广东石油化工学院。
课程设计说明书。
课程名称： 模拟电子技术课程设计
题目： 数控直流稳压电源设计
数控直流稳压电源设计。
一、设计任务与要求。
设计一个数控直流稳压电源。
1．功能与主要技术指标。
⑴ 输出电压：0∽9．9v步进可调，调整步距0．1；v
⑵ 输出电流：≤500ma；
⑶ 精度：静态误差≤1%fsr，纹波≤10mv；
⑷ 显示：输出电压值用led数码管显示；
⑸ 电压调整：由“+”两键分别控制输出电压的步进增减；
⑹ 输出电压预置：输出电压可预置在0∽9．9v之间的任意一个值；
⑺ 其它：自制电路工作所需的直流稳压电源，输出电压为±15v，+5v；
2．数控直流稳压电源组成框图之一。
操作人员通过按键对系统发出电压调整指令，该指令与输出电路的状态信号一起送入数控部分电路，经过处理后产生符合指令要求的输出电压信号，并经输出电路功率驱动后输出。当输出电路的输出电流超过极限值时，由过流保护电路产生的信号送入数控电路，关闭系统的电压输出，对系统的输出电路进行保护。另外，数控部分还产生显示信息送入显示电路，将输出电压或其它信息报告给操作人员。
图一。提示：
用可预置的加减计数器和d/a实现电压预置和电压步进控制；
用集成运放实现功率扩展或用三端集成稳压电源；
可用电压比较器实现过流控制；
二、方案设计与论证。
设计任务要求如图一所示，总共有六部分构成，即由按键，显示电路，自制稳压电源，数控部分电路，输出电路与过流保护电路构成。根据所给要求，从整体出发，考虑到该电源具体工作环境，容易得到两种截然不同的的设计方案。其一为开关电源，其二是线性调整器。
方案一：线性调整器。
在电源领域中，根据电源中半导体开关器件的工作状态，可以分成两大类：开关电源与线性调整器，在早期电源领域中极大多数使用线性调整器，这种电源又称为串联型调整器，其基本电路如图二所示。
图二基础线性稳压电路。
三极管工作**性状态，通过r1、r2与误差放大器构成反馈网络，并通过电流放大器驱动三极管，此时三极管等效为一个可变电阻，电网电压的快速波动，或者负载发生变化，均会被这一等效电阻所调整，这一过程使得输出电压得到控制。
线性调整器具有一些独特的性质。由于输出负载与整个输出回路串联，整个环路响应非常快速；三极管工作在非开关状态，因此不会产生快速的电路动作，不会产生瞬间的电压尖峰或者电流尖峰，而且它不会造成电磁干扰（emi），电磁兼容（emc）问题也不是首要考虑的。相比开关电源，它的输出纹波特性更加优异，这使得它在现代电源领域仍然占一席之地。
但在另一方面，线性调整器有一些很大的缺点，比如该类电源只能降压，而且效率低下（一般难以超过50%）。综上所述，线性调整器往往运用于实验电源，精密电源，或者一些微型的设备当中。
方案二：开关电源。
随着电子技术的发展，对于电源的要求逐渐趋向微型化、高效化。一般线性调整器的功率密度非常低，仅仅为0.2-0.
3w/in^2。取代线性调整器的开关型调整器在20世纪60年代就开始应用。开关电源核心原理是通过控制元器件开通与关断的时间比例，来维持输出电压或者输出电流的恒定。
开关电源之所以比线性调整器高效是因为诸如开关管等元器件并不工作**性状态，而是工作在开关状态，半导体元器件在导通时阻抗很低，而在关断时阻抗很高，因此元器件上的功率损耗较低。
开关电源具有多种形式，称为“拓扑”，每一种拓扑都有他独特的性质，进一步而言，开关电源可以运用在多种工作环境中，这也是为什么开关电源技术能够长盛不衰的发展，并在各个领域创造了不可磨灭的功绩的原因。
开关电源仍然会有缺点，比如快速的开关动作会带来大量的电磁干扰，为了使系统更加安全的运行，必须考虑emi与emc。除此之外，开关电源相对线性调整器而言更加复杂，这在后来的研发设计当中带来诸多的困难和挑战。
方案选择：考虑到本次设计的电源的工作环境和参数指标，选择方案一，即使用线性调整器较为妥当。假如使用开关电源，那么在极低输出电压下（零点几伏的输出）的设计将会非常复杂，电源的拓扑也只能选择少数的种类，比如使用反激类型的变换器，因为该类型的特性之一是能量转换周期和能量存储周期是完全独立的操作。
在接下来的设计过程中会涉及到多种理论知识，如何按照模块设计，如何提高可行性和可靠性将会是一大难点，这也是在锻炼学生的理论与实践相结合的能力。
三、单元电路设计与参数计算。
该设计分为六个部分，分别是线性电源电路，电压控制电路（可逆计数器电路）、d/a转换电路、设定电压与实时电压显示电路、输出电路、输出过压保护电路。整体工作过程简明清晰：通过按键设定输出电压，进而将二进制形式的设定值用d/a转换电路转换为模拟电压信号，该信号经过输出电路而功率提高，最终提供精准的输出电压。
3.1 线性电源电路。
因为整机工作功率较小，所需电流一般在2a以下，可以使用线性电源而不需过多的考虑效率问题。
图三线性电源电路。
该电源电路能输出12v、5v和正负15v，如图三所示，工频变压器tr1、tr2将220v降压到25v，并且使后级电路与电网隔离，降压后的电流经过整流桥变为全波整流电流（脉动直流电），经过三端稳压集成电路lm7805、lm7815、lm7915、lm7812可得到稳定的输出电压。1000uf电容和100nf电容用于滤波，其中c2、c3、c4、c5分别并联在整流二极管两端，用以降低二极管开机电流应力和削弱高频谐波的影响。为了防止电路不工作时，三端稳压集成电路输出电容的电压下降速度比输入端电容电压下降速度慢，输出端电压比输入端电压高而导致三端稳压集成电路的损坏，在其输入与输出端反向并联二极管d5、d6、d11，电阻r10、r11、r14是电容泄放电阻，二极管d7、d8用于防止正负电源输出负载不对称而导致元器件损坏。
3.2 电压控制电路。
通过设置两个微触开关控制输出电压的增加与降低，且步进值精确到0.1v，调节范围是0-9.9v，此时需要一种可逆计数器实现这一过程，即二进制***变化到10011001，在此使用两片74ls192作级联处理。
图四电压控制电路。
74ls192是同步十进制可逆计数器，它具有双时钟输入、清除和置数功能。74ls192功能表见表一。
表一 74ls192功能表。
图五 74ls192
74ls192引脚见图五，d0-d3是输入端，q0-q3是输出端，up与dn分别是加计数时钟和减计数时钟，当up=dn=1时，计数器处于保持状态，不计数。当dn=1，up由0变为1时，计数器的计数值加1；当up=1，dn由0变1时，计数器的计数值减1。pl是预置数允许端，为低电平有效，mr是复位端，为高电平有效，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（up=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（dn=0）内变成低电平，其他情况下均为高电平。为了实现100进制的计数，只需将低位74ls192的tcu与tcd，分别连接高位74ls192的up与dn，实现了计数范围0-99。如图四所示电路，在引脚mr处设置一个微动开关，可以便捷地将输出电压置零。
3.3 设定电压与实时电压显示电路。
本模块电路采用74ls248芯片，74ls248为四线七段译码驱动器，内部输出带上拉电阻。输出高电平有效，适合于共阴极接法的七段数码管。a、b、c、d为bcd码输入，a、b、c、d、e、f、g为七段数码输出，lt为检测端口，可用来检查数码管的好坏，rbi为动态清零端口，bi/rbo为灭灯输出信号，该端口既可以作输入端也可以作输出端。
图六 74ls248
图七设定电压与实时电压显示电路。
显示电路见图七。
3.4 d/a转换电路。
图八 d/a转换电路。
数模转换电路采用两片dac0832芯片，它是一个8位数/模转换电路，在本电路中仅使用高四位输入就能完成该功能，由于dac0832片内不含有运算放大器，所以需要外接一个运算放大器才构成完整的d/a转换器，其引脚如图九所示。
图九 dac0832
dac0832芯片主要引脚功能：
di0~di7：数据输入端，tll电平。
ile：数据锁存允许控制信号输入端，高电平有效。
cs：片选信号输入端，低电平有效。
wr1：为输入寄存器的写选通信号端。
xfer：数据传送控制信号输入端，低电平有效。
wr2：为dac寄存器写选通输入端。
iout1:电流输出端，当输入全为1时iout1最大。
iout2:电流输出端，其值与iout1之和为一常数。
rfb:反馈信号输入端，芯片内部有反馈电阻。
vcc:电源输入端(+5v~+15v)。
vref:基准电压输入端(-10v~+10v)。
agnd:模拟地，摸拟信号和基准电源的参考地。
dgnd:数字地，建议两种地线在基准电源处共地。
当ile=1,cs=0,wr=0，输入数据di1~di7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按照图八所示外接运算放大器ne5534构成d/a转换电路时，电路输出量vo和输入di1~di7的关系式为：
观察该公式，r是片内网络电阻，若先确定vref，rfb，则能确定输出值vo，在此选择基准电压为12v。现在只剩下一个未知量r，由于在dac0832数据手册中并未给出这个量的具体值，那么只能在**中不断的调试选择rfb，使得运算放大器输出值贴近设定值，在本电路中低位dac0832的反馈信号输入端电阻r1为208kω，而高位dac0832的反馈信号输入端电阻使用电位器rv1，范围是250kω，调节此电位器能够微调输出电压。
值得注意的是，低位运算放大器ne5534输出值是0-9v，需要使用分压网络r2与r3将其缩小为原来的十分之一，实现真正的个位电压输出，再通过反相求和电路使低位输出电压与高位输出电压相加，即个位电压与十位电压相加。最终输出求和后的电压值。所有运算放大器的电源引脚处必须设置去耦电容，运算放大器反馈电阻r8应并联电容，对其做超前补偿，防止运算放大器出现自激，该电容容量大小在pf级别。
在两片dac0832的片选信号输入端cs处设置一个单刀单掷开关sw1，当开关处于断开状态时，dac0832不选通，此时可以预先设定输出电压值。闭合sw1，dac0832选通，输出预先设定的电压值。
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