设计终于完成了，该对设计做个终结的时候了。
根据设计题目首先想到利用单片机控制，来实现稳压电源的输出电压调节。
如按这个思路，整个电路将变的很复杂。
对于我自学过电子技术基础模拟部分，做起来会很困难。
为使设计能顺利完成，我将稳压电源和电源都采用了应用及其方便的集成稳压器实现。
并在集成稳压器的上增加数控功能。
在实际稳压电路设计中，我选用输出电源可调的通用集成稳压器LM317。
输出整流滤波电路的设计，因为对稳压电源的效率没有要求，所以在设计时没有考虑如何提高效率的问题。
如果用自动扫描代替人工按键，实现输出电压变化，实现输出电压变化将原有的两位十进制计数器通过修改成为可循环计数器，利用逻辑电路控制加、减计数工作方式，仅需要一个按键就可以实现扫描功能，这会使我的电路设计更加具有实用性。
在这次设计中我学的了很多东西，如对设计中用到的一些简捷元器件的应用和数码管与译码器连接显示方式等。
本设计不足之处是稳压电路比较简单，数字控制电路的实际运行速度非常低；没有采用单片机电路，使输出电压的精度不高；采用继电器实现8421码的转换，因而机械噪声比较大，故障率也会很高。
致谢
两年的大学生活一转眼就要结束了，在这段难忘的生活中，有许多美好的回忆。
在这份大学的最后一页里，我要感谢的人很多，首先要感谢培养我的学校，感谢在这两年里辛勤教我的老师们，还有感谢我的设计论文指导老师：
宫迎新老师，在他的指导下我完成了设计和论文，从心理感谢他。
最后要感谢的就是我的父母、朋友，对于他们我更是有千言万语，还是汇聚成一句话：
感谢你们一直都伴随着我。
现在我即将挥别我的学校，老师，同学，还有我大学生活，虽依依不舍，但对明天的路，我充满信心。
总之，此次论文的写作过程，我收获了很多，既为大学生活划上了一个完美的句号，也为将来的人生之路做好了一个很好的铺垫。
再次感谢我的大学和所有帮助过我并给我鼓励的老师，同学和朋友，谢谢你们！
参考文献
[1]《全国大学生电子设计竞赛训练教程》黄智伟主编2008
[2]《电子技术基础》（数字部分）第四版康华先高等教育出版社.
[3]《中外集成电路简明速查手册》TTL、CMOS电路电子工业出版社
[4]《电子技术实验与课程设计》毕满清等机械工业出版社
[5]《电工技能》张帆主编机械工业出版社
[6]《稳压电源电路的设计和应用》何希才主编中国电力出版社
[7]《电子技术课程设计指导》彭介华主编高等教育出版社
[8]《电工与电子技术》宫迎新主编吉林科学技术出版社
机电工程系毕业（论文）答辩结论
姓名
王锋
性别
男
籍贯
吉林省辽源市
专业
班级
机械制造
0601
出生
年月
1986
09.09
指导
老师
宫迎新
指导老师意见：
签名：
年月日
答辩委员会意见：
签名：
年月日
机电工程系意见：
签名：
年月日
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