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=V IN R2/(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V th 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

CPU CPD

预置数据输入

D0 D1 D2

D3

输出

Q0 Q1 Q2

Q3H×× ×× × ×

×L L L

L

L L× × A B C

D

A B C D

L H POS H× × ×

×

加计数

L H H POS× × ×

×

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，V REF=0；输入为1时，V REF=+5V。

接高位：D4=1，其他为0，V D4=-(R F/R)V REF

D5=1，其他为0，V D5=1/2V D4

D6=1，其他为0，V D6=1/4V D4

D7=1，其他为0，V D5=1/8V D4

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。

V D0=1/16V D4。

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V o1=0V，再调节R43，使V o2=-5V。

b) D=10011001，先调节R f1，使V o1=990mV，再调节R f2，V o2=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

0.00.000 3.9 3.90 6.4

0.10.09-0.01 4.0 4.01 6.7

0.20.19-0.01 4.1 4.12 6.9

0.30.29-0.01 4.2 4.22+0.02

0.40.400 4.3 4.32+0.02

0.50.500 4.6 4.63+0.03

0.60.600 4.9 4.92+0.02

0.70.69+0.01 5.1 5.11+0.01

0.80.800 5.2 5.200

0.90.900 5.5 5.52+0.02

1.0 1.01+0.01 5.8 5.82+0.02

1.1 1.11+0.01 6.0 6.001.2 1.200 6.1 6.100 1.3 1.31+0.01 6.3 6.31+0.01 1.4 1.42+0.02 6.4 6.41+0.01 1.5 1.52+0.02 6.7 6.700 1.6 1.62+0.02 6.9 6.-0.01 1.7 1.7007.17.11+0.01 1.8 1.8007.27.200

1.9 1.9007.47.42+0.02

2.0 1.99-0.017.77.71+0.01 2.2 2.19-0.017.87.81+0.01 2.3 2.29-0.018.07.8-0.20 2.4 2.4008.17.96-0.25 2.5 2.5008.38.05-0.25 2.6 2.6008.48.15-0.25 2.7 2.71+0.018.68.36-0.24 2.8 2.79-0.018.88.55-0.25

2.9 2.-0.018.98.66-0.24

3.0 2.99-0.019.08.75-0.25 3.1 3.09-0.019.18.84-0.26 3.2 3.2009.28.96-0.24 3.3 3.3009.49.15-0.25 3.4 3.41+0.019.59.27-0.233.5 3.51+0.019.69.36-0.24

3.6 3.61+0.019.79.45-0.25

3.7 3.71+0.019..56-0.24

3.8 3.8009.99.66-0.24

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，V o2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，争取能够设计出方案，这才是最终目标。下载本文