数控稳压电源设计A.docx
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数控稳压电源设计A
课程设计说明书
题目：
数控稳压电源设计A
学生姓名：
学号：
院（系）：
专业：
指导教师：
2015年3月26日
摘要
数控直流稳压源就是能用数字量来控制电源输出电压的大小，而且能使输出的直流电压能保持稳定、精确的直流电压的设备。
它能输出一定范围稳定直流电压，具有一定步进调节、输出电压显示的功能。
本设计以固定式三端集成稳压器LM317为核心器件，配合计数器及其它器件构成所需电路。
电源设计的主要指标是：
输入电压为DC16V，输出电压为直流5~12V可调，输出最大电流为1.5A，输出最大功率为18W，输出电压误差≤±0.1V。
一、设计任务与要求..........................................................................................................
（1）
二、设计方案论证..............................................................................................................
（1）
三、单元电路设计..............................................................................................................
（2）
3.1可调稳压电路设计...............................................................................................
（2）
3.2D/A转换电路设计..............................................................................................
（2）
3.3数字控制电路.......................................................................................................（3）
3.4显示译码电路设计...............................................................................................（5）
3.5电源电路设计.......................................................................................................（6）
3.6电路的简化与优化...............................................................................................（6）
四、调试与测试..................................................................................................................（7）
五、总结与体会..................................................................................................................（15）
一、设计任务与要求
设计并制作一个数控稳压电源。
电源设有“电压增”（UP）和“电压减”（DOWN）两个键，按UP时输出电压步进增加，按DOWN时步进减小。
具体要求如下：
（1）输出电压范围为5~12V，步进为1V；
（2）输出电压的误差≤±0.1V；
（3）最大输出电流≥1A。
发挥部分：
显示设定电压值；
说明：
（1）分别测试输出电压为5V、6V、7V、…11V和12V的电压值；
（2）最大输出电流通过设计方案予以保证。
参考元器件：
74HC191/193，74HC138，LM317，CD4511，S8050/8550，DAC0832，NE5532/TL082，TIP41/2N3055/3DD15。
二、设计方案论证
根据设计要求，可以把要设计的电路分为4大部分：
①可调稳压电路、②D\A转换电路、③数字控制电路和④译码显示电路。
图2-1系统框图
对于可调稳压电路稳压部分,可采用三端稳压调整器。
三端稳压调整器是应用最广泛的电源集成电路之一，它不仅形式简单，电压可调，还具有调压范围宽、稳压性能好、噪声低、波纹抑制比高等优点。
本设计选择使用三端正电压稳压器LM317，它的输出电压为1.25V~37VDC，输出电流为5mA~1.5A,芯片内部具有过热、过流、短路保护电路,最大输入输出电压差为40VDC，最小输入输出电压差为3VDC，完全满足设计要求。
D/A转换电路可采用D/A转换器、单片机进行转换，也可以利用电阻搭建一个权电阻网络来进行D\A转换，或是利用译码器和三极管构成的电子开关进行转换。
电子开关具有结构简单、使用方便和成本低的特点，所以本设计使用了译码器和三极管构成的电子开关进行转换的方案。
电路要求在5V~12V这八个档位间步进式增加、减小，因此可以采用四位二进制可加减计数器74LS193/74HC193作为数字控制电路的核心元件。
输出电压为5V~12V，需要显示两位数，这里采用最常用CD4511与七段共阴数码管组成显示电路。
三、单元电路设计
3.1可调稳压电路设计
LM317是可调节三端正电压稳压器，在输出电压范围1.2V到37V时能够提供超过1.5A的电流，符合设计要求，且易于使用。
输出电压可通过调整R2改变，Vo与R2满足图3-1所示关系。
V0=Vref（1+R2/R1）（3-1）
图3-1可调稳压电路
要实现数控，只需通过数模转换电路对R2的阻值进行调整即可。
3.2D/A转换电路设计
设计要求输出电压范围为5V~12V，步进为1V，共有八个档位，每个档位对应一个R2的阻值，共8种阻值，因此可以以三极管为电子开关，对这八种阻值进行选择，从而实现输出改变。
要输出所需电压，只需选通对应的三极管。
因此可以用3-8译码器配合计数器发出选通信号。
计数是从5开始，到12结束的，即74HC193输出从0101到1100，而一片3-8译码器的输入只能从000到111，所以先要对3-8译码器进行扩展，使用两片74HC138连接成一个4线-16线译码器。
R2的阻值可由V0=Vref（1+R2/R1）计算得出，具体结果如表3-1所示。
表3-1输出电压与调整电阻R2的对应关系
输出电压V0
R2对应阻值
输出电压V0
R2对应阻值
5V
691Ω
9V
1451Ω
6V
882Ω
10V
1641Ω
7V
1072Ω
11V
1831Ω
8V
1269Ω
12V
2022Ω
图3-2D/A转换电路
3.3数字控制电路
要在5~12之间加减计数，可以选用四位二进制加减计数器74LS193/74HC193作为数字控制电路的核心元件。
加减脉冲可以用微动开关制作。
由于计数从5开始，12结束，共八个档位，因此需要将计数器改为8进制。
考虑到74HC193输出的数超过9以后，CD4511将会出现消隐，不能直接让计数器从5~12计数，可以先让计数器从0~9计数，显示电路的低位可以直接接计数器的输出端。
在低位显示0、1、2时高位显示为1，低位显示为5、6、7、8、9时高位显示为0,即高位只显示0、1这两个数，所以高位可以用门电路实现。
具体的门电路设计可以采用真值表化简得出，真值表如表3-2所示。
表3-2计数电路逻辑真值表
D
C
B
A
Y1（清零）
（置数）
1
0
0
0
0
0
0
0
0
1
1
1
1
0
0
0
0
1
1
1
1
0
0
0
1
0
0
1
1
0
0
1
1
0
0
1
1
0
1
0
1
0
1
0
1
0
1
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
1
0
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
所以逻辑表达式为：
Y1（清零）=D
B
，
（置数）=
图3-3数字控制电路
3.4显示译码电路设计
按设计要求，需要要显示两位数。
本设计使用两个共阴数码管和两片CD4511搭建所需电路。
低位与高位独立显示，数码管低位显示0~9,可以直接接74HC193数据输出端；高位显示0~1，用门电路实现。
低位显示5~9时高位为0，低位显示0~2时高位显示1。
真值表如表3-3所示。
表3-3显示译码电路高位控制真值表
D
C
B
A
Y（高位）
0
0
0
0
0
0
0
0
1
1
0
0
0
0
1
1
1
1
0
0
0
0
1
1
0
0
1
1
0
0
0
1
0
1
0
1
0
1
0
1
1
1
1
0
0
0
0
0
0
0
逻辑关系式：
Y（高位）=（
）+（
）
图3-4显示译码电路
3.5电源电路设计
本设计中使用了许多门电路和74HC系列的电路，他们都需要5V电源才能工作。
稳压电路中LM317的工作电压必须大于输出电压3-5V,因此需为LM317提供15V~17V的电压，为此需要设计提供供电电源的电路。
LM317的工作电压可由学生电源提供，5V电压可由LM7805提供。
LM7805为三端正稳压器件,TO-220封装，固定的5V输出电压，应用范围广。
内含过流、过热和过载保护电路。
带散热片时，输出电流可达1A。
图3-5电源电路
3.6电路的简化与优化
虽然电路的各个模块已经设计完成，可以满足所需功能。
但总体来看，电路所使用的集成模块较多，尤其是在门电路方面，共使用路五种不同的门，这给后期连线带了极大的不便。
因此对电路的优化、简化是极为必要的。
A/D转换模块的简化
之前的译码电路中使用了74HC138译码器，74HC183的输出端是低电平有效，当它选通三级管时必须先反向，反相器的加入无意增加了电路的复杂性。
查资料可知，74HC238译码器是输出高有效的3-8译码器，正好符合要求。
因此优化第电路使用74H238。
清零电路的简化
当74HC193加到10的时候，需要对其清零，否则数码管低位将会出现消隐。
计数为10的时候3-8译码器仍然有效，所以可以利用3-8译码器的输出端完成清零。
同理，显示电路的高位也可以利用3-8译码器的输出端配合门电路进行控制。
输出端的优化在设计电路中，193可以循环计数，当低电压跳变到高电压时，可能会损坏负载，因此必须在计数器加至12V或减至5V时对输出进行锁定。
改进后的电路如图3-6所示。
图3-6简化与优化后的电路
四、调试与测试
电路设计完成后，还需要用仿真软件对电路图通过进行实时模拟，模拟出实际功能，然后通过分析进行改进，从而能够实现电路的最优化。
本设计使用Multisim进行仿真。
经过仿真，整体电路完全满足设计需求，达到了预期的效果。
仿真通过后，就可以开始焊接了。
焊接后的成品如图所示。
图4-1焊接完成后的正面效果图
图4-2焊接完成后的背面效果图
在电路组装过程中，本设计采用模块化思想，即先连单元电路，待单元电路实现预期功能后，再将各个单元逐个连接起来调试。
单元出错时可以很快的找到错误并改正，所有单元电路都实现功能后，再以计数电路为核心将其它单元电路依次连入，每连入一个单元电路调试一次，这样节省了大量检查错误的时间，降低了调试的难度。
在连线过程中，计数和显示电路基本没有问题题，值得一提的是，设计电路全部采用的是CMOS器件，CMOS器件不使用的引脚不能悬空，由于在一开始的焊接中没有注意到这一点，计数电路出现了不稳定的情况，当手靠近电路是数码管忽亮忽暗。
将悬空引脚接地后，这类问题立即消失。
对于译码电路和稳压输出电路，由于在仿真过程中使用的电阻大多是非标准的，需要用标准电阻凑配或是用电位器代替，考虑到精度要求，本设计使用标准电阻凑配。
在实际连线中，导线及焊点的电阻都可能影响电压输出的精度，所以理论计算的电阻值只能作为一个参考值，电阻大小的选择需要根据实际输出决定。
由于固定电阻阻值不易调整，使得整个调试的过程变得很麻烦，这是本设计的缺陷之一。
作为一个稳压器，在整个电路连接调试好后，还有最重要的一步，就是测试稳压器的转换精度，和带负载能力，判断其是否满足设计要求。
测试结果如图：
转换精度测试
电流测试
图4-3理论输出5V时的测量值
图4-4理论输出10V时的测量值
图4-5理论输出12V时的测量值
带负载能力测试（以电阻10Ω功率20W的水泥电阻作为负载）
图4-6理论输出9V带负载后的测量值
图4-7理论输出12V带负载后的测量值
输出电流测试
图4-8理论输出9V带负载后的电流
图4-9理论输出12V带负载后的电流
五、总结与体会
在本次设计制作的是一个简单的数控稳压源，设计思想很简单，电路也不是很复杂，可是看似很简单的电路，真正要动手把它制作出来，并不是一件简单件事。
原因有很多，首先是我们没有经常动手设计过电路，俗话说孰能生巧，只有经常动手，设计起来才会得心应手。
其次是理论与实际存在差距，理论设计其实很简单，只要电路知识扎实，设计过程不需要很长时间，但在材料准备和焊接过程中还是会遇到很多问题，例如需要考虑元器件的型号，需要考虑成本，还需要考虑焊接过程中的许多问题。
另外我们还需要查阅资料，许多元器件的资料是英文的，这还考查了我们的外语能力。
这一系列的问题都要求我们在以后的学习中，应该注重自己的能力培养，重要的是我们要学会把从书本中学到的知识和实际联系起来，这不论是对我们以后就业还是学习，都会起到很大的促进和帮助，我相信，通过这次的课程设计，在以后的学习中我会更加努力，力争把自己所学的课程学好、学精。
当我完成设计作品后，再次反思，我觉得我的设计其实还有很大的改进余地。
设计之初我是以参考原件为中心构思的，计数器计数选择了十六进制计数器74HC193，其实在使用中是把它当作十进制来使用的，如果一开始就使用十进制加减计数器的话，电路可以更加加单。
另外本设计使用的是实验室提供的16V电源，对于一个稳压器来说这是不合理的，它应该使用市电220V供电，这样才具有实用性。
考虑到安全性，因此省略了这部分电路的设计。
如果使用交流电，还需要考虑滤波与电网波动的问题。
当然，本设计也有许多优点。
首先它电路简单，使用方便。
其次是它制作成本很低，使用的都是常用元件。
另外它的输出精度也佷不错，抗干扰能力很强。
总的来说，这次设计是对我个人能力的极大提高。
它让我把理论与实践从真正意义上相结合了起来，考验了我们借助互联网络搜集、查阅相关文献资料和组织材料的综合能力。
同时，也起到了自我测验的作用，使我认识到自己哪方面有欠缺、不足，以便于在日后的学习中得以改进、提高。
通过使用电路CAD软件Multisim、Proteus、Protel，让我了解到计算机辅助设计的智能化,高效率。
通过此次课程设计，我觉得自己充实了许多，首先，我运用自己所学的知识独立设计出了满足使用要求的使用电路;其次我学会了多款CAD软件的使用，这对以后的就业和工作有着极大的帮助；更重要的是我们学会了如何独立思考问题、协同合作，学会了遇到问题应该如何解决，这将在我们以后的学习和工作中起着重要的作用。
附录
表5-1元件清单
元件名
元件描述
数量
74HC193
四位二进制计数器
1
74HC238
三八译码器
2
74HC04
非门
1
74HC10
三输入与非门
1
74HC32
或门
1
CD4511
显示译码器
2
LM7805
集成稳压器
1
LM317
可调集成稳压器
1
电阻
10kΩ
10
电阻
2kΩ
1
电阻
1kΩ
1
电阻
830Ω
1
电阻
640Ω
1
电阻
430Ω
1
电阻
220Ω
1
电阻
180Ω
14
电阻
120Ω
1
电阻
11Ω
3
电阻
10Ω
3
图5-1完整电路图
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