简易数控直流电源设计(可编辑修改word版)

课程设计任务书

2015—2016 学年第二学期

专业：电子信息工程（电子技术应用方向）学号：1401020023 姓名：钮豪

课程设计名称：电子技术课程设计

设计题目：简易数控直流电源设计

完成期限：自 2016 年 6 月 13 日至 2016 年 6 月 26 日共 2 周

一、设计依据

本课题要求利用电子技术知识设计出一定输出电压范围和功能的数控电源。电路由数字控制部分、D/A 转换部分、可调稳压部分组成。数字控制部分采用“+”“-”按键来分别调整控制输出电压步进增减，信号经过D/A 转换后控制调整步进为0.1V，可输出0～+9.9V 的稳定直流电压，并采用LED 显示输出电压，同时预设一个复位按键来进行复位。通过本课题的练习，学生的综合知识应用能力、设计能力将有较大提高，对今后从事电子产品的研制、生产、经营维修等打下基础。

二、主要内容及要求

主要内容：

1、要求输出电压范围0～+9.9V、步进0.1V、波纹不大于10mv；输出电流500mA；输出电压值由数码管显示；由“+”、“-”两键分别控制输出电压步进增减；同时预设一个复位按键来进行复位；可自制一个稳定直流电源（输出±15V.+5V）。

2、设计要求画出电路原理图（或仿真电路图）；元器件及参数选择；电路仿真与调试；PCB 文件生成与打印输出。

3、制作要求自行装配和调试，并能发现问题和解决问题。

4、撰写设计报告，写出设计与制作的全过程，附上有关资料和图纸，有心得体会。

设计要求：

1、给出详细的总体设计方案；

2、完成各部分具体功能电路设计，包括“+”、“-”键控制的可逆计数器的设计、D/A 转换电路设计、可调输出设计、LED 显示电路设计、自制稳压电源设计；

3、仿真、调试验证各部分设计的正确性；

4、整理设计成果，完成设计说明书的撰写。三、途径和方法

本课题利用电子技术设计一个数控直流电源，可以先查阅相关资料（网上查找或参考相关书籍手册），明确课题的方向和目的，然后学习完成课题所需的理论知识，了解可逆计数器、D/A 转换电路、LED 显示电路的工作原理；在理解的基础上确定设计电路方案，设计电路，画出原理图及PCB 印制版图，最后提交课程设计说明书一份。

四、时间安排

课题讲解：2 小时

阅读资料：10 小时

撰写设计说明书：12 小时

修订设计说明书：6 小时

五、参考文献

[1]乐丽琴. 数字电子技术[M]. 北京：电子工业出版社，2014.

[2]王毓银. 脉冲与数字电路（第三版）[M]. 北京：高等教育出版社，1999.

[3]路勇. 电子电路实践及仿真（第一版）[M]. 北京：清华大学出版社，2004.

[4] 岳怡. 数字电路与数字电子技术（第一版）[M]. 西安：西北工业大学出版社，2001.

[5]刘常澍. 数字逻辑电路（第一版）[M]. 北京：国防工业出版社，2002.

[6]萧宝瑾. protel 99 SE 操作指导与电路设计实例（第一版）[M]. 太原：太原理工大学，2004.

[7]赵学良，张国华.电源电路[M].北京:电子工业出版社,1995.

[8] 张义申，陆坤. 电子设计技术[M]. 西安:电子科技大学出版.1996.

指导教师（签字）：教研室主任（签字）：

批准日期：年月日

简易数控直流电源设计

摘要

电子系统的正常运行离不开稳定的电源，除了在某些特定场合下采用太阳能电池或化学电池作电源外，多数电路的直流电是由电网的交流电转换来的，能长期、连续地工作，给人们生产生活带来了极大的方便。但是当前的大部分稳压电源输出电压不稳定，给设备造成致命伤害或误动作，影响设备的使用寿命、加速设备的老化。本文所研究的数控直流电源具有输出电压稳定、工作可靠，范围可调、成本较低等特点。

本课题主要对简易数控直流电源电路的硬件设计进行了详细的描述。首先，本文概

述了数控电源的背景、发展状况及其设计要求。其次，本文讲述了简易数控电源系统的

总体设计方案及其论证。再次，本文介绍了本课题用到的集成电路的内部结构及外围引

脚功能。最后，本文简述了整流滤波电路、数字控制电路、D/A 转换器及稳压调节电路

的设计方法，并设计出整体电路。

关键词：整流滤波电路，数字控制电路，D/A 转换器，稳压调节电路

1绪论 (1)

1.1课题描述 (1)

1.2基本工作原理及框图 (1)

2相关芯片 (2)

2.1 74LS192 芯片 (2)

2.2 DAC0832 芯片 (2)

2.3 74LS47 芯片 (3)

3主要电路设计的电路图及原理 (3)

3.1“+”、“-”键控制的可逆计数器的设计 (3)

3.1.1工作原理 (4)

3.1.2元件的选择 (5)

3.2数字显示电路的设计 (5)

3.2.1工作原理 (5)

3.2.2元件的选择 (5)

3.3D/A 转换电路（数模转换器）的设计 (6)

3.4自制稳压电源 (7)

3.5调整输出的设计 (7)

4总体电路设计以及元器件清单 (8)

4.1总体电路设计 (8)

4.2元器件清单 (8)

5仿真分析 (9)

5.1自制稳压电源电路 (9)

第V 页简易数控直流电源设计

5.2整体电路 (9)

总结 (11)

致谢 (12)

参考文献 (13)

“+”“-”

键可逆计

数器

D/A 转换

数显电路

调整输出

1绪论

1.1课题描述

本课题利用电子技术知识设计出一定输出电压范围和功能的数控电源。电路由数字控制部分、D/A 转换部分、可调稳压部分组成。数字控制部分采用“+”“-”按键来分别调整控制输出电压步进增减，信号经过D/A 转换后控制调整步进为0.1V，可输出0～+9.9V 的稳定直流电压，并采用LED 显示输出电压，同时预设一个复位按键来进行复位。

1.2基本工作原理及框图

本次所设计的数控直流电源与传统稳压电源相比，具有操作方便，电压稳定度高的特点，其输出电压的大小采用数字显示，整个系统包括：“+”，“-”键控制的可逆计数器的设计，可逆计数器的二进制数字输出分两路运行：一路用于驱动数显电路，指示电源输出电压的大小值；另一路进入D/A 转换电路，D/A 转换器将数字量按比例转换成模拟电压，然后禁果跟随器控制调整输出级输出所需的稳定电压。为实现上述几部分电路的正常工作，需要另制“+15v”“-15v”“+5v”的稳压直流电源。流程图如图1 所示。

图 1 基本工作原理框图

稳压电路

2相关芯片

2.1 74LS192 芯片

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。74LS192 引脚排图如图2 所示。

图2 74LS192 引脚排图

PU 为加计数时钟输入端，

CPD 为减计数时钟输入端

LD 为预置输入控制端，异步预置

CR 为复位输入端，高电平有效，异步清除

CO 为进位输出：1001 状态后负脉冲输出

BO 为借位输出：0000 状态后负脉冲输出[1]

2.2DAC0832 芯片

DAC0832 是8 分辨率的D/A 转换集成芯片。与微处理器完全兼容。这个DA 芯片

以其价格低廉、接口简单、转换控制容易等优点，在单片机应用系统中得到广泛的应用。D/A 转换器由8 位输入锁存器，8 位DAC 寄存器，8 位D/A 转换电路及转换控制电路构成。DAC0832 引脚排列如图3 所示。

图3 DAC0832 引脚排列图

2.374LS48 芯片

74LS47 为四线七段译码驱动器，内部输出带上了阻把它从计数器传送来的二-十进制码，驱动数码管显示数码。74LS47 引脚排图如图 4 所示。

图4 74LS47 引脚排列图

3主要电路设计的电路图及原理

3.1“+”、“-”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。

3.1.1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。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。[2]“+”、“-”键控制的可逆计数器电路图如图5 所示。

图5 “+”、“-”键控制的可逆计数器电路图

3.1.2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。

3.2数字显示电路的设计

3.2.1工作原理

数字显示驱动采用两块74LS48 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。74LS48，七段译码器，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。数字显示电路图如图6 所示。

图6 数字显示电路图

3.2.2元件的选择

与74LS48 功能相同的还有74LS247、7CD4511 等。

3.3D/A 转换电路（数模转换器）的设计

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

图7 D/A 转换电路图

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。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。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。[3] D/A 转换电路图如图7 所示。

3.4自制稳压电源

本次设计的数控直流稳压电源需要不少外在的稳压电源提供电压，如D/A 转换器，稳压电路和数字控制电路都需要外在的直流电源供电，因此本次设计的辅助电源主要实现+15V，-15V，和+5V 以便于对各个部分的电路提供电压。如D/A 转换器所需的V15，数字控制电路所需的+5V 和稳压电路所需的V15。对于辅助电源的设计我主要采用了整流滤波电路和CW7805、CW7815、CW7915 集成三端稳压器进行实现。通过整流滤波电路将交流电转变为稳压直流电，然后通过三端集成稳压器CW7805、CW7815、CW7915 获得固定输出电压，进而对D/A 转换器，稳压电路和数字控制电路各个部分所需要的固定电压进行定点输送。[4]自制稳压电源电路图如图8 所示。

图8 自制稳压电源电路图

3.5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。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500mA 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100K 电位器来完成的，此反馈电阻的主要作用是，把输出电压反馈到NE5532 的输入级的反向输入端，当同相输入IN+和反向输入端IN-有差别时，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。调整输出电路图如图9 所示。

图9 调整输出电路图

4总体电路设计以及元器件清单

4.1总体电路设计

将上述各单元电路连接起来就得到整体电路原理图。整体电路原理图如图10 所示。

图10 整体电路原理图

4.2元器件清单

元器件清单如表1 所示。

相关芯片，元器件主要用途数量

74LS192 十进制可逆加减计数器 2 个

74LS47 译码器 2 个

数码显示管显示电压值 2 个1 位

运算放大器NE5534 放大电压 2 个

DAC0832 实现D/A 转换 2 个

电阻，电容降压，分压，滤波等等电阻：1K15 个，10K2 个，100,900，

各一个。电容：470uf3 个，100uf2 个，

0.1uf6 个，220uf3 个，LED2 个（红、

绿）

5仿真分析

在整个仿真电路中，使用仿真软件Multisim 对于要求的电路进行仿真。[5]

5.1自制稳压电源电路

自制稳压电源分析：给电路输入220V 交流电压，通过整流滤波电路将交流电转变为稳压直流电，然后通过三端集成稳压器CW7805、CW7815、CW7915，可以输出±15V，+5V 直流电压，并且输出波纹小于10mV，符合设计要求。自制稳压电源分析图如图11 所示。

图11 自制稳压电源分析图

5.2整体电路

调节按键，当数码管显示0.1 时，用数字万用表检测，输出电压Vo＝0±1mV。依次按增减键使数码管显示0.0～9.9，电压显示0.0～9.9V。设计数控直流电源的电压输出范围为0.0～+9.9V，步进值为0.1V，输出纹波电压不大于10mV，输出电流为500mA，

其测试结果符合设计要求。整体电路测试图如图 12 所示，输出电流显示图如图 13 所示。

图 12 整体电路测试图

图 13 输出电流显示图

V3 5 V

Key = Space

S1 V5 3 V

U3D

V1 S2

5K V e y = Space 74L U S 71D 4N U8

74LS192D

74LS192D U4

74LS47D

Key = Space

74LS14N

A B C D E F G H

5 V

R 1k R 61Ωk R 1Ωk R 12Ωk R 31Ωk 41Ωk R ΩR 7 15

1k 1Ωk Ω V4 15 V

10R k Ωv2

R17 R20

Key=A 4 70 % U11A

Iref+ Iout+

1kΩ

IDAC8

1kΩ

Iref-

Iout-

R16

1kΩ 3

A B C D E F G H

U9 8

NE5532AI

R21

4.7kΩ

R19 R 1k R 81Ωk R 19Ωk R 1Ωk 0R 1Ω1k R 1Ω2k R 1Ωk 31Ω4

V6 1kΩ 15 V

2N3055A

Iref+ Iout+ IDAC8

R22 0.2kΩ

Iref-

Iout-

Q2 2N3055A

C1 100μF

R18 1kΩ

U10

D 0

D 1

D 2

D 3

D 4

D 5

D 6

D 7

D 0

D 1

D 2

D 3

D 4

D 5

D 6

D 7

15 A 16

V C C

Q A Q B Q C Q D

~B O ~C O

1 B 10 C 3

2 6 7

13 12

9 D

11 ~L O A D 14 C L R

5 U P

4 D O W N 8 G N D

G N D D O W N U P

C L R ~L O A

D D C B A 8 4 5

14 11

9 10 1 15

~C O ~B O

Q D Q C Q B Q A

V C C

12 13 7 6 2 3

16 G N D ~B I /R B O O G ~R B I O F ~L T O E 8 4 5 3

6 2 1 7

14 15 9 10 11 12 13 16

O D O C O B O A V C C

D C B A

G N D ~B I /R B O O G ~R B I O F ~L T O E 8

4 5 3

6 2 1 7

14 15 9 10 11 12 13 16

O D O C O B O A V C C

D C B A

总结

在本次设计过程中，对纹波提出非常的严格要求，所以使用了DAC0823，整个电路简单可靠，选用低价格通用元器件具有较高的性价比。本文的各个部分分别阐述了简易数控直流稳压电源的设计思路和电路组成部件的功能和作用。简易数控直流稳压电源选用了整流滤波电路、数字控制电路、D/A 转换电路和调整输出电路。整流滤波电路采用的是桥式整流、电容滤波进行设计的，数字控制电路采用了74LS192 芯片来进行实现的，D/A 转换电路采用了DAC0832 实现的，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。最后由于各个电路还需要直流稳压电源来提供固定电压，因此我又设计了由整流滤波电路和CW7805、CW7815、CW7915 组成了辅助电源来实现本次的设计课题。因此本次设计所实现的直流稳压数控电源具有操作简便，便于实现5 至15V 的电压转换。

经测试，本方案可以达到设计要求。实现了输出电压范围0～+9.9V、步进0.1V、波纹不大于10mv；输出电流500mA；输出电压值由数码管显示；由“+”、“-”两键分别控制输出电压步进增减；同时预设一个复位按键来进行复位，并且设计了一个自制的稳定直流电源（输出±15V.+5V）。

这次课程设计，也是考验我们的信息搜索能力，从互联网上找到我们所需要的相关资料，从中选择出我们真正需要和使用的到东西，然后组成自己所需要的电路。在基本电路组成后，然后使用Multisim 进行仿真，仿真又是一个问题，由于对软件的不熟悉，

仿真的过程也异常的困难，有的元件由于不知道型号，无法找到正确的元件放置上去，电路也是经过了多次的修改，才最终在仿真中达到要求的参数。

有了这次难忘的经历，我觉得自己充实了许多，学到了很多东西，更重要的是我们学会了如何协同合作，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。

致谢

本次关于简易数控直流电源的设计是在张具琴老师的精心指导下，和同组内的其他成员的共同交流下才得以顺利完成，经过本次课程设计把我大学两年年来所学的理论知识转化为实际应用，既锻炼了我的综合能力，又使理论知识得以加强和神话，激发了创新意识。感谢我的老师给予我很大的关心和支持，一直激励着我去努力做好本次毕业设计并且给了我系统的思路和方法。张具琴老师精湛的专业知识、耐心的工作态度和真诚的待人风格给我留下了非常深刻的印象，对我以后的工作和生活将产生积极的影响。张具琴老师给予了我相当大的帮助，真挚的向导师说声谢谢。

同时也要感谢帮助过我的所有同学，特别是在我的设计遇到困难的时候，他们在精神上和行动上，都给予我很大的支持，鼓励我不要泄气，勇敢的面对困难，使我终于突破了设计的难点，顺利完成了此次课程设计。

参考文献

[1]乐丽琴．数字电子技术[M]. 北京：电子工业出版社，2014．

[2]王毓银．脉冲与数字电路（第三版）[M]．北京：高等教育出版社，1999．

[3]刘常澍．数字逻辑电路（第一版）[M]．北京：国防工业出版社，2002．

[4]赵学良，张国华．电源电路[M]．北京:电子工业出版社,1995．

[5]路勇．电子电路实践及仿真（第一版）[M]．北京：清华大学出版社，2004．