数控直流电源的设计.docx

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数控直流电源的设计

**科技大学

电子技术课程设计任务书

设计题目：

数控直流电源的设计

姓名：

班级：

学号：

一、设计要求

设计题目：

数控直流电源的设计（B）

设计内容：

设计一线性输出电压可调的直流电源。

电源有电压增（UP）和电压减（DOWN）两个键，按UP时电压步进增加，按DOWN时电压步进减小。

具体要求如下：

（１）输出电压5~12V，步进为1V；（40分）

（２）输出电压误差最大±0.1V；（40分）

（３）输出电流不小于1A；（5分）　

测试条件：

分别测试输出为5V、6V、7V、。

。

。

、12V的输出电压。

输出电流通过设计预以保证。

评分标准：

[注：

满分为95分]

（1）输出电压5~12V,步进1V，得满分，否则不得分；

　　（２）输出电压误差≤±0.1V，得满分；±0.1V≤输出电压误差≤±0.2V，扣10分；±0.2V≤输出电压误差≤±0.3V，扣20分；输出电压误差≥±0.5V，不得分。

发挥部分：

用LED或数码管显示电压设定值；

参考元器件：

74LS192,74HC138,三极管S8050/S8550，LM317，CD4511等。

二、电路方框图

数控步进直流稳压电源电路分为电源电路、顺序脉冲发生电路、开关电路、分压电路和三端可调稳压输出构成，电路主要元件为集成芯片CD4051和可调三端集成稳压器LM317。

（1）电源变压器：

是降压变压器，它将电网220V、50hz交流电压变换成符合需要的交流电压，并送给整流电路，变压器的变比由变压器的副边电压确定。

（2）整流电路：

利用整流二极管单向导电性，把50Hz的正弦交流电变换成脉动的直流电

（3）滤波电路：

可以将整流电路输出电压中的交流成分大部分加以滤除，从而得到比较平滑的直流电压。

（4）稳压电路：

稳压电路的功能是使输出的直流电压稳定，不随交流电网电压和负载的变化而变化。

（5）按键电路是为开关电路提供开关脉冲，使开关管顺序导通。

（6）计数器在按键的脉冲下产生步进与步减，按制模拟开关的输入。

（7）显示电路是显示所选择档位与输出电压值。

三、单元电路设计与分析

通过对方框图的分析，可以进一步设计出各部分单元电路的具体原理电路图，并选择计算各单元电路元件的参数，然后按参数选择合适元件将各元件按原理图搭接，测试其能否实现电路要求的量化指标。

在设计单元电路首先应考虑电源供电问题，设计出电源电路得出各集成IC块所需的+5V电源，可以用固定三端集成稳压器（7805）来产生直流+5v。

同时要得到5-12之间可调的直流电压，步进为1v的电压输出，就可以用可调式三端集成稳压器（LM317）来实现，通过调整端与地之间所接电阻值的不同来改变输出的电压值，但调整端与地之间的分压电阻值的大小如何去控制，我们会想到用模拟开关CD4051去控制可调端与地之间所接电阻值的大小，从而控制可调三端集成稳压器的电压输出值，以实现其电路设计要求的功能。

电源电路可通过变压器降压，二极管桥式整流，电容滤波，将~220v电压降为18v左右交流电压经虑波送给固定三端集成稳压器得到+5v电压，可以给各IC块提供工作电压，确保两芯片的电源输入。

此外它还

3.2参数的计算与元器件的选择

对于该课程设计题目数控步进直流调压电源基本框架已设计完成，下面对其各单元电路进行元器件参数计算，进而选择合适的元器件搭接电路。

1、电源电路

电源电路由变压、整流、滤波、稳压四部分组成，变压部分用220V-18V/10W的小功率变压器，后面的

整流桥用四个同型号的1N4007搭成，整流以后的波形如下：

尽管整流后的电压为直流电压，但波动较大，仍然不能直接作为电源使用，还需进一步滤波，将其中的交流成份滤掉，滤波这里是采用电容，电解电容为4700Uf,无极电容用钽电容0.1uf.从整流二极管的电压经过电容滤波后成为有效值为+25V的脉动电压，此脉动电压输入到7805的电压输入端（第1脚），经7805稳压管稳压输出+5V的直流稳压，这电压正好给电路中其它IC块做供电电压，7805的2-3、3-1脚之间接入一个起保护作用的二极管，这里选用IN4007,为了减小负载电路给7805输出电压产生输大的波动，所以在7805的5V输出端接入两滤波电容;同时，25V的脉动电压给LM317提供输入电压.

2、按键控制电路

按键控制电路实现电源的步增、步减以及复位的功能。

十进制可逆计数器74LS192引脚图管脚及功能表：

74LS192是同步十进制可逆计数器，它具有双时钟输入，并具有清除和置数等功能，其引脚排列及逻辑符号如下所示：

              （a）引脚排列                      （b）逻辑符号图5-4

 74LS192的引脚排列及逻辑符号

图中：

为置数端，

为加计数端，

为减计数端，

为非同步进位输出端，         

为非同步借位输出端，P0、P1、P2、P3为计数器输入端，

为清除端，Q0、Q1、Q2、Q3为数据输出端。

其功能表如下：

             输入

    输出

MR

P3

P2

P1

P0

Q3

Q2

Q1

Q0

 1

 ×

 ×

 ×

×

×

×

×

0

0

0

0

 0

 0

 ×

 ×

d

c

b

a

d

c

b

a

 0

 1

 ×

 1

×

×

×

×

   加计数

 0

 1

 1

 ×

×

×

×

×

   减计数

74LS192在计数时清零端MR通过下拉电阻R4（1K）接低电平，在需清零时则按下start/restart按扭可实现清零。

预置端接“1”，CPu与CPd分别通过电阻R2\R3接高电平，同时通过点触开关UP与DN接到“0”上，实现计数输入，当按下点触开关时，计数端则由低电平跳变为高电平，松开点触开关后则会又跳回到低电平，实现对74LS192输入一个脉冲。

每按一下UP或DN则计数器会相应的加1或减1。

由于本电路中只出现5-12V的8个电压点，所以只要实现计数器在8的范围内计数即可，当输出端Q1Q2Q3Q4从“0000”计数到“1110”时,则可实现8种不同状态的控制，所以，当计数器输出到0001时让计数器又被清零到0000，所以可以只在5-12之间的状态出现，而不会现无用状态。

3、显示电路

显示电路可以达到与电压值大小相等的同步显示，由于输出电压是可增可减的电压，所以显示电路仍得用一个双时钟的加减计数器，这里仍选用74LS192.

计数器U3的Up、Dn分别接按键控制电路中计数器U2的Up、Dn,由计数器U2的MR通过反相器后接到U3的PL端，这样就可以实现按键电路与显示电路同步的效果了。

计数器U3用于控制显示电压值的个位，计数器U4用于控制显示电压值的十位。

当个位为5、6、7、8、9时，十位应为0;当个位为0、1、2时十位应显示1，列出U2、U3与U4的关系真值表如下：

LM317Vout

5

6

7

8

9

10

11

12

U2

Q3Q2Q1Q0

0000

0001

0010

0011

0100

0101

0110

0111

U3

0101

0110

0111

1000

1001

0000

0001

0010

U4

0000

0000

0000

0000

0000

0001

0001

0001

个位数码管显示

5

6

7

8

9

0

1

2

十位数码管显示

0

0

0

0

0

1

1

1

理论数码管显示

05

06

07

08

09

10

11

12

由以上表格可以看出，在U3的Q3Q2为00时，U4则输出1，否则输出0，所以只要从U3的Q3Q2输出到一个或门，将或门的输出接到U4的PL与MR即可，这时实现了十位数码管的正确显示。

4、可调稳压电路

可调稳压电路实现变调电压与稳电压的功能。

调电压用8选一模拟开关CD4051,稳压部份采用可调稳管LM317。

CD4051功能及使用概述:

CD4051相当于一个单刀八掷开关，开关接通哪一通道，由输入的3位地址码ABC来决定。

INH”是禁止端，当“INH”=1时，各通道均不接通。

此外，CD4051还设有另外一个电源端VEE，以作为电平位移时使用，从而使得通常在单组电源供电条件下工作的CMOS电路所提供的数字信号能直接控制这种多路开关，并使这种多路开关可传输峰－峰值达15V的交流信号。

例如，若模拟开关的供电电源VDD=＋5V，VSS=0V，当VEE=－5V时，只要对此模拟开关施加0～5V的数字控制信号，就可控制幅度范围为－5V～＋5V的模拟信号。

.使用十六进制代码就可以对CD4051进行操作了。

比如说P1=0X07，这样CD4051就选择的是7号（二进制111）通道了。

如果在八个通道输入一模拟量，在输出端将输出什么,输入什么是自己设定。

例如，若模拟开关的供电电源VDD=＋5V，VSS=0V，只要对此模拟开关施加0～5V的数字控制信号，这里,ABC数字控制信号就可以使用5V信号了,因为VDD是5v,里面控制部分就都是5V逻辑. 当VEE=－5V时，就可控制幅度范围为－5V～＋5V的模拟信号。

当Vee=-8V时,就可以可控制幅度范围为－8V～＋5V的模拟信号. Vee就是电子开关的8个输入端可以允许的信号范围下限. 注意不要超过它的极限参数.峰－峰值达15V  。

而本电路中的CD4051是用来控制LM317调整端的电阻。

CD4051管脚图及逻辑符号图

引脚功能描述：

A0～A2地址端

I0/O0～I7/O7输入输出端

INH禁止端

O/I公共输出/输入端

VDD正电源

VEE模拟信号地

LM317概述

LM317三端可调正稳压器集成电路。

LM317的输出电压范围是1.2V至37V，负载电流最大为1.5A。

它的使用非常简单，仅需两个外接电阻来设置输出电压。

此外它的线性调整率和负载调整率也比标准的固定稳压器好。

LM317内置有过载保护、安全区保护等多种保护电路。

通常LM317不需要外接电容，除非输入滤波电容到LM317输入端的连线超过6英寸（约15厘米）。

使用输出电容能改变瞬态响应。

调整端使用滤波电容能得到比标准三端稳压器高的多的纹波抑制比。

LM317能够有许多特殊的用法。

比如把调整端悬浮到一个较高的电压上，可以用来调节高达数百伏的电压，只要输入输出压差不超过LM317的极限就行。

当然还要避免输出端短路。

还可以把调整端接到一个可编程电压上，实现可编程的电源输出。

本电路中，当输入电压通过LM317的1脚，通过CD4051控制调整端的电阻来调节输出电压值在5V到12V之间可调，D3D4的作用是保护LM317,输出电压是UO=1.25（1+RP/R1）,所以设置合适的R1、RP就可以使输出的电压步进值是1V，他们的关系为RP/R1=1.25,为了取到方便的电阻，所以这里选用R1值为150欧，RP为七个同值的120欧的金属模电阻.R5决定着最小输出电压，本电路的电压是从5V开始的，所以电压应从5V开始，所以此处5=1.25（1+R5/R1），得到R5为450欧，考虑到电路的误差会对输出电压产生较大的影响，所以此处将R5用一个10K的电位器代替。

所以最终可调稳压电路如上图所示。

四、总原理图：

五、元件清单：

13 Resistors

Quantity:

References

Value

OrderCode

4

R1-R4

1K

1

R5

365

M100K

1

R6

150

7

R8-R13,R139

120

4 Capacitors

Quantity:

References

Value

OrderCode

1

C1

4700uF

2

C2,C4

0.1uF

MaplinWX56L

1

C3

100uF

10 IntegratedCircuits

Quantity:

References

Value

OrderCode

1

U1

74HC4051

3

U2-U4

74LS192

1

U5

74HC04

1

U6

74LS32

2

U7,U8

74HC4511

1

U9

LM317EMP

1

U68

7805

4 Diodes

Quantity:

References

Value

OrderCode

4

D1-D4

1N4007

2 Miscellaneous

Quantity:

References

Value

OrderCode

1

BR1

BRIDGE

1

TR1

TRAN-2P2S

六、设计总结

这是我做的第一个电子作品，学了两本那厚的数模电书，早就想把学的东西应用到实践战了。

刚看到设计题目时，我选择了一个自己比较喜欢的课题：

数控稳压直流电源。

先是查资料了解题目推荐的元器件，然后根据原器件设计出大概的思路，再细分的把每个单元电路设计出来，最终在proteus仿真软件战绘制出好原理图，设计中虽遇到了一些难题，最终在热心的老师与同学的帮助下都予以解决。

经过了反复的修改与捉摸最真在proteus上设计好仿真成功的电路图。

接下来的焊接过程中也有不小的收获，因为以前没有过焊接的经验，做好了原理图后我就早早开始准备焊接实物了。

焊接时一步一步将电路焊接好，焊好一个元器件则加上电检测一个元器件，焊得虽然慢点，但最终一次焊接成功。

接下来是验证作品的结果了，在应该输出5V时调整电位器，使输出电压精确的输出在5.00V，接下点触开关则输出相应的电压值。

但是电路还是有一部分待改进的地方，如点触开关有时会做较大的跳动，接一下点触开关有时候会步进或步减好几个电压值，这是由于点触开关的在按下与弹上时产生的波动效应，其实可以用触发器可以消除这种开关效应的。