数字电子设计.docx

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数字电子设计

2.12数控直流恒流源的设计

一、设计要求

设计并制作数控直流电流源。

输入交流200～240V，50Hz；输出直流电压≤10V。

其原理示意图如下所示。

二、技术指标

（1）输出电流范围：

200mA～2000mA；

（2）可设置并显示输出电流给定值，要求输出电流与给定值偏差的绝对值≤给定值的1％+10mA；

（3）具有“+”、“-”步进调整功能，步进≤10mA；

（4）改变负载电阻，输出电压在10V以内变化时，要求输出电流变化的绝对值≤输出电流值的1％+10mA；

（5）纹波电流≤2mA；

（6）自制电源。

三、设计指导

能够向负载提供恒定电流的电源称为恒流源，所谓“恒流”是一种习惯说法，并不是电流值绝对不变，只是这种变化很小，在一个规定的范围内保持足够的稳定性。

恒流源是一个电源内阻非常大的电源。

如果电源E的电压能够随着负载的变化而变化，保持RL中的电流不发生变化，也可以实现恒流。

本世纪设计正是利用这个思路。

实际上是可调压电压源，输出接负载后反馈到单片机。

由单片机根据输出和给定值进行调整，保持RL中的电流恒定。

本系统的系统框图如图2.1，

图1  系统框图

　　系统工作原理为：

当有键盘按键对电流值进行预置时，单片机把所预置的数值送到液晶显示器显示，同时作为电流源的给定值，并输出相应的数字信号，通过D/A转换，使数字信号变成模拟电流信号，此电流信号经I/V模块转换成相应的电压信号，此电压信号经过压控恒流元件场效应管IRF640来产生相应的电流值，场效应管的漏极电流即为恒流源的实际输出电流。

场效应管的漏极电流近似于源极电流，源极电流经过采样电阻后转化为电压信号，单片机采集此信号,作出相应的调整处理后输出显示，作为电流源的自测表的输出值。

1硬件设计

　　如图1，本系统硬件电路主要包括：

单片机最小系统、键盘与显示电路、I-V模块、压控恒流源电路、电源电路等。

下面分别说明各个电路模块。

（1）数模、模数转换器设计

　　根据系统要求计算，D/A最少必须达到11位。

单片机内部集成有两个10位D/A和七路10位A/D可供使用。

或者使用外部AD，DA。

考虑到有两个内部集成的10位电流型输出D/A，若把两个10位D/A并联使用，步进时交替加1或减1，则精度可达到1/2048，即相当于一个11位D/A的精度，完全满足要求，又节约了外部硬件资源，可大大提高整个系统的性价比。

（2）压控恒流源电路设计

　　压控恒流源是系统的重要组成部分，它的功能是用电压来控制电流的变化，由于系统对输出电流大小和精度的要求比较高，所以选好压控恒流源电路显得特别重要。

　　采用如下电路：

　　电路原理图如图2所示。

该恒流源电路由运算放大器、大功率场效应管Q1、采样电阻R2、负载电阻RL等组成。

图2  压控恒流源原理图

　　电路中调整管采用大功率场效应管IRF640。

采用场效应管，更易于实现电压线性控制电流，既能满足输出电流最大达到2A的要求，也能较好地实现电压近似线性地控制电流。

因为当场效应管工作于饱和区时，漏电流Id近似为电压Ugs控制的电流。

即当Ud为常数时，满足：

Id=f（Ugs），只要Ugs不变，Id就不变。

　　在此电路中，R2为取样电阻，采用康铜丝绕制（阻值随温度的变化较小），阻值为0.35欧。

运放采用OP-07作为电压跟随器，UI=Up=Un，场效应管Id=Is（栅极电流相对很小，可忽略不计）所以Io=Is=Un/R2=UI/R2。

正因为Io=UI/R2，电路输入电压UI控制电流Io，即Io不随RL的变化而变化，从而实现压控恒流。

　　同时，由设计要求可知：

由于输出电压变化的范围U〈=10V，Iomax=2A,可以得出负载电阻RLmax=5欧。

（3）键盘显示电路设计

　　键盘采用普通的4×4矩阵式键盘，共有16个按键。

　　本系统采用128×64点阵式SPLC501液晶显示模块。

这种显示方式非常直观，用户可以从显示器上看到很友好的界面，而且点阵式LCD的显示内容非常灵活，用户可以同时从显示器上看到汉字提示和两个电流值：

其一为预先设定的电流值，即期望值；其二为输出电流的实测值。

正常工作时两者相差很小。

一旦出现偏差较大的状况，在一定范围内系统能自动调整，使误差满足精度要求。

由于SPLC501液晶模组的资料在大学网站可以下载到，这里不再赘述。

（4）电源电路设计

　　本系统对电源有较高的要求。

设计电源时既要保证电源的高稳定度，也要保证电源能输出大于2A的电流，故本系统采用三级管1264来扩流。

而且在使用电源时必须充分考虑电源的效率。

电源电路如图3所示，此电源电路采用了LM317和LM337，其输出电压是连续可调的，输出电压调到为＋15V和－15V来供给硬件电路使用，其中－15V的电源是供运放使用的，不需要扩流；而＋15V的电源的负载电流要求不低于2A，所以采用三级管1264来扩流。

另外用LM7805产生＋5V的电压供单片机使用。

图3  电源原理图

2、软件设计

　　首先初始化系统，即单片机系统的初始化，液晶显示器显示欢迎界面，D/A、A/D模块的初始化；系统默认设定值为1000mA；然后单片机便不停地进行键盘扫描，根据扫描得到的键值进行相应地操作，见图4主程序流程图。

图4 主程序流程图

参考资料

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[2]周志敏，周纪海，《开关电源实用电路》，中国电力出版社2005.9

[3]王兆安，黄俊，《电力电子技术》，西安交通大学出版社

[4]黄继昌、仝庆居，《电源专用集成电路及其应用》，人民邮电出版社2006.4

[5]肖金球，《单片机原理与接口技术》，清华大学出版社2004

[7]姜大源,王胜元，《单片机技术》，高等教育出版社2005

[8]王川，《实用电源技术》，重庆：

重庆大学出版社，2000.8，2-5页[31薛同泽，沙占友，张永昌，《开关电源的节能新技术》，河北科技大学学报，2003年第24卷第3期。

[9]何希才，张明莉，《新型稳压电源及应用实例》，北京：

电子工业出版社，2004.1

[10]赵家贵，《电子电路设计》，北京：

中国计量出版社，2005.4，222—224

[11]姜大源,王胜元，《单片机技术》，高等教育出版社2005原书第二版/（英）布朗（Brown,M）著；徐德鸿等译。

[12]曲学基,王增福,曲敬铠，《稳定电源电路设计手册》，电子工业出版社2003

[13]曲学基,王增福,曲敬铠，《稳定电源实用电路选编》，电子工业出版社2003

2.13数控直流稳压电源的设计

一、设计要求

■运用所学的数字电子知识，和模拟电子知识进行电路设计。

■设计出的直流电源要求输出精度高，步进电压在0.1V左右，并且调整方便。

■使用通用器件

■要求输出电压在0~9.9V

二、技术指标

■工作电压：

2-6V（典型5V）

■工作电流：

4.5mA（5V时）2.5mA（3V时）

■稳压输出值：

0-9.9V

■步进电压值：

0.1V

■输出纹波电压：

≤10mV

■输出电流：

5A

三设计指导

随着人们生活水平的不断提高,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,其中数控制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.本文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，其输出电压大小采用数字显示，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，译码显示等电路，具有控制精度高，制作比较容易等优点。

通过设计巩固学习过的专业知识，也使我们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；通过使用电路CAD软件Protel99se,了解到计算机辅助设计（CAD）的智能化。

此数控直流稳压电源共有六部分，输出电压的调节是通过“+”，“-”两键操作，步进电压精确到0.1V控制可逆计数器分别作加，减计数，可逆计数器的二进制数字输出分两路运行：

一路用于驱动数字显示电路，精确显示当前输出电压值；另一路进入数模转换电路（D/A转换电路），数模转换电路将数字量按比例，转换成模拟电压，然后经过射极跟随器控制,调整输出级，输出稳定直流电压。

为了实现上述几部分的正常工作，需要另制±15V，和±5V的直流稳压电源，及一组未经稳压的12V~17V的直流电压。

此下所讲的数控电源主要就是对此组电压进行控制，使输出0~9V的稳定的可调直流电压。

此原理方框图如下图1所示。

1“+”,“-”键控制的可逆计数器的设计

此部分电路主要用两按钮开关作为电压调整键，与可逆计数器的加计数CPU时钟输入端和减计数CPD时钟输入端相连，可逆计数器采用两片四位十进制同步加/减计数集成块74LS192级联而成。

74LS192是双时钟，可预置数，异步复位，十进制（BCD码）可逆计数器。

与之功能相同的还有其它芯片，比较容易找到。

1.1工作原理

由于输出电压从0V到9.9V可以调节，所以74LS192两计数器总计数范围从00000000到10011001（即0~99）,而74LS192本身为十进制可逆计数器，所以只需两块这样的芯片级联就可以达到目的，此芯片封装和工作模式表如下图2所示。

PL是低电平有效的预置数允许端，PL=0时，预置数输入端P0~P3上的数据被置入计数器。

MR是高电平有效的复位端，MR=1时，计数器被复位，所有输出端都为低电平。

CPU是加计数时钟，CPD是减计数时钟，当CPU=CPD=1时，计数器处于保持状态，不计数。

当CPD=1，CPU由“0”变为“1”时，计数器的计数值加“1”；当CPU=1，CPD由“0”变“1”时，计数器的计数值减1”。

TCU是进位输出端，当加计数器达到最大计数值时，即达到9时，TCU在后半个时钟周期（CPU=0）内变成低电平，其他情况均为高电平。

TCU是借位输出端，当减计数器计到零时，TCD在时钟的后半个周期（CPD=0）内变成低电平，其他情况下均为高电平。

为实现100进制的计数可把第一块芯片的TCU，TCD分别接后一级的CPU，CPD就可以级联使用，这就达到了0~99的计数。

1.2元件的选择

74LS192是双时钟，可预置数，异步复位，十进制（BCD码）可逆计数器，还可选用54HC192，

54HCT192，74HC192，74HCT192等。

2数字显示电路的设计

2.1工作原理

数字显示驱动采用两块74LS248芯片，74LS248为四线七段译码驱动器，内部输出带上拉电阻它把从计数器传送来的二~十进制码，驱动数码管显示数码。

具体功能如下图3真值表所示。

74LS248，七段译码器，输出高电平有效，适合于共阴极接法的七段数码管使用A3，A2，A1，

A0，为8421BCD码输入，a,b,c,d,e,f,g为七段数码输出，LT为试灯输入信号，用来检查，数码管的好坏，IBR为灭零输出信号，用来动态灭零，IB/QBR为灭灯输出信号，该端既可以作输入也可以作输出，具体工作如上真值表所示。

2.2元件选择

与74LS248功能相同的还有，74LS247，7CD4511等。

3D/A转换电路（数模转换器）的设计

DAC0832工作原理介绍：

数模转换电路，采用两块DAC0832集成块，它是一个8位数/模转换电路，这里只使用高4位数字量输入端。

由于DAC0832不包含运算放大器，所以需要外接一个运算放大器相配，才构成完整的D/A转换器，低位DAC输出模拟量经9：

1分流器分流后与高位DAC输出模拟量相加后送入运放，具体实现，由900Ω和100Ω的电阻相并联分流实现，运放将其转换成与数字端输入的数值成正比的模拟输出电压，运放采用具有调零的低噪声高速优质运放NE5534。

具体封装图如下图4所示。

DAC0832芯片主要功能引脚的名称和作用

如下：

d7~d0：

8位二进制数据输入端；

ILE：

输入锁存允许，高电平有效；

CS：

片选信号，低电平有效；

WR1，WR2：

写选通信号，低电平有效；

XFER：

转移控制信号，低电平有效；

Rf：

内接反馈电阻，Rf=15KΩ；

IOUT1，IOUT2：

输出端，其中IOUT1和运放

反相输入相连，IOUT2和运放同相输入端相连并接地端；

Vcc：

电源电压，Vcc的范围为+5V~+15V；

Vref：

参考电压，范围在-10V~+10V;

GND：

接地端。

当ILE=1,CS=0,WR=0，输入数据d7~d0存入8位输入寄存器中，当WR2=0，XFER=0时，输入寄存器中所存内容进入8位DAC寄存器并进行D/A转换。

当DAC0832外接运放A构成D/A转换电路时，电路输出量V0和输入d7~d0的关系式为

DAC0832最具特色是输入为双缓冲结构，数字信号在进入D/A转换前，需经过两个独立控制的8位锁存器传送。

其优点是D/A转换的同时，DAC寄存器中保留现有的数据，而在输入寄存器中可送入新的数据。

系统中多个D/A转换器内容可用一公共的选通信号选通输出。

由于DAC0832输出级没有加集成运放，所以需外加NE5534相配适用。

NE5534封装如下图5

所示。

IN-为反相输入端,IN+为同相输入端；

OUT为输出端；

Balance为平衡输入端,主要作用是,使内部

电路的差动放大电路处于平衡状态；

COMp/Bal的作用为,通过调节外接电阻,以

达到改善放大器的性能和输出电压;

VCC-和Vcc+为正负电源供；

4调整输出的设计

调整输出级采用运放作射极跟随器，使调整管的输出电压精确地与D/A转换器输出电压保持一致。

调整管采用大功率达林顿管，确保电路的输出电流值达到设计要求。

数控电源各部分工作所需的±15V和±5V电源由固定集成稳压器7815、7915、和7805提供，调整管所需输入电压，经简单整流，滤波即可得到，但要求能提供5A的电流。

输出电压的调整，主要是运用射极输出器发射极上所接的4.7K电阻来完成的，此反馈电阻的主要作用是，把输出电压反馈到NE5534的输入级的反向输入端，当同相输入IN+和反向输入端IN-有差别是，调整输出电压使之趋于稳定，从而达到调整输出电压的目的。

5电路调试

调节步骤如下：

5.1输入数字00000000，短接Re1、Re、Rf调运放调零电位器Rw，用数字万用表检测，使输出电压Vo=0±1mV。

5.2输入数字10011001，调整Re1、Re2、Rf使输出电压Vo达到预定的满量程9.9V。

5.3主要技术指标

本文所设计数控直流电源的电压输出范围为0~9.9V，步进电压值为0.1V，输出纹波电压不大于10mv，输出电流为5A。

6改进措施

本电源输出电压大小尚受限制，在需要较高输出电压时，在不改变调节精度（即步进电压值）前提下，只要增加计数器的级联数和相应D/A转换器的个数，扩大数显指示范围，配合选用高电压输出运放，就能轻易地满足要求。

当需要正负对称输出电压时，只要另增一组电源，对D/A转换器及调整输出电路稍作改动即可达到目的。

7本设计总体图

7.1控制电路如下,图6

7.2本设计主要电源供给电路，图7

参考文献

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清华大学出版社，2003

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电子工业出版社,1991

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