简易数控直流电源的设计.docx

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简易数控直流电源的设计

简易数控直流电源

一..设计要求

1.基本要求

（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）由＋、—两个键分别控制输出电压步进增减；

（4）为实现上述几个部件工作，自制一稳压直流电源，输出±15V，＋5V。

2.发挥部分

输出电压可预置在0～9.9V之间的任意一个值

二.题目分析：

为了使输出电压的调整范围在0~+9.9V，步进0.1V，由＋、—两个键分别控制输出电压步进增减，可在以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发挥部分中的预值电路。

LM317是输出正电压可调的集成稳压器。

为实现上述几个部件工作，自制一稳压直流电源。

可用电源变压器，整流器，LM7815,LM7915,LM7805构成。

三．整体构思：

有三种方案可供选择;

方案一：

用十进制加减计数器74LS192实现对输入的脉冲计数，采用继电器实现对输出电压的控制，采用共阳极的数码管实现对输出的电压显示。

方案二：

计数部分同方案一，输出部分用DA转换代替继电器控制部分，然后用运算放大器将模拟信号放大输出。

方案三：

用单片机编程实现。

根据做过这个电路的人的经验，相比之下，方案三最简单，也最经济，但由于当初准备开始做的时候，我们对单片机了解不深，而且还没学编程，对我们来说，单片机实现起来就比较困难。

同时继电器原理比DA转换更容易理解，于是我们便采用了方案一。

四．具体实现：

五．各部分定性说明以及定量计算：

1、稳压直流电源电路

第一个变压器选择10W12V，第二个变压器选择10W9V；选取变压器时主要考虑使集成稳压器两端的电压差不能太大，否则电压差太大就会导致集成稳压器过烫，无法正常工作。

选择1N5402是因为它能经受3A的电流，能够起到整流的作用。

2.2mF的电容C1、C2、C3起到滤波的作用。

二极管D9——D11用于保护集成稳压器，在电路断电的瞬间，电容C4、C6、C7会有一个很大的放电电流，这样会伤害集成稳压器，加了二极管D9——D11后，电流就经这些二极管放掉。

采用固定式稳压电路LM78系列、LM79系列输出+、-15V，+5V电压。

2、数字显示器控制部分电路

为了得到比较好的脉冲波形，我们采用斯密特触发器，但是在实际的电

路中，仍如会有抖动现象，这就给电路带来了不确定性。

为了消除抖动，

我们加了一个小电容和一个1K欧的电阻，如上图所示。

用十进制可逆计数器74LS192实现对小数位和各位的加减计数，输出一路送74LS47译码驱动电路，驱动共阳极的数码管显示输出的电压值。

另一路送继电器控制电路，将数字信号转化为模拟的电压信号。

3、单个继电器的工作原理：

继电器采用常闭的接口，当平时继电器的输入端无一定电压值输入时，开关闭合，电阻两端的电压几乎为零。

而当有一定的电压值输入时，开关打开，电阻上分得一定电压，根据电阻值与外电路电阻值的比值确定分得的电压值。

这样就能将数字信号转化为模拟的电压信号。

4、通过继电器控制的输出电路

这里采用的是单刀双掷开关来模拟继电器工作的电路，平时开关是闭合的，

当继电器得电时，相当于开关断开，与开关并联的电阻得到分压。

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。

当集成稳压器的输出端与调节端所连接的电阻值选625Ω（对应500V/Ω）时，0.1V、0.2V、0.4V、0.8V、1V、2V、4V、8V的调节电阻的阻值分别为50Ω、100Ω、200Ω、400Ω、500Ω、1KΩ、2KΩ、4KΩ。

每组电阻两端并接小型继电器或微型继电器K0.1、K0.2、K0.4、K0.8、K1、K2、K4、K8（要求继电器的接触电阻小于1Ω），继电器的常闭触点将各输出电压检测电阻短接，也就是说，所有继电器不得电时，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。

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，不能满足试题0~9.9V的基本要求。

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1.25V的影响。

需要注意的是，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可以在0.1V~10μF之间，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。

采用TTL逻辑电路而不采用CMOS数字电路的原因是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。

六、在实验室实现过程中遇到的问题及排除措施：

在电路板刚做好的时候，数字显示器控制部分电路进行调试时，显示

管乱显示，并且数码管的有些段时亮时不亮，没按照步进来显示。

而且按钮也

不灵，数字乱跳，不稳定。

继电器控制的输出电路得不到输出电压，不管继电器是得电还是没

有得电，输出电压都没有多大变化。

按照以上不确定因素，我们对数字显示器控制部分电路进行了调试，

并制定了调试方案：

接线时，我们是从输入端一步步连接到输出数码管

显示电路，而在调试时，应最先开始从数码管各段开始检查，因为它的

现象最明显，可以直接测出数码管是否正常工作，再检查数码管驱动电

路是否正常工作——→加减计数器是否正常工作——→按钮开关是否输

出正常脉冲波形。

即采用逆向的方法去调试并检查电路故障。

检查数码管时，我们直接给各段加高低电平，看各段是否正常发光。

检查74LS47时，根据以下列表检查它是否正常译码：

74LS47数据输入

对应引脚

十进制数

74LS192的数据输出端

对应引脚

当继电器控制的输出电路得不到输出电压，不管继电器是得电还是没有得电，输出电压都没有多大变化。

首先，我们怀疑继电器没有正确连接，于是，我们上网查找此继电器的型号SRD-05VDC，最后此继电器引脚示意图，从图中得知我们的怀疑是正确的。

继电器引脚示意图如图所示:

在做直流电源时，我们测+15V和+5V的输出电压都比较接近理想值，但测

量-15V电压输出时，发现竟然是+19.48V，而且-15V输出电路的集成稳压

器芯片很烫。

针对这个问题，我们再次确认了这个芯片，发现它是KA7915，

不是我们要用的LM7915，在换了芯片之后，我们再测输出电压，这次变为

7点几伏。

我们通过查手册，发现LM7915的输入端应该接负电压，而在我

们的电路中LM7915的输入端是与电容的正级相连，而电容的负极是接地

的，这样LM7915的输入端显然是输入正电压的，这是不允许的的。

在对电路作了修改之后，就得到正确的-15V的输出电压。

八．设计心得体会：

1.由于此电路所涉及的知识大部分是模电，数电的知识，即都是我们所学过的知识，做此电路，在原理上不存在障碍，而且温习所学知识，对所学模电，数电的知识有了更深的理解。

2在制作过程中我们遇到很多问题和麻烦，我们根据实验现象，逐步分析排除，这锻炼我们分析问题和解决问题的能力。

3当我们要用某些元器件时，我们必须查资料去了解它的功能以及引脚的接法，这一过程让我们了解更多元器件的知识和主动学习的必要性。

4在制作过程中我们采取分工合作的办法，这让我认识到团队合作的重要性，组员之间要学会交流，要善于交流，还要相互关心，集中智慧解决问题。

5在买器件时，我学会多问几家，了解元器件价格情况，讨价还价，以此来降低制作成本。

6在制作中，我学会做好一件事需要耐心，细心和韧劲。

当然，我也认识到自己的不足，所学的基础知识不够扎实，没学到的知识太多，今后要努力练好基本功。

这里好要感谢帮助和指点我们的向阳老师以及其他同学和学长们。

在做电路时，要尽量多与别的组交流，特别是和自己做同样功能电路

的组，因为都在实践的话，他们遇到的问题，我们就可以引以为鉴，我们自己

做的时候，就多注意一点。

同时，各组的方案可能有所不同，我们也可以相互

借鉴，争取方案最佳，同时减少不确定因素少，使电路尽量稳定。

竞赛各组之

间既是竞争对手，同时又是相互学习的对象。

调试可以说是做一块电路板的核心部分，用仿真软件调试成功了，真正

焊电路板的时候，即使线路无连接错误，也可能看不到理想的结果。

因为实际

总是和理论之间有一定差别的。

就比如说我们刚开始没有加防抖动电路，在仿

真时，Multisim里面显示正常步进，而实际电路中，当按按钮时，数码管显示

很不稳定，且无规律。

当加了防抖动电路以后，电路就得到改善，而且数码管

显示变得有规律了。

调试时，头脑中要有一个清晰的思路，该从哪里开始？

该检查哪一

部分？

可以看到那些现象？

可以检测到哪些参数？

要对电路的原理非常

清楚，我们才能知道如何调试。

九．本电路的有缺点及改进方法：

1、本电路没有加预值，要得到确定的电压，还要一个步进一个步进的调。

我们可以加两个8421拨码开关连接到74LS192的A、B、C、D端，再用一根线控制预值端。

2、数码管显示的值并不等于实际输出电压的值，总有0.1到0.3V左右的误差。

3、当不用计数器的输出端去控制继电器输出电路，直接让某一个继电器

得电时，由于接在电路中的分压电阻的阻值有一定误差，测量输出端时仍与

理论值有0.1到0.5V左右的误差。

在精度方面做得不够好。

我们可以用一个

DA转换器（如DAC0832）将数字信号转换为模拟量，再用放大器放大输出。

这样精度可能会得到提高，而且精度也可以人为控制。

4、集成稳压器LM7805芯片很烫，这是由于+5V电压源要带动5个TTL

芯片和两个共阳极的数码管，流过集成稳压器LM7805的电流当然就很大。

我

们可以在集成稳压器LM7805芯片旁边加散热片。

5、专门用硬件电路做，从成本上来说很大，而且电路复杂，易出错，且

不便于调试。

若用单片机做，这些问题就相对得到解决，只是程序可能会有

点复杂。

十．参考资料

74ls47引脚图与管脚功能说明

74LS47是BCD-7段数码管译码器/驱动器，74LS47的功能用于将BCD码转化成数码块中的数字,通过它解码，可以直接把数字转换为数码管的显示数字，从而简化了程序，节约了单片机的IO开销。

因此是一个非常好的芯片！

但是由于目前从节约成本的角度考虑，此类芯片已较少用，大部份情况下都是用动态扫描数码管的形式来实现数码管显示。

<74ls47引脚图,74ls47管脚功能>

74LS47译码器原理：

译码为编码的逆过程。

它将编码时赋予代码的含义“翻译”过来。

实现译码的逻辑电路成为译码器。

译码器输出与输入代码有唯一的对应关系。

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，表2列出了74LS47的真值表，表示出了它与数码管之间的关系。

表1<74LS47功能表>

输入输出显示数字符号

LT（——）RBI（——-）A3A2A1A0BI（—）/RBO（———）

a（—）b（—）c（—）d（—）e（—）f（—）g（—）

110000100000010

1X0001110011111

1X0010100100102

1X0011100001103

1X0100110011004

1X0101101001005

1X0110111000006

1X0111100011117

1X1000100000008

1X1001100011009

XXXXXX01111111熄灭

10000001111111熄灭

0XXXXX100000008

（1）LT（——）：

试灯输入，是为了检查数码管各段是否能正常发光而设置的。

当LT（——）=0时，无论输入A3，A2，A1，A0为何种状态，译码器输出均为低电平，若驱动的数码管正常，是显示8。

（2）BI（—）：

灭灯输入，是为控制多位数码显示的灭灯所设置的。

BI（—）=0时。

不论LT（——）和输入A3，A2，A1，A0为何种状态，译码器输出均为高电平，使共阳极7段数码管熄灭。

（3）RBI（——-）：

灭零输入，它是为使不希望显示的0熄灭而设定的。

当对每一位A3=A2=A1=A0=0时，本应显示0，但是在RBI（——-）=0作用下，使译码器输出全1。

其结果和加入灭灯信号的结果一样，将0熄灭。

（4）RBO（———）：

灭零输出，它和灭灯输入BI（—）共用一端，两者配合使用，可以实现多位数码显示的灭零控制。

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：

图5-474LS192的引脚排列及逻辑符号

（a）引脚排列（b）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

加计数

减计数

摘要：

集成稳压器发展很快，这里仅就线性集成稳压器介绍一些应用方法。

集成稳压器在近十多年发展很快，目前国内外已发展到几百个品种。

按电路的工作方式分，有线性集成稳压器和开关式集成稳压器。

按电路的结构形式分，有单片式集成稳压器和组合式集成稳压器。

按管脚的连接方式分，有三端式集成稳压器和多端式集成稳压器。

按制造工艺分，有半导体集成稳压器、薄膜混合集成稳压器和厚膜混合集成稳压器。

1.2三端固定式集成稳压器

这类稳压器有输入、输出和公共端3个端子，输出电压固定不变（一般分为若干等级），CW7800系列的输出电压为5，6，9，12，15，18，24V共7个档次，这个系列产品的最大输出电流可达1.5A。

同类型的产品还有CW78M00系列，输出电流为0.5A；CW78L00系列，输出电流为0.1A。

这类产品具有使用方便、性能稳定、价格低廉等优点，得到了广泛应用，已基本上取代了由分立元件组成的稳压电路。

三端固定式集成稳压器还有输出为负电压的CW7900、CW79M00和CW79L00系列。

1.3三端可调式集成稳压器

它有3个接线端：

输入端、输出端和调节端。

在调节端外接两个电阻可对输出电压作连的调节。

在要求稳压精度较高，并且输出电压需在一定范围内做任意调节的场合，可选用这种集成稳压器。

它也有正、负输出电压以及输出电流大小之分，选用时应注意各系列集成稳压器的电参数特性。

2应用电路

2.1固定输出电压源

利用三端固定输出电压集成稳压器可以方便地构成固定输出的稳压电源。

因为CW7800、CW78M00、CW78L00系列中最后两位数字表示集成稳压器的输出电压值，所以可用这两位数字选择相应型号。

例如要求6伏输出电压，就可以选择CW7806、CW78M06或CW78L06，其输出电压偏差在±2％以内。

若考虑输出电流的要求，在1.5A以内，选用CW7800系列，在0.5A以内的，选用CW78M00系列，小于100mA的，选用CW78L00系列。

固定输出稳压电源的基本电路如图1所示，图中的Ui是整流滤波以后的未经稳压的输入电压、Uo是稳压电源的输出电压，输出电容Ci一般情况下不接，但当集成稳压器远离整流、滤波电路时应接入1个0.33μF的电容器，它的作用是改善纹波和抑制输入的瞬时过电压，保证CW7800的输入与输出间的电压差不会超过允许值。

输出电容Co一般不采用大容量的电解电容器，只要接入0.1μF的电容器便可以改善负载的瞬态响应。

但是，为了减小输出纹波电压，有时在输出端并联1只大容量电解电容器，会取得较好的效果。

然而，这样将随之产生一种弊病：

一旦CW7800的输入端出现短路时，输出端上的大电容器上储存的电荷将通过集成稳压器内部电路调整管的发射极与基极PN结泄放，因大容量电容器释放能量较大，会造成集成稳压器内部调整管的损坏。

为了防止这一点，可在CW7800的输入与输出端之间跨接1个二极管（见图2），它为Co上电荷的泄放提供了一个分流通路，对集成稳压器起保护作用。

CW7800、CW78M00、CW78L00系列是正输出电压稳压器，但也可用来提供负输出电压，电路见图3。

图1固定正电压输出应用电路

图2具有输入短路保护的情况

图3固定负载短路保护的情况

图4正负电压同时输出的情况

正输出稳压电源和负输出稳压电源的组合，可成为正负电压同时输出的稳压电源。

电路如图4所示。

2.2高输入、高输出集成稳压电路

在集成稳压器的实际应用中，往往会存在整流滤波后的电压Ui较高，而要求输出电压较低的情况，为了保证集成稳压器的输入与输出之间电压差不超过允许值，就必须降低集成稳压器的输入电压值，图5给出一种参考电路。

当所需稳压电源输出电压高于集成稳压器的输出电压时，可采用升压电路来提高输出电压，图6给出参考电路，图中R1上的电压就是集成稳压器的标称输出电压Uo1，设流过R1的电流为IR1，流过R2的电流IR2是IR1和集成稳压器静态工作电流Iq之和，这时输出电压Uo为

Uo=Uo1＋R2（IR1＋Iq），

（1）

一般情况下，IR1≥5Iq，则上式可改写成

Uo≈Uo1＋IR1R2，

（2）

将IR1=Uo1/R1代入，则

Uo=Uo1（1＋R2/R1）（3）

从此式可以看出,是所提高的输出电压部分，它由R2和R1的比值来决定，当集成稳压器的输入电压变化时，它的静态工作电流Iq也随之变化。

若电阻R2数值较大，R2Iq项的作用也增大，将影响集成稳压电源的稳压精度，所以要求提高的电压值越大，R2取值越大，稳压电源的稳压精度就越低。

高输入电路和升压电路的组合，可以构成高输入、高输出稳压电源，图7给出参考电路。

2.3可调输出集成稳压电路

三端固定输出电压集成稳压器，一般来说输出电压是不可改变的，但在特定情况下，可以通过外接电路来改变输出电压值。

图8是7～30V的可调输出集成稳压电源电路，运算放大器F007作为电压跟随器，由于运算放大器

图5高输入电压情况

图6升压电路

图7高输入、高输出稳压电路

有较高的输入阻抗和较低的输出阻抗，将它接在集成稳压器的输出端2和调整端3之间，起到了缓冲作用，提高了稳压精度。

输出电压的表达式

Uo=Uo1（1＋R2/R1）。

（4）

在该电路中，由于运算放大器F007是单端正电压供电，并接在集成稳压器的输入端。

一般情况下，F007的输出电压幅值要比供电电压低一些，大约低2V左右，所以集成稳压器的输出电压只能下调到比三端稳压器电压标称值高2V的数值上，即上式中的Uo1表示比集成稳压器标称输出电压高2V的电压值，稳压电源输出电压的上限值受运算放大器F007的供电电压的限制，不能无限地提高输入电压Ui，当集成稳压器选用CW7805时，它的标称输出电压为5V，F007的供电电压（即CW7805的输入电压）Ui为32V，考虑到CW7805的最小输入与输出电压差为2V，则该稳压电源的输出电压可调范围为7～30V

为将输出电压进一步下调，可采用图9的电路，该电路中的运算放大器F007采取正负电压同时供电的方式，正负电源电压的总和不超过F007电源电压的最大允许值，与图8比较，不同点是运算放大器采用了部分反馈，这就相当于集成稳压器CW7805的标称输出电压变成了Uo1R3/（R3＋R4）。

图10是1～35V可调输出稳压源电路。

由于增大了输入电压Ui的数值，提高了输出电压的上限，从而扩展了可调范围。

2.4大电流输出集成稳压电路

图9从0.5V起调的稳压电路

图101～35V可调输出稳压电路

CW7800系列的最大输出电流为1.5A，若要求稳压源的输出电流大于1.5A时，必须采取扩展输出电流的方法，可以采用外接功率管的办法来解决，但必须注意的是这种三端集成稳压器，不能用NPN型晶体管来扩展电流，而只能采用PNP型晶体管，若必须采用NPN型晶体管时，应当用1个PNP型晶体管与它接成复合形式。

图11是大电流输出的稳压源实例。

该电路不仅有扩展输出电流的功能，同时对外接扩流晶体管V1提供过流保护，当有过电流发生时，RS上的电压降增大，使晶体管V2导通，由于V2与电阻R并联，使晶体管V1的基极与发射极之间的电压降低，使V1基流减小，从而使扩流晶体管V1输出电流减小或截止，起到过流保护作用。

过流保护采样电阻RS的选择

RS=Ube2/IS，（9）

式中Ube2——晶体管V2的基极与发射极间的电压；

IS——被限制的电流值。

图11大电流输出稳压电路

可以近似地认为IS=IO－IC，若选取IOIC，则IS≈IO，上式可写成

RS≈Ube2/IO。

（10）

　　需要指出的是由于采用外接扩流管，会对集成稳压器的稳压精度有影响。

2.5恒流源电路

用三端固定输出集成稳压器可以组成恒流源电路。

此时集成稳压器本身工作于悬浮状态。

图12是一种恒流源电路实例，接在集成稳压器输出端和公共端之间的电阻R=R1＋R2，决定了恒流源的输出电流IO，从图中可知，流过电阻R的电流

IR=Uo1/R。

（11）

为了取得较高的效率，应选取标称输出电压低的集成稳压器来组成恒流源，在图12中采用了CW7805。

若电阻R1为1个可变电阻器，就可以组成输出电流可调的恒流源，为防止可变电阻器调到零时造成集成稳压器输出端短路，在电路中串入小电阻R2。

R2值的选择应保证在R1调到零时集成稳压器的输出电流小于其所允许的最大输出电流值，即

R2≥Uo1/Iomax。

（12）

图12输出电流可调的恒流源电路

3集成稳压器的选择

在选择集成稳压器时应该兼顾性能、使用和价格几个方面，目前市场上的集成稳压器有三端固定输出电压式、三端可调输出电压式、多端可调输出电压式和开关式4种类型。

在要求输出电压是固定的标准系列值

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