電子技術課程設計報告簡易數控直流電源目 錄一、 設計任務書………………………………………………………………… 1二、 設計框圖及電路系統(tǒng)概述………………………………………………… 2三、 各單元電路的設計方案及原理說明……………………………………… 2四、 調試過程及結果分析……………………………………………………… 9五、 芯片介紹…………………………………………………………………… 9六、 設計安裝及調試中的體會………………………………………………… 16七、 收獲和建議………………………………………………………………… 17參考文獻………………………………………………………………………… 17一、設計任務書1. 設計任務設計出有一定輸出電壓范圍和功能的數控電源。其原理示意圖如圖1所示。圖1 數控電源原理示意圖2. 設計要求1 基本要求1 輸出電壓:范圍0～＋9.9V，步進0.1V，紋波不大于10mV；2 輸出電流:500mA；3 輸出電壓值由數碼管顯示；4 由“＋”、“－”兩鍵分別控制輸出電壓步進增減；5 為實現上述幾部件工作，自制一穩(wěn)壓直流電源，輸出±15V，＋5V。2 發(fā)揮部分1 輸出電壓可預置在0～9.9V之間的任意一個值；2 用自動掃描代替人工按鍵，實現輸出電壓變化步進0.1V不變；3 擴展輸出電壓種類比如三角波等。二、 設計框圖及電路系統(tǒng)概述圖2 簡易數控直流電源總體電路框圖經分析可知，本設計需要兩組外部數據表達部分:一個是直流電壓的輸出部分；另一個是數碼顯示部分。由此推得整個電路設計中需要一個穩(wěn)壓電路模塊作為直流電源的輸出部分，另外還需要一個譯碼顯示電路部分模塊作為顯示部分。繼續(xù)向前分析顯然得知顯示部分需要與數字量的輸入相對應，而要求中有“由‘＋’、‘－’兩鍵分別控制輸出電壓步進增減”，則在預置按鍵與譯碼器之間需要有一個計數器作為橋梁，將二者緊密的連接起來以實現功能。但前面的電路均屬于數字電路部分，而整個電路的輸出部分為模擬量，所以很明顯需要一個數模轉換模塊將計數器模塊中輸出的數字量轉化為模擬量。經過上述分析，整個設計要求的功能便可以完美的實現了。另外，實驗要求設計自制一個穩(wěn)壓直流電源，輸出±15V，＋5V，整個設計部分只可使用220V的交流電源，而大部分芯片的工作要求為在直流5伏下，LM324要在 15V的條件下工作，所以在電路設計中還需要加入一個直流電源模塊以實現功能。三、 各單元電路的設計方案及原理說明本實驗設計電路分為五塊部分，分別為:計數器輸入模塊、譯碼顯示模塊、D/A轉換模塊、直流電壓輸出模塊和直流穩(wěn)壓電源模塊。下面，將分別介紹各單元電路的設計方案及原理說明。1．計數器輸入模塊兩按鈕開關作為電壓調整鍵與可逆計數器的加計數和減計數輸入端相連，可逆計數器采用兩片四位十進制同步加／減計數集成塊74LS192級聯而成，把第一塊的進位和借位輸出端分別接到下一組的加計數端和減計數端。兩級計數器總計數范圍從00000000至01100011即0～99。并將每一個輸入端與按鍵相連，從而實現預制功能，將低片的74LS192的加記數、減記數各自再連一個按鍵來達到由“＋”、“－”兩鍵分別控制輸出電壓步進增減的效果。但由于74LS192的計數 在高電平時， 在上升沿時計數一次，所以要使74LS192的 和 在空閑時為高電平，我們用下面電路來實現這個要求。此部分原理圖請見圖3所示。圖3 計數器輸入模塊式原理圖2．譯碼顯示模塊此模塊主要是根據芯片74LS248的譯碼原理及共陰數碼管的管腳特點進行電路搭配。數字顯示譯碼驅動采用兩塊74LS248集成塊，74LS248為四線－七段譯碼器／驅動器，內部輸出帶上拉電阻，它把從計數器傳送來的二進制的8421BCD碼轉換成十進制碼，并驅動數碼管顯示數碼。輸出后接入兩個共陰數碼管顯示，分別顯示的是高位和低位，并使高位數碼管的點持續(xù)保持顯示狀態(tài)。連接電路如圖4所示。圖4 譯碼顯示模塊原理圖3．D/A轉換模塊從74LS192輸出的二進制數通過兩片74LS83實現把兩個四位二進制數轉化成一個八位二進制數。例如，將9.9的1001、1001轉化成10011001。通過兩片74LS83經過級聯可以實現此項任務。數模轉換電路采用一塊DAC0832集成塊，它是一個8位數／模轉換器。由于DAC0832不包含運算放大器，所以需要外接一個運算放大器相配，才構成完整的D/A轉換。把DAC0832的兩個輸出端 和 分別接到運算放大器LM324的兩個輸入端上，經過一級運放得到單極性輸出電壓為 ，D為輸入的二進制數轉化成十進制數， 為基準電壓。即可實現數字到模擬的轉換過程。連接電路如圖5所示。圖5 D/A轉換模塊原理圖4．直流電壓輸出模塊再將 經過運算放大器反向放大合適倍數即可達到實驗要求中的0～9.9V。通過在實驗室的實際搭接，測出反向放大的比例約為15K/76.8K。輸出的電壓再經過LM317實現直流穩(wěn)壓輸出。其連接電路圖如圖6所示。圖6 直流電壓輸出模塊原理圖5．直流穩(wěn)壓電源模塊要完成D/A轉換及可調穩(wěn)壓器的正常工作，運算放大器LM324必須要求 15V雙電源供電，數字控制電路要求5V電源。因此我們要設計一個直流穩(wěn)壓電源。其連接電路圖請見圖7所示。圖7 直流穩(wěn)壓電源模塊原理圖1 直流穩(wěn)壓電源的基本原理直流穩(wěn)壓電源一般由電源變壓器T、整流濾波電路及穩(wěn)壓電路所組成，基本框圖如圖8所示下。圖8 直流穩(wěn)壓電源的基本原理下面將就各部分的作用作簡單陳述。① 電源變壓器T的作用是將電網220V的交流電壓變換成整流濾波電路所需要的交流電壓Ui。變壓器副邊與原邊的功率比為P2/ P1=η，式中η是變壓器的效率。② 整流濾波電路:整流電路將交流電壓Ui變換成脈動的直流電壓。再經濾波電路濾除較大的紋波成分，輸出紋波較小的直流電壓U1。常用的整流濾波電路有全波整流濾波、橋式整流濾波等。原理圖如圖9所示。圖9 整流濾波電路原理圖各濾波電容C滿足RL-C＝3~5T/2，其中T為輸入交流信號周期，RL為整流濾波電路的等效負載電阻。③ 三端集成穩(wěn)壓器:常用的集成穩(wěn)壓器有固定式三端穩(wěn)壓器與可調式三端穩(wěn)壓器。其中固定式穩(wěn)壓器有7800和7900系列。7800輸出正電壓，7900輸出負電壓，根據本設計要求，我們選用7805，7815和7915。2 穩(wěn)壓電流的性能指標及測試方法穩(wěn)壓電源的技術指標分為兩種:一種是特性指標，包括允許輸入電壓、輸出電壓、輸出電流及輸出電壓調節(jié)范圍等；另一種是質量指標，用來衡量輸出直流電壓的穩(wěn)定程度，包括穩(wěn)壓系數或電壓調整率、輸出電阻或電流調整率、紋波電壓紋波系數及溫度系數。測試電路如下圖圖10所示。圖10 穩(wěn)壓電源性能指標測試電路① 紋波電壓: 疊加在輸出電壓上的交流電壓分量。用示波器觀測其峰峰值一般為毫伏量級。也可用交流毫伏表測量其有效值，但因紋波不是正弦波，所以有一定的誤差。② 穩(wěn)壓系數: 在負載電流、環(huán)境溫度不變的情況下，輸入電壓的相對變化引起輸出電壓的相對變化。③ 電壓調整率: 輸入電壓相對變化為±10%時的輸出電壓相對變化量，穩(wěn)壓系數和電壓調整率均說明輸入電壓變化對輸出電壓的影響，因此只需測試其中之一即可。④ 輸出電阻及電流調整率: 輸出電阻與放大器的輸出電阻相同，其值為當輸入電壓不變時，輸出電壓變化量與輸出電流變化量之比的絕對值.電流調整率:輸出電流從0變到最大值時所產生的輸出電壓相對變化值。輸出電阻和電流調整率均說明負載電流變化對輸出電壓的影響，因此也只需測試其中之一即可。綜上所述，簡易數控直流電源的總電路圖如下頁圖11所示。圖11 總設計電路圖四、 調試過程及結果分析1. 電路調試調節(jié)步驟如下所示。1 輸入數字00000000，用數字萬用表檢測，輸出電壓為 ＝0±1mV。然后按加減計數按鈕，可以實現以0.1步進加減計數。兩位數碼管上顯示的即為輸出電壓值，輸出部分電壓可用萬用表測出。2 通過對兩個74LS192進行預置，可以任意預置0～9.9之間的一個數，測量輸出電壓，與預置相符。3 對74LS192預置數字1001、1001，輸出電壓 達到預定的滿量程值9.9V。2．主要技術指標本實驗所設計出的數控直流電源的電壓輸出范圍為0～9.9V，步進值為0.1V，輸出紋波電壓不大于10mV，輸出電流為500mA。3. 結果分析通過調試，我們的電路板完全符合實驗要求，實現了一切基本功能，并進行了發(fā)揮，即輸出電壓可預置在0～+9.9V之間的任意一個數。但同時也存在一點瑕疵，用按鍵控制加、減步進時不太穩(wěn)定，原因是我們在購買按鍵時沒有考慮到要使用防抖動開關。五、 芯片介紹1. 74LS19274LS192管腳圖如圖12所示，功能表如圖13所示。圖12 74LS192管腳圖圖13 74LS192功能表其中0、D1、D2、D3——置數并行數據輸入；Q0、Q1、Q2、Q3——計數數據輸出；CR??——清零端；LD——置數端； ——加法計數CP輸入； ——減法計數CP輸入；CO——進位輸出端；BO——借位輸出端?？赡嬗嫈?加減控制方式:控制信號為1時加計數，為 0時減計數。雙時鐘方式:外部時鐘從CP+端輸入時加計數，從CP-端輸入時減計數。預置功能:所謂預置，就是控制端 =0時，使計數器的狀態(tài)變成設定的外部輸入常數，即QDQCQBQA=DCBA輸入數據。同步預置方式: =0且下一個時鐘有效邊沿到來時完成預置。異步預置方式: =0后立即預置數據送入各觸發(fā)器，與CP無關。復位功能:所謂復位，就是從復位端輸入有效信號后，計數器恢復成初始狀態(tài)全0或某個常數。同步復位方式:用復位信號與時鐘信號CP配合完成。異步復位方式:用復位信號直接完成，與CP無關。時鐘邊沿選擇:同步計數器一般用上升沿觸發(fā)，異步計數器一般用下降沿觸發(fā)。有的同步計數器有兩個時鐘輸入端，既可用上升沿觸發(fā)，也可用下降沿觸發(fā)。其它功能:計數器滿模值時，產生一個進位輸出CO信號或借位輸出BO信號，作為標志信號或進位功能擴展。計數控制輸入端P、T，用來控制計數器是否計數。多片計數器級聯時，可控制各級計數器的工作。2. 74LS24874LS248管腳圖如圖14所示。圖14 74LS248管腳圖74LS248譯碼器是典型的組合數字電路，譯碼器是將一種編碼轉換為另一種編碼的邏輯電路。顯示譯碼器是一種和顯示器件結合的譯碼器，目前用于電子電路系統(tǒng)中的顯示器件主要有發(fā)光二極管組成的各種顯示器件和液晶顯示器件。這二種顯示器件都有筆劃段和點陣型兩大類，筆劃段型的由一些特定的筆劃段組成，以顯示一些特定的字型和符號；點陣型的由許多成行成列的發(fā)光元素點組成，由不同行和列上的發(fā)光點組成一定的字型、符號和圖形。它的譯碼器邏輯圖如圖15所示。圖15 三變量最小向譯碼器邏輯圖74LS248邏輯功能如下所示。1 顯示功能DCBA是二進制碼輸入，要正確的執(zhí)行顯示功能，有關的功能端必須接合適的邏輯電平，這些功能端的作用隨后介紹。對于0～9輸入，DCBA相當BCD8421碼。當超過9以后，譯碼器仍然有字型輸出，具體見圖16所示。當DCBA=1111時，數碼管熄滅。實驗時要在筆劃段電極串聯電阻，以保護LED數碼管。 圖16 74LS248顯示字型與輸入的對應關系2 滅燈輸入BIBlaking input為滅燈輸入，低電平有效，整個數碼管熄滅，而且滅燈輸入的優(yōu)先級最高，滅燈時，其它功能都無法執(zhí)行。3 試燈輸入LTLamp Test Input為試燈輸入，低電平有效，整個數碼管點亮，顯示8。用于檢查數碼管和譯碼器是否有缺欠。優(yōu)先級次于滅燈輸入。4 動態(tài)滅“0”輸入RBI Rpiile Blanking Input 為動態(tài)滅燈輸入，低電平有效，當RBI=0時，且DCBA=LLLL時，數碼管熄滅；若DCBA1LLLL時，譯碼器照常顯示，顯示字型取決于輸入。動態(tài)滅燈輸入用于多個譯碼器級聯時，消隱無用的前零和尾零，具體電路如圖17所示。圖17 動態(tài)滅“0”輸入電路3. LM324LM324管腳圖如圖18所示。圖18 LM324管腳圖LM324是四運放集成電路，它采用14腳雙列直插塑料封裝，外形如圖所示。它的內部包含四組形式完全相同的運算放大器，除電源共用外，四組運放相互獨立。每一組運算放大器可用圖19所示的符號來表示，它有5個引出腳，其中“+”、“-”為兩個信號輸入端，“V+”、“V-”為正、負電源端，“Vo”為輸出端。兩個信號輸入端中，Vi--為反相輸入端，表示運放輸出端Vo的信號與該輸入端的相位相反；Vi++為同相輸入端，表示運放輸出端Vo的信號與該輸入端的相位相同。LM324的引腳排列見圖19。圖19 LM324的符號及引腳排列4. 74LS8374LS83管腳圖如圖20所示，功能表如圖21所示。圖20 74LS83管腳圖74LS83是加法器，其輸出為兩個輸入A、B的二進制之和。通過簡單的級聯，可以實現乘法。圖21 74LS83功能表5. DAC0832DAC0832管腳圖如圖22所示。圖22 DAC0832管腳圖DAC0832的原理框圖如圖23所示。由圖可知數字量是通過兩級寄存器送至D/A轉換器的輸入端。兩級鎖存器可做到當后一級鎖存器正輸出給D/A轉換時，前一級又可接收新的數據，從而提高了轉換速度，WR1和WR2是用來分別控制兩級鎖存器的。圖23 DAC0832的原理框圖6. LM7805LM7805為簡單的三端穩(wěn)壓元件，它由于可以輸出穩(wěn)定的+5V電壓而受到廣泛應用。圖24 LM7805電路圖本實驗要求自制穩(wěn)壓電源以提供芯片工作所需電壓。為了使輸出的5V電壓不受電路其他元件的影響，我們選用了7805。它的工作范圍廣泛，輸入電壓在5-24V時均可以保證輸出為穩(wěn)定的+5V。其穩(wěn)壓過程是:根據電網線路輸入電壓的變化，通過電壓檢測單元采樣，將變化電壓的模擬信號轉換數字信號；通過微電腦，經預先編制的程序及預置數據進行處理。由單片機智能控制系統(tǒng)發(fā)出的指令傳導給光電隔離耦合器，驅動既無觸點快速的電子開關電路，對輸出電壓進行適量、精確無誤的補償，從而使輸出電壓調整在精度允許誤差的范圍內，以達到完成自動穩(wěn)壓的目的。7.LM7815其原理和應用電路同7800系列，輸入要求大于15V，輸出為穩(wěn)定的15V。8. LM7915LM7915原理電路圖如圖25所示。其輸出為穩(wěn)定的-15V。圖25 LM7915原理電路圖9. LM317CW317LM317系列是常用可調式正壓集成穩(wěn)壓器，它們的輸出電壓從1.25V－37伏可調，最簡的電路外接元件只需一個固定電阻和一只電位器。其芯片內有過渡、過熱和安全工作區(qū)保護，最大輸出電流為1.5A。其典型電路如圖2，其中電阻R1與電位器R2組成輸出電壓調節(jié)器，輸出電壓Uo的表達式為:Uo＝1.251＋R2/R1式中R1一般取120－240歐姆，輸出端與調整端的壓差為穩(wěn)壓器的基準電壓典型值為1.25V。其連接電路圖如圖26所示。圖26 LM317穩(wěn)壓連接電路圖其中，1、2腳之間為1.25V電壓基準。為保證穩(wěn)壓器的輸出性能，R1應小于240歐姆。改變R2阻值即可調整穩(wěn)壓電壓值。D1，D2用于保護LM317。Uo=1+R2/R1*1.25六、 設計、安裝及調試中的體會雖然在上學期做過數字電路板的設計，對整個電路設計流程有了一定的了解，然而本次課程設計還是讓我們有了更多、更新的收獲。首先在電路設計過程中明顯感受到一種學有所用的感覺，電路分析、模擬電路、數字電路甚至于本學期剛學的電子測量的知識在此刻都成了“克敵制勝”的寶貝。在此設計中，數字電路的知識體現的更為明顯，計數器、譯碼器、加法器、D/A轉換等等，可以說是應有盡有。在設計的過程中我們深刻體會到了平時基礎知識的重要性。另外在設計輸出的過程中，如何穩(wěn)壓成了困住我們的一大難題。不過通過多方查資料、詢問及不斷的嘗試，最終利用LM317完成了功能。最讓我們頭疼的就是直流5V及 15V的輸出問題。在中發(fā)電子市場走了個遍也沒有找到符合要求的變壓器，最終還是通過一本書的介紹找到了如何利用7805、7815、7915實現變壓轉換。由此我們體會到，不但要學會用自己已有的知識去創(chuàng)造，更要學會利用現有的成果為己所用。其次，做電路板的過程可謂道路艱辛。我們的最初計劃是用PCB來完成，但當實驗品完成后，發(fā)現設計軟件中的一些走線規(guī)定在功能實現上總存有一些隱患，經三人協商，為穩(wěn)妥起見，決定自己手焊！經過上學期的洗禮，我們的焊接技術可謂爐火純青，但是疏忽及危險還是不容忽視的。因為廠家的原因，所買的板子某些本該分開的焊點連到了一起，這給我們帶來了極大的不便，在我們發(fā)現這一問題并將其改正后，曙光重現！另外因為在設計中涉及到變壓器的使用，而它又與220V連接，所以經常有放電現象，所以可見焊接過程不但是對技術的考驗，更是對勇氣的考驗。因為在設計及焊接的過程中，我們的要求是每焊一步就確保一步，所以隨著焊接工作的完成，我們的產品——數控直流穩(wěn)壓源也平安、健康的來到了這個美好的世界，實現了它的價值。本次課程設計的意義決不僅僅是幾個月的付出一個板子的完成這么簡單，它帶給我們的還有運用所學知識的自豪感，在電子市場上與社會的接觸，三個人互相理解、默契配合、分工合作的感覺……總之在本次設計中我們學到了很多。七、 收獲和建議通過這次課程設計，我們不僅對直流穩(wěn)壓電源這部分知識有了深刻的理解。更重要的是我們充分了解了小組合作的重要性，一個人是不可能完成所有任務的。而且，還有了做課程設計的經驗，知道了做一個成品出來的一個大概流程，這對我們以后的學習和工作都大有好處。另外，課程設計所給的時間差不多是一個學期，比較寬松。但我們在學期的前半段時間里都沒怎么抓緊時間，以至在之后的時間做得比較緊張。 最后，我們希望以后實驗室能開放時間更長一些，這學期開放時間明顯比上學期少，有時候感覺很不方便。參考文獻[1] 侯建軍. 數字電子技術基礎. 北京:高等教育出版社，2003年.[2] 林肯美. 電子電路設計手冊[專著]. 北京:科學普及出版社，2000年.[3] 鄧勇. 數字電路設計完全手冊. 北京: 國防工業(yè)出版社，2001年.