如何設(shè)計單片機數(shù)控直流電源簡單點帶路圖的

電子技術(shù)課程設(shè)計報告簡易數(shù)控直流電源目 錄一、 設(shè)計任務(wù)書………………………………………………………………… 1二、 設(shè)計框圖及電路系統(tǒng)概述………………………………………………… 2三、 各單元電路的設(shè)計方案及原理說明……………………………………… 2四、 調(diào)試過程及結(jié)果分析……………………………………………………… 9五、 芯片介紹…………………………………………………………………… 9六、 設(shè)計安裝及調(diào)試中的體會………………………………………………… 16七、 收獲和建議………………………………………………………………… 17參考文獻………………………………………………………………………… 17一、設(shè)計任務(wù)書1. 設(shè)計任務(wù)設(shè)計出有一定輸出電壓范圍和功能的數(shù)控電源。其原理示意圖如圖1所示。圖1 數(shù)控電源原理示意圖2. 設(shè)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(shù)碼管顯示；4 由“＋”、“－”兩鍵分別控制輸出電壓步進增減；5 為實現(xiàn)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(yù)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(xiàn)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(shè)計框圖及電路系統(tǒng)概述圖2 簡易數(shù)控直流電源總體電路框圖經(jīng)分析可知，本設(shè)計需要兩組外部數(shù)據(jù)表達部分:一個是直流電壓的輸出部分；另一個是數(shù)碼顯示部分。由此推得整個電路設(shè)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(shù)字量的輸入相對應(yīng)，而要求中有“由‘＋’、‘－’兩鍵分別控制輸出電壓步進增減”，則在預(yù)置按鍵與譯碼器之間需要有一個計數(shù)器作為橋梁，將二者緊密的連接起來以實現(xiàn)功能。但前面的電路均屬于數(shù)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(shù)模轉(zhuǎn)換模塊將計數(shù)器模塊中輸出的數(shù)字量轉(zhuǎn)化為模擬量。經(jīng)過上述分析，整個設(shè)計要求的功能便可以完美的實現(xiàn)了。另外，實驗要求設(shè)計自制一個穩(wěn)壓直流電源，輸出±15V，＋5V，整個設(shè)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(shè)計中還需要加入一個直流電源模塊以實現(xiàn)功能。三、 各單元電路的設(shè)計方案及原理說明本實驗設(shè)計電路分為五塊部分，分別為:計數(shù)器輸入模塊、譯碼顯示模塊、D/A轉(zhuǎn)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(shè)計方案及原理說明。1．計數(shù)器輸入模塊兩按鈕開關(guān)作為電壓調(diào)整鍵與可逆計數(shù)器的加計數(shù)和減計數(shù)輸入端相連，可逆計數(shù)器采用兩片四位十進制同步加／減計數(shù)集成塊74LS192級聯(lián)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(shù)端和減計數(shù)端。兩級計數(shù)器總計數(shù)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(xiàn)預(yù)制功能，將低片的74LS192的加記數(shù)、減記數(shù)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(shù) 在高電平時， 在上升沿時計數(shù)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(xiàn)這個要求。此部分原理圖請見圖3所示。圖3 計數(shù)器輸入模塊式原理圖2．譯碼顯示模塊此模塊主要是根據(jù)芯片74LS248的譯碼原理及共陰數(shù)碼管的管腳特點進行電路搭配。數(shù)字顯示譯碼驅(qū)動采用兩塊74LS248集成塊，74LS248為四線－七段譯碼器／驅(qū)動器，內(nèi)部輸出帶上拉電阻，它把從計數(shù)器傳送來的二進制的8421BCD碼轉(zhuǎn)換成十進制碼，并驅(qū)動數(shù)碼管顯示數(shù)碼。輸出后接入兩個共陰數(shù)碼管顯示，分別顯示的是高位和低位，并使高位數(shù)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(zhuǎn)換模塊從74LS192輸出的二進制數(shù)通過兩片74LS83實現(xiàn)把兩個四位二進制數(shù)轉(zhuǎn)化成一個八位二進制數(shù)。例如，將9.9的1001、1001轉(zhuǎn)化成10011001。通過兩片74LS83經(jīng)過級聯(lián)可以實現(xiàn)此項任務(wù)。數(shù)模轉(zhuǎn)換電路采用一塊DAC0832集成塊，它是一個8位數(shù)／模轉(zhuǎn)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(gòu)成完整的D/A轉(zhuǎn)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(jīng)過一級運放得到單極性輸出電壓為 ，D為輸入的二進制數(shù)轉(zhuǎn)化成十進制數(shù)， 為基準(zhǔn)電壓。即可實現(xiàn)數(shù)字到模擬的轉(zhuǎn)換過程。連接電路如圖5所示。圖5 D/A轉(zhuǎn)換模塊原理圖4．直流電壓輸出模塊再將 經(jīng)過運算放大器反向放大合適倍數(shù)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(jīng)過LM317實現(xiàn)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(zhuǎn)換及可調(diào)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(shù)字控制電路要求5V電源。因此我們要設(shè)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(wǎng)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(jīng)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(diào)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(jù)本設(shè)計要求，我們選用7805，7815和7915。2 穩(wěn)壓電流的性能指標(biāo)及測試方法穩(wěn)壓電源的技術(shù)指標(biāo)分為兩種:一種是特性指標(biāo)，包括允許輸入電壓、輸出電壓、輸出電流及輸出電壓調(diào)節(jié)范圍等；另一種是質(zhì)量指標(biāo)，用來衡量輸出直流電壓的穩(wěn)定程度，包括穩(wěn)壓系數(shù)或電壓調(diào)整率、輸出電阻或電流調(diào)整率、紋波電壓紋波系數(shù)及溫度系數(shù)。測試電路如下圖圖10所示。圖10 穩(wěn)壓電源性能指標(biāo)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(shù): 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(diào)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(shù)和電壓調(diào)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(diào)整率: 輸出電阻與放大器的輸出電阻相同，其值為當(dāng)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(diào)整率:輸出電流從0變到最大值時所產(chǎn)生的輸出電壓相對變化值。輸出電阻和電流調(diào)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(shù)控直流電源的總電路圖如下頁圖11所示。圖11 總設(shè)計電路圖四、 調(diào)試過程及結(jié)果分析1. 電路調(diào)試調(diào)節(jié)步驟如下所示。1 輸入數(shù)字00000000，用數(shù)字萬用表檢測，輸出電壓為 ＝0±1mV。然后按加減計數(shù)按鈕，可以實現(xiàn)以0.1步進加減計數(shù)。兩位數(shù)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(yù)置，可以任意預(yù)置0～9.9之間的一個數(shù)，測量輸出電壓，與預(yù)置相符。3 對74LS192預(yù)置數(shù)字1001、1001，輸出電壓 達到預(yù)定的滿量程值9.9V。2．主要技術(shù)指標(biāo)本實驗所設(shè)計出的數(shù)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(jié)果分析通過調(diào)試，我們的電路板完全符合實驗要求，實現(xiàn)了一切基本功能，并進行了發(fā)揮，即輸出電壓可預(yù)置在0～+9.9V之間的任意一個數(shù)。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(guān)。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(shù)并行數(shù)據(jù)輸入；Q0、Q1、Q2、Q3——計數(shù)數(shù)據(jù)輸出；CR??——清零端；LD——置數(shù)端； ——加法計數(shù)CP輸入； ——減法計數(shù)CP輸入；CO——進位輸出端；BO——借位輸出端?？赡嬗嫈?shù):加減控制方式:控制信號為1時加計數(shù)，為 0時減計數(shù)。雙時鐘方式:外部時鐘從CP+端輸入時加計數(shù)，從CP-端輸入時減計數(shù)。預(yù)置功能:所謂預(yù)置，就是控制端 =0時，使計數(shù)器的狀態(tài)變成設(shè)定的外部輸入常數(shù)，即QDQCQBQA=DCBA輸入數(shù)據(jù)。同步預(yù)置方式: =0且下一個時鐘有效邊沿到來時完成預(yù)置。異步預(yù)置方式: =0后立即預(yù)置數(shù)據(jù)送入各觸發(fā)器，與CP無關(guān)。復(fù)位功能:所謂復(fù)位，就是從復(fù)位端輸入有效信號后，計數(shù)器恢復(fù)成初始狀態(tài)全0或某個常數(shù)。同步復(fù)位方式:用復(fù)位信號與時鐘信號CP配合完成。異步復(fù)位方式:用復(fù)位信號直接完成，與CP無關(guān)。時鐘邊沿選擇:同步計數(shù)器一般用上升沿觸發(fā)，異步計數(shù)器一般用下降沿觸發(fā)。有的同步計數(shù)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(shù)器滿模值時，產(chǎn)生一個進位輸出CO信號或借位輸出BO信號，作為標(biāo)志信號或進位功能擴展。計數(shù)控制輸入端P、T，用來控制計數(shù)器是否計數(shù)。多片計數(shù)器級聯(lián)時，可控制各級計數(shù)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(shù)字電路，譯碼器是將一種編碼轉(zhuǎn)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(jié)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(guān)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(dāng)BCD8421碼。當(dāng)超過9以后，譯碼器仍然有字型輸出，具體見圖16所示。當(dāng)DCBA=1111時，數(shù)碼管熄滅。實驗時要在筆劃段電極串聯(lián)電阻，以保護LED數(shù)碼管。 圖16 74LS248顯示字型與輸入的對應(yīng)關(guān)系2 滅燈輸入BIBlaking input為滅燈輸入，低電平有效，整個數(shù)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(shù)碼管點亮，顯示8。用于檢查數(shù)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(dāng)RBI=0時，且DCBA=LLLL時，數(shù)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(lián)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(nèi)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(lián)，可以實現(xiàn)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(shù)字量是通過兩級寄存器送至D/A轉(zhuǎn)換器的輸入端。兩級鎖存器可做到當(dāng)后一級鎖存器正輸出給D/A轉(zhuǎn)換時，前一級又可接收新的數(shù)據(jù)，從而提高了轉(zhuǎn)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(yīng)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(jù)電網(wǎng)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(zhuǎn)換數(shù)字信號；通過微電腦，經(jīng)預(yù)先編制的程序及預(yù)置數(shù)據(jù)進行處理。由單片機智能控制系統(tǒng)發(fā)出的指令傳導(dǎo)給光電隔離耦合器，驅(qū)動既無觸點快速的電子開關(guān)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(diào)整在精度允許誤差的范圍內(nèi)，以達到完成自動穩(wěn)壓的目的。7.LM7815其原理和應(yīng)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(diào)式正壓集成穩(wěn)壓器，它們的輸出電壓從1.25V－37伏可調(diào)，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(nèi)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(diào)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(diào)整端的壓差為穩(wěn)壓器的基準(zhǔn)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(zhǔn)。為保證穩(wěn)壓器的輸出性能，R1應(yīng)小于240歐姆。改變R2阻值即可調(diào)整穩(wěn)壓電壓值。D1，D2用于保護LM317。Uo=1+R2/R1*1.25六、 設(shè)計、安裝及調(diào)試中的體會雖然在上學(xué)期做過數(shù)字電路板的設(shè)計，對整個電路設(shè)計流程有了一定的了解，然而本次課程設(shè)計還是讓我們有了更多、更新的收獲。首先在電路設(shè)計過程中明顯感受到一種學(xué)有所用的感覺，電路分析、模擬電路、數(shù)字電路甚至于本學(xué)期剛學(xué)的電子測量的知識在此刻都成了“克敵制勝”的寶貝。在此設(shè)計中，數(shù)字電路的知識體現(xiàn)的更為明顯，計數(shù)器、譯碼器、加法器、D/A轉(zhuǎn)換等等，可以說是應(yīng)有盡有。在設(shè)計的過程中我們深刻體會到了平時基礎(chǔ)知識的重要性。另外在設(shè)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(xiàn)變壓轉(zhuǎn)換。由此我們體會到，不但要學(xué)會用自己已有的知識去創(chuàng)造，更要學(xué)會利用現(xiàn)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(dāng)實驗品完成后，發(fā)現(xiàn)設(shè)計軟件中的一些走線規(guī)定在功能實現(xiàn)上總存有一些隱患，經(jīng)三人協(xié)商，為穩(wěn)妥起見，決定自己手焊！經(jīng)過上學(xué)期的洗禮，我們的焊接技術(shù)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(xiàn)這一問題并將其改正后，曙光重現(xiàn)！另外因為在設(shè)計中涉及到變壓器的使用，而它又與220V連接，所以經(jīng)常有放電現(xiàn)象，所以可見焊接過程不但是對技術(shù)的考驗，更是對勇氣的考驗。因為在設(shè)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(chǎn)品——數(shù)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(xiàn)了它的價值。本次課程設(shè)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(xué)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(shè)計中我們學(xué)到了很多。七、 收獲和建議通過這次課程設(shè)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(wù)的。而且，還有了做課程設(shè)計的經(jīng)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(xué)習(xí)和工作都大有好處。另外，課程設(shè)計所給的時間差不多是一個學(xué)期，比較寬松。但我們在學(xué)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(xué)期開放時間明顯比上學(xué)期少，有時候感覺很不方便。參考文獻[1] 侯建軍. 數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ). 北京:高等教育出版社，2003年.[2] 林肯美. 電子電路設(shè)計手冊[專著]. 北京:科學(xué)普及出版社，2000年.[3] 鄧勇. 數(shù)字電路設(shè)計完全手冊. 北京: 國防工業(yè)出版社，2001年.