数控直流电压源的设计

数控直流电压源的设计、制作与调试范小虎一、引言：数控直流电压源是与普通直流电压源相比，具有输出电压不连续变化的特点并且能由数码管显示，可以由“＋”、“－”两键分别控制输出电压步进增减输出电压。本例设计的电压源输出电压的范围：0～＋9.9V，步进0.1V，纹波不大于10mV，除具有以上显示控制功能外还能实现输出电压可预置在0～9.9V之间的任意一个值；用自动扫描代替人工按键，实现输出电压变化（步进0.1V不变），以及通过接入单稳态电路，可以克服按键抖动引起的误动作，运用计数器的反馈清零接法，起到防止误操作的作用。二、设计任务及要求:基本原理框图：1、基本要求：（1）输出电压：范围0～＋9.9V，步进0.1V，纹波不大于10mV；（2）输出电流：500mA；（3）输出电压值由数码管显示；（4）由“＋”、“－”两键分别控制输出电压步进增减；（5）为实现上述几部件工作，自制一稳压直流电源，输出±15V，＋5V。2．发挥部分：（1）输出电压可预置在0～9.9V之间的任意一个值；（2）用自动扫描代替人工按键，实现输出电压变化（步进0.1V不变）三、方案的设计与选择数控部分的设计:将“＋”、“－”信号接入CD4013单稳态电路，克服按键抖动引起的误操作，方波信号可用CD4060产生,利用CD4011及4069实现对CD192“＋”、“－”计数的选通，然后通过CD4511译码后送入数码管显示。（数控部分也可用单片机实现）D/A转换的设计：方案一：采用7805构成直流电源采用7805构成直流电源的电路如图所示，改变RP阻值使7805的公共端的电压在-5V到4.9V之间可调，则7805的输出端电压就可实现-0V－+9.9V之间可调了。这种方案是利用了7805的输出端与公共端的电压固定为+5的特性来设计的。但存在不好数控的问题。方案二：采用7805与运放结合构成直流电源将2位BCD码的数字信号变换为模拟电压，可以采用集成D/A转换器(如DAC0832),也可采用分立的变形权电阻及运算放大器构成D/A。其基本原理是运放的求和运算，其电阻值按8421比例选取，高位电流与低位电流成10倍关系，利用了7805的输出端与公共端的电压固定为+5的特性来设计的。这种电路结构简单，成本低输出精度高，并且易于控制，还能由单片机对其操作实现功能扩展。可调稳压部分：计算公式：Vo≈V1+V2=VINR2/(R1+R2)+5R3/(R3+R5)由上式可见：Vo与Vin之间成线性关系，当Vin改变时，输出电压改变，Vin电压的基准点是可调的，其范围可从正电压到负电压。若取R2=R3=2R1=2R4，则当Vin从-5V～+10V变化时，Vo可从0V～10V。方案三：三端稳压电源LM317采用可调三端稳压电源构成直流可调电源的电路如图所示。把图中的可变电阻RP用数字电位器来代替，就能实现数控了。但由于三端稳压芯片LM317和LM337的输出电压不能从0V起调，输出公式：Vout=1.25×(1+R2/R1)。所以，可以采用在输出的地方加两个二级管，利用PN节的固有电压来实现从0V起调，如图所示。优点：该方案结构简单，使用方便，干扰和噪音小缺点：数字电位器误差较大，控制精度不够高，误差电压较大。同时更重要的是几乎所有的数字电位器能够容忍的电流都在20mA以下。所以，这种方案就被否决了。经过比较分析，选用方案二。四：工作原理分析电路整体框图：1、数控部分：CD4060：与石英晶体（32768Hz）构成振荡器，经过212次分频得8Hz脉冲，获得连续步进的进位脉冲。两片级联的CD40192十进制加减可逆计数器，利用震荡器产生的脉冲信号可以实现加减记数。脉冲源电路：CD4013：双D触发器，在此接成单稳态电路，克服按键抖动引起的误动作。D端接地，按下开关，Q由0→1，然后CD4013的端要通过电阻Rτ对电容Cτ充电，当Cτ两端的电压达到某个门槛电压Vth时，触发器S端为1，触发器发生翻转，使Q端输出高电频，CD4013重新进入稳态，RτCτ决定延时时间。该电路同时起到消颤作用。单稳态电路：消颤波形图：CD4011：为四二输入与非门。CD4069：反相器。两者一起构成选通门，完成控制作用。在数字电路中A*1=A，当与非门有一个输入为高电平的时候，与非门选通，输出为A非，反之锁死。当开关S1动作，S2不动作时。由上分析可知，CD40192的CPD端（4脚）始终为高电平，CPU端（5脚）有输入脉冲信号，选通CD40192进行加运算，反之实行减运算。选通电路：CD40192：十进制加减可逆计数器，当两片CD40192级联可构成100进制加减可逆计数器，该计数器也是数控部分的核心。CD40192的真值表如下：清零MR预置PL时钟CPUCPD预置数据输入D0D1D2D3输出Q0Q1Q2Q3H×××××××LLLLLL××ABCDABCDLHPOSH××××加计数LHHPOS××××减计数两片CD40192级联，第一片的进位端接第二片的CPU端，其退位端接第二片的CPD端。加计数：CPD端为高电平，CPU端输入脉冲信号，CD40192进行加计数。减计数：与加计数相反，两片CD40192的退位端要接出，经过一系列的非门和与非门接到两片芯片的清零端。当减为0时，清零端为1，芯片清零，防止错误操作。当长按“＋”、“－”开关时，将实现自动扫描。防误操作电路：按下置数开关，CD40192的LOAD端为1，通过拨动拨码开关置数。CD4511：译码器。将CD40192输出的二进制码转换成数字并在数码管上。2、D/A部分：电阻从左至右依次接D0、D1、D2、D3、D4、D5、D6、D7。输入为0时，VREF=0；输入为1时，VREF=+5V。接高位：D4=1，其他为0，VD4=-(RF/R)VREFD5=1，其他为0，VD5=1/2VD4D6=1，其他为0，VD6=1/4VD4D7=1，其他为0，VD5=1/8VD4接低位：D0=1，其他为0，等效电阻为2R、4R、8R、4.8R并联再与R串联。VD0=1/16VD4。通过电阻的比例关系形成8421，分别送入Q3Q2Q1Q0。D/AⅡ为高位，D/AⅠ为低位，中间串联一个4.8R的电阻,使前后电流成10倍关系。然后通过两级反向比例放大器对电压进行放大。最后利用7805输出端与公共端的电压固定为+5的特性，搭建如图电路,实现输出0V～9.9V的电压。五、调试1、数控部分：(1)接通电源，按“＋”、“－”，观察数码管上的显示示数是否有误。减为0时，实数一直显示为0。(2)长按“＋”、“－”，能否进行扫描。(3)拨动拨盘开关，按LOAD开关，检查能否置数。2、D/A部分：(1)调D/A部分a)D=0，先调节R37，使Vo1=0V，再调节R43，使Vo2=-5V。b)D=10011001，先调节Rf1，使Vo1=990mV，再调节Rf2，Vo2=9.9V。(重复(1)、(2)操作，直到调准为止)(2)调电源输出,接入7805电路，重复上述操作。(4)接入数控部分，调节并记录输出电压，比较误差。调试数据如下：显示示数输出电压误差显示示数输出电压误差0.00.0003.93.906.40.10.09-0.014.04.016.70.20.19-0.014.14.126.90.30.29-0.014.24.22+0.020.40.4004.34.32+0.020.50.5004.64.63+0.030.60.6004.94.92+0.020.70.69+0.015.15.11+0.010.80.8005.25.2000.90.9005.55.52+0.021.01.01+0.015.85.82+0.021.11.11+0.016.06.001.21.2006.16.1001.31.31+0.016.36.31+0.011.41.42+0.026.46.41+0.011.51.52+0.026.76.7001.61.62+0.026.96.89-0.011.71.7007.17.11+0.011.81.8007.27.2001.91.9007.47.42+0.022.01.99-0.017.77.71+0.012.22.19-0.017.87.81+0.012.32.29-0.018.07.8-0.202.42.4008.17.96-0.252.52.5008.38.05-0.252.62.6008.48.15-0.252.72.71+0.018.68.36-0.242.82.79-0.018.88.55-0.252.92.89-0.018.98.66-0.243.02.99-0.019.08.75-0.253.13.09-0.019.18.84-0.263.23.2009.28.96-0.243.33.3009.49.15-0.253.43.41+0.019.59.27-0.233.53.51+0.019.69.36-0.243.63.61+0.019.79.45-0.253.73.71+0.019.89.56-0.243.83.8009.99.66-0.24输出电压波形图:※电压从8V开始误差增大，说明D4的电阻偏大，应减小。3、纹波检测（带20Ω的负载）经示波器观察，纹波小于10Mv。4、遇到的问题及解决方法：(1)调节D/A部分时，D=0，调节R43，Vo2最大只能输出5.41V。解决方法：首先要将两个反向比例放大器的负端调为0V，然后再进行调节。(2)加入数控部分后，LM324的7脚输出电压不稳定。解决方法：开始初调时，输入为0的端口不能悬空，应该接地。(3)D=10011001，LM324的7脚的输出电压为-4.97V。六、总结通过此次实验，对于数控直流电源的电路及工作原理有了深刻的理解，并且做出的作品达到了设计要求。虽然方案不是亲手设计的，但对于选用的方案，基本弄得清楚明白。在以后的实验中，争取能够独立设计出方案，这才是最终目标。