實物圖：

本文介紹了一種簡易數控直流電源，與傳統的穩壓電源相比，該電源具有操作方便，電壓穩定度高的特點，其輸出電壓大小用數碼管顯示，由計數器向數碼管與數模轉換器輸出數字信號，數模轉換器將數字信號轉換為模擬信號，再通過運算放大器的進一步放大，最后輸出電壓處，接有負載電阻，通過觀察負載電阻的電壓值判斷電源準確度。通過實驗做出的實體電源輸出電壓為0~9.9V，步進為0.1V，輸出電壓的誤差≤±0.05V，最大輸出電流≥1A。可以用于要求電源精度比較高的設備，測試結果證明了本課設制作的數控直流電源方便易用，且滿足課設的要求。

1 課題背景

隨著人們生活水平不斷提高，數字化控制無疑是人們追求的目標之一，它給人們帶來的方便是毋庸置疑的，數控直流穩壓電源就是其中一個典型的例子。當前社會有許許多多的先進的的電子設備，這些功能各異的電子設備首先離不開穩定的電源，電源穩定度越高，設備和外圍條件越優越，那么設備的壽命更長。基于此，人們對數控電流器件的需求越來越迫切。

1.1 指導思想

操作人員通過按鍵對系統發出電壓調整指令，該指令與輸出電路的狀態信號一起送入數控部分電路，經過處理后產生符合指令要求的輸出電壓信號，并經輸出電路功率驅動后輸出。另外，數控部分還產生顯示信息送入顯示電路，將輸出電壓或其它信息報告給操作人員。

1.2 課題應解決的主要問題

（a）設計置數按鈕和增減按鈕對系統發送狀態信息，通過數控部分轉換為BCD碼。

（b）把BCD碼轉換成符合要求的電壓，并且最大電流大于1A。

（c）將電壓顯示出來。

1.3 課設應達到的技術要求

設計并制作一個數控穩壓電源。電源設有“電壓增”（UP）和“電壓減”（DOWN）兩個鍵，按UP時輸出電壓步進增加，按DOWN時步進減小。具體要求如下：

(a) 輸出電壓為0~9.9V，步進為0.1V；

(b) 輸出電壓的誤差≤±0.05

V；

(c) 用LED數碼管顯示輸出電壓的設定值；

(d) 最大輸出電流≥1A。

發揮部分：輸出電壓可在0~9.9V范圍可以任意預置。

2 方案論證

2.1 設計方案

通過已掌握的《模擬電子電路及技術基礎》《數字電子技術基礎》知識，以及上網了解、在圖書館查閱資料，我們了解了數控電流源制作原理和方法。設計過程中，我們應用已學過的集成器件，集成塊的價格也比較便宜且很容易購買。因此有以下三種方案：

方案一：采用各類數字電路來組成鍵盤控制系統，進行信號處理，如選用CPLD等可編程邏輯器件。

缺點：本方案電路復雜，靈活性不高，效率低，不利于系統的擴展，對信號處理比較困難。

方案二：通過編碼開關來控制存儲器的地址；根據地址輸出對應的數字量送數模（D/A）進行轉換；再根據輸出的電壓量來控制電流的變化；同時；通過四個編碼開關的BCD碼送給CD4511及數碼管顯示。

優點：是電路簡單

缺點：數據量大且存儲器存儲容量有限，在實驗過程中發現編碼開關不穩定，所以不宜采用。

方案三：采用集成器件，通過按鍵產生脈沖信號，計數器（74HC192）的十進制數字輸出分兩路運行：一路用于通過CD4511驅動數碼管顯示器，指示電源輸出電壓的大小值，LED輸出（0、1、2、3、4、5、6、7、8、9）十個數字；另一路進入Ｄ/Ａ轉換電路，Ｄ/Ａ轉換（DAC0832），將數字量按比例轉換成模擬電壓，然后驅動由運算放大器（NE5532）、電阻、三極管組成的恒流源部分，使其輸出0-9.9V的電壓。

通過對三種方案的比較分析，為了提高本次電子課程設計的可操作性和準確性，決定采用第三種方案進行本次課設，因為第三種方案相對于第一二種方案較為靈活，效率高，可以最大化的實現需要得到的結果，也將最大的減少本次課設出現的誤差。

2.2 系統框圖

圖2-1 系統框圖

3 單元電路設計

3.1 數字控制電路的設計

數控穩壓源分為數字控制電路、模擬信號輸出電路和電流功率放大電路。圖3-1是數字控制電路和數碼顯示電路。

圖3-1

從下至上，依次是：開關及其上拉電阻電路、點穩態觸發器消抖電路、十進制轉BCD碼編碼電路、100進制計數器計數及置數電路和數碼顯示電路。

如圖3-1，將計數開關、清零開關、置數控制開關和置數開關分別與其對應的上拉電阻相連；電阻一段接高電平，開關一側接低電平，電阻和開關鏈接處與其功能對應的集成電路電平信號輸入引腳相連。當開關斷開時，上拉電阻不導通，輸入與其相連的高電平信號；當開關閉合時，上拉電阻導通，由于開關與低電平相連，低電平信號通過閉合的開關輸入集成電路引腳。

圖3-1中連接電容的集成電路是47LS123單穩態觸發器。按鍵開關在導通和斷開的過程中不可避免地會出現電平抖動現象，會使脈沖計數器出現重復計數現象。為規避重復計數現象，需要消抖電路將一段大于開關抖動時間內的電平或邊沿觸發信號輸出為一個標準的脈沖信號。74LS123單穩態觸發器此處的功能就是如此，其功能表如圖3-2所示。

圖3-2

如圖3-1所示，當外接10納法定時電容和100歐姆電阻時單穩態觸發器延時為：

大于一般開關電平抖動時間。

圖3-1中與非門74LS04輸入端相連的是編碼器74LS147，它與非門一起構成十進制轉BCD碼編碼電路，其真值表如圖3-3所示。

圖3-3

用74LS147編碼器將代表數字1到9的9個開關輸入的低電平轉換為BCD碼的反碼（同時有多個低電平輸入時，優先轉換代表數字大的信號），經過非門變為BCD碼，實現十進制信號與BCD碼的轉換。

74LS192引腳圖及功能表如圖3-4所示。

圖3-4

將十分位計數器的第12引腳借位輸出端與個位計數器的第5引腳借位輸入端相連；十分位計數器第13引腳進位輸出端與個位計數器第4引腳進位輸入端相連，可級聯成二位十進制加減計數器，實現0到9.9的計數和置數。

數碼顯示電路在圖3-1中位完全表示，它可以按圖3-6中CD4511與數碼管的連接實現。CD4511真值表如圖3-5所示。

圖3-5

圖3-6

3.2 模擬信號輸出電電路的設計

圖3-7是模擬信號輸出電路和電流功率放大電路。

圖3-7

工作原理：數模轉換電路采用兩塊DAC0832 集成塊，它是一個8 位數/模轉換電路。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 轉換器。運放將其轉換成與數字端輸入的數值成正比的模擬輸出電壓，運放采用的是低噪聲的NE5532芯片。十分位和個位的模擬信號依次加載到比例為1:10的反向加法器，由圖3-7中R25和R26實現，調節加法器反饋電阻大小即可實現輸出數碼管顯示的模擬電壓值。圖3-7中RV2是級聯運放的調零電路，將級聯運放看成整體，只需給最靈敏的第一級運放調零即可。D/A轉換器由8位輸入鎖存器、8位DAC寄存器、8位D/A轉換電路及轉換控制電路構成，其結果采用電流形式輸出。它是采用CMOS工藝制成的單片直流輸出型8位數/模轉換器，它由倒T型R-2R電阻網絡、模擬開關、運算放大器和參考電壓VREF四大部分組成。

元件選擇：DAC0832是采樣頻率為八位的D/A轉換器件。該芯片的特點如下所述。 芯片內有兩級輸入寄存器，使之具備雙緩沖、單緩沖和直通三種輸入方式，以便適于各種電路的需要(如要求多路D/A異步輸入、同步轉換等)。D/A轉換結果采用電流形式輸出。若需要相應的模擬電壓信號，可通過一個高輸入阻抗的線性運算放大器實現。運放的反饋電阻可通過RFB端引用片內固有電阻，也可外接。該片邏輯輸入滿足TTL電壓電平范圍，可直接與TTL電路或微機電路相接。其邏輯電路圖和引腳排列圖如下圖所示：

圖3-8

DI0～DI7為8位數據輸入線，TTL電平，有效時間應大于90ns(否則鎖存器的數據會出錯)；

ILE為數據鎖存允許控制信號輸入線，高電平有效；

CS為片選信號輸入線（選通數據鎖存器），低電平有效；

WR1為數據鎖存器寫選通輸入線，負脈沖（脈寬應大于500ns）有效。由ILE、CS、WR1的邏輯組合產生LE1，當LE1為高電平時，數據鎖存器狀態隨輸入數據線變換，LE1的負跳變時將輸入數據鎖存；

XFER為數據傳輸控制信號輸入線，低電平有效，負脈沖（脈寬應大于500ns）有效；

WR2為DAC寄存器選通輸入線，負脈沖（脈寬應大于500ns）有效。由WR2、XFER的邏輯組合產生LE2，當LE2為高電平時，DAC寄存器的輸出隨寄存器的輸入而變化，LE2的負跳變時將數據鎖存器的內容打入DAC寄存器并開始D/A轉換。

IOUT1為電流輸出端1，其值隨DAC寄存器的內容線性變化；

IOUT2為電流輸出端2，其值與IOUT1值之和為一常數；

Rfb為反饋信號輸入線，改變Rfb端外接電阻值可調整轉換滿量程精度。

由于數模轉換器DAC0832輸出為電流，則電路中需要接入運算放大器將輸出電流轉換為輸出電壓，如下圖：

圖3-9

其中接入的運算放大器有三個特點：

(a)開環放大倍數非常高，一般為幾千，甚至可高達10萬。因此在正常情況下，運算放大器所需要的輸入電壓非常小。

(b)輸入阻抗非常大。運算放大器工作時，輸入端相當于一個很小的電壓加在一個很大的輸入阻抗上，所需要的輸入電流也極小。

(c)輸出阻抗很小，所以，它的驅動能力相對于較大。

3.3電流功率放大電路的設計

工作原理：調整輸出級采用運放作射極跟隨器，使調整管的輸出電壓精確地與前一級反向比例加法器輸出電壓保持一致。調整管采用大功率三極管TIP41級聯成的達林頓管，電流放大倍數至少可達900倍，確保電路的輸出電流值達到設計要求。數控電源各部分工作所需的±15V 和+5V 電源由直流穩壓電源箱提供。

圖3-10

4 組裝、調試

4.1 焊接電路

焊接電路是本次課設最為基礎的部分，在焊接時需要注意：

(a)對元器件不能造成虛焊和漏焊；

(b)本次電子課設的電路需要的元器件比較多，焊接時也需要注意不能將元器件焊錯，尤其是引腳相對于較多的計數器、譯碼器和數模轉換器；

(c)電路中部分元器件分正負極，所以焊接電路時也不能將元器件正負極焊反；

(d)焊接電路時需要仔細認真，讓焊接的電路版整齊且焊接結點達到所學的裙狀；

(e)焊接電路結束后，需要對焊接好的電路板進行檢查，確保沒有造成漏焊，虛焊等問題，用萬用表檢查線路全部導通而且連接無誤后方可進行電路調試；

(f)焊接設計應該盡量多走錫少走線；

4.2 調試電路

電路焊接完成并檢查無誤后，接下來便是調試電路，調試電路時較為麻煩，因為在調試電路時，出現的問題也許是自己所不能想到的，解決也需要一定的知識，在調試電路時，盡量使自己所做的物品達到課程設計所要的結果，這就要求需要將調試出現的問題一一解決。

（a）初次調試時發現數碼管不亮

（b）第二次調試時由于改進了前一次發現的問題，數碼管可以正常發亮，可是計數器通過將輸出數據傳遞給CD4511來控制數碼管顯示數字，結果卻不盡人意，它不是按照預定的順序0、1、2、3、4、5、6、7、8、9出現，而是奇數變化，1、3、5、7、9，通過這次調試也發現了一個新的問題，計數器輸入只有加輸入時鐘UP鍵有作用，而控制計數器減輸入時鐘的DOWN鍵沒有作用，而且在數碼管變化的情況下，本次課設需要測量的電壓表沒有示數變化。

（c）經過對前兩次調試出現的問題，在第三次調試的通過詢問同學，自己查資料并動手改進，電路出現了一定的進步，最終終于功夫不負有心人，結果調試出來了，比之前有所進步的計數可以正常增減顯示0、1、2、3、4、5、6、7、8、9。 但輸出電壓維持在8V不變。

（d）然后堅持努力調試，終于得出了正確的輸出電壓。

4.3 調試電路的方法和技巧

調試電路的時候先不要急著接電，首先在不接電的情況下對自己電路板的線路進行細致的觀察檢查，每一個引腳每一條導線的連接都要與電路原理圖仔細對照檢查。防止有線路短路或者部分線路在焊接好之后脫落，導致在接電后燒壞元器件，破壞整個電路板。在檢查完線路沒有錯誤后再進行接電調試，這樣就不會使實驗出現不知道是線路問題還是元器件有問題的麻煩局面，在調試之前需要對每個元器件的數值計算清楚。在調試的時候，為了準確方便，可以進行分塊測試，可以先對每個功能塊進行調試，正確之后再進行擴大范圍測試。

在接電調試的時候，要把輸出電壓調準確，與電路板各電極連接準確防止接錯線燒壞電路。在沒有短路報警的機器上調試的時候，要注意各個元器件是否有發熱與冒煙的不正常情況，如果有的話必須馬上切斷電源，以異常的元器件為重點進行仔細排查錯誤。

經過測量調試發現，容易出現問題的是放大電路部分，這部分電路通常會因為電壓太大或者電壓接反導致放大電路發熱甚至是燒壞器件。

4.4測試數據

輸出電壓為0~9.9V，步進為0.1V，輸出電壓的誤差≤±0.03V。

4.5 調試結果

本課設制作的數控穩壓電源設有“電壓增”（UP）和“電壓減”（DOWN）兩個鍵，按UP時輸出電壓步進增加，按DOWN時步進減小。還制作了置數鍵，可以直接控制置數鍵輸出想要的電壓。

作品實現如下功能

(a) 輸出電壓為0~9.9V，步進為0.1V；

(b) 輸出電壓的誤差≤±0.03V；

(c) 用LED數碼管顯示輸出電壓的設定值；

(d) 最大輸出電流≥1A。

(e) 并且實現了發揮功能：輸出電壓可在0~9.9V范圍可以任意預置。

4.6 調試中出現的故障、原因及排除方法

（a）接電后數碼管顯示器不亮

原因：數碼管的共陰極沒有接地。

      計數器74LS192和譯碼器CD4511的8和16引腳沒有接地和電源。

解決方法：將所有缺失的線接連正確并進行檢查，查看是否導通。

（b）計數器74LS192控制錯誤

原因：計數器74LS192是一個十進制計數器，在設計電路時，誤將74HC192認為是一個十六進制的計數器。

解決方法：在查資料確認了74LS192為十進制的計數器后，在設計電路時，將低電平有效的置數端接高電平，使其失效，不置數，又由于74HC192計數器為MOS電路，輸入端不能懸空，所以將輸入端接高電平“1”或者低電平“0”，而且將進位標志和借位標志進行懸空。

（c）電壓表示數不變化

原因：數模轉換器和放大器之間電路連接線路出現問題

解決方法：重新檢查線路，排查元器件是否損壞，是否和前半部分電路連接準確，在檢查完成之后將線路連接正確，并進行檢查，以確保本次課設的電路無誤。

4.7 實物展示

圖4-1 實物正面

圖4-2 實物反面

5 設計總結

通過這次的課程設計，我對一些專業知識和電子課程設計有了更深的了解，不僅僅是對知識的一次更加深刻的認知，也是對自己之前學習的一次檢驗。這次電子課程設計用的是模電和數電的知識，同時加上電路等知識，從老師給的選題里面選擇一個課題進行。這次設計過程中我們也不可避免的遇到了很多的問題，尤其是在調試過程中,會因為某些原因出不來結果，有因為粗心犯了不該犯的錯誤，也有因為對實驗態度不嚴謹而造成的不良后果，雖然在焊接和調試的過程中有很多錯誤和不同意見，但終究是在大家一起努力下解決了很多問題。

參考文獻

附錄 Ⅰ 總電路圖

附錄 Ⅱ 元器件清單

7SEG-COM-CATHODE                 共陰極數碼管         2個

CD4511                                                    譯碼器                          2個

74LS192                                                               計數器               2個

74LS147                 編碼器               2個

DAC0832                                                              數模轉換器           2個

NE5532                                                                運算放大器           2個

74LS123                                                                單穩態觸發器         1個

TIP41                                                                功率三極管           2個

POT-HG-100             100歐電位器                       2個

RES-10K                                                              10千歐電阻                       1個

RES-500                                                             1千歐電阻                         2個

RES-100                                                              100歐電阻                       1個

RES-200                 200歐電阻           3個

RES-62                             62歐電阻                       1個

8歐5w的功率電阻                                         1個

單刀雙擲開關                                 18個

Switch                               自鎖開關             1個

Button                                                                                      微動開關             2個