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。