實物圖：

本文介紹了一種簡易數(shù)控直流電源，與傳統(tǒng)的穩(wěn)壓電源相比，該電源具有操作方便，電壓穩(wěn)定度高的特點，其輸出電壓大小用數(shù)碼管顯示，由計數(shù)器向數(shù)碼管與數(shù)模轉(zhuǎn)換器輸出數(shù)字信號，數(shù)模轉(zhuǎn)換器將數(shù)字信號轉(zhuǎn)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(shè)備，測試結(jié)果證明了本課設(shè)制作的數(shù)控直流電源方便易用，且滿足課設(shè)的要求。

1 課題背景

隨著人們生活水平不斷提高，數(shù)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(shù)控直流穩(wěn)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(shè)備，這些功能各異的電子設(shè)備首先離不開穩(wěn)定的電源，電源穩(wěn)定度越高，設(shè)備和外圍條件越優(yōu)越，那么設(shè)備的壽命更長。基于此，人們對數(shù)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(tǒng)發(fā)出電壓調(diào)整指令，該指令與輸出電路的狀態(tài)信號一起送入數(shù)控部分電路，經(jīng)過處理后產(chǎn)生符合指令要求的輸出電壓信號，并經(jīng)輸出電路功率驅(qū)動后輸出。另外，數(shù)控部分還產(chǎn)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(shè)計置數(shù)按鈕和增減按鈕對系統(tǒng)發(fā)送狀態(tài)信息，通過數(shù)控部分轉(zhuǎn)換為BCD碼。

（b）把BCD碼轉(zhuǎn)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(shè)應達到的技術(shù)要求

設(shè)計并制作一個數(shù)控穩(wěn)壓電源。電源設(shè)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(shù)碼管顯示輸出電壓的設(shè)定值；

(d) 最大輸出電流≥1A。

發(fā)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(shè)計方案

通過已掌握的《模擬電子電路及技術(shù)基礎(chǔ)》《數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)》知識，以及上網(wǎng)了解、在圖書館查閱資料，我們了解了數(shù)控電流源制作原理和方法。設(shè)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(shù)字電路來組成鍵盤控制系統(tǒng)，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(tǒng)的擴展，對信號處理比較困難。

方案二：通過編碼開關(guān)來控制存儲器的地址；根據(jù)地址輸出對應的數(shù)字量送數(shù)模（D/A）進行轉(zhuǎn)換；再根據(jù)輸出的電壓量來控制電流的變化；同時；通過四個編碼開關(guān)的BCD碼送給CD4511及數(shù)碼管顯示。

優(yōu)點：是電路簡單

缺點：數(shù)據(jù)量大且存儲器存儲容量有限，在實驗過程中發(fā)現(xiàn)編碼開關(guān)不穩(wěn)定，所以不宜采用。

方案三：采用集成器件，通過按鍵產(chǎn)生脈沖信號，計數(shù)器（74HC192）的十進制數(shù)字輸出分兩路運行：一路用于通過CD4511驅(qū)動數(shù)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(shù)字；另一路進入Ｄ/Ａ轉(zhuǎn)換電路，Ｄ/Ａ轉(zhuǎn)換（DAC0832），將數(shù)字量按比例轉(zhuǎn)換成模擬電壓，然后驅(qū)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(shè)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(shè)，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(xiàn)需要得到的結(jié)果，也將最大的減少本次課設(shè)出現(xiàn)的誤差。

2.2 系統(tǒng)框圖

圖2-1 系統(tǒng)框圖

3 單元電路設(shè)計

3.1 數(shù)字控制電路的設(shè)計

數(shù)控穩(wěn)壓源分為數(shù)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(shù)字控制電路和數(shù)碼顯示電路。

圖3-1

從下至上，依次是：開關(guān)及其上拉電阻電路、點穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器消抖電路、十進制轉(zhuǎn)BCD碼編碼電路、100進制計數(shù)器計數(shù)及置數(shù)電路和數(shù)碼顯示電路。

如圖3-1，將計數(shù)開關(guān)、清零開關(guān)、置數(shù)控制開關(guān)和置數(shù)開關(guān)分別與其對應的上拉電阻相連；電阻一段接高電平，開關(guān)一側(cè)接低電平，電阻和開關(guān)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(guān)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(guān)閉合時，上拉電阻導通，由于開關(guān)與低電平相連，低電平信號通過閉合的開關(guān)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(wěn)態(tài)觸發(fā)器。按鍵開關(guān)在導通和斷開的過程中不可避免地會出現(xiàn)電平抖動現(xiàn)象，會使脈沖計數(shù)器出現(xiàn)重復計數(shù)現(xiàn)象。為規(guī)避重復計數(shù)現(xiàn)象，需要消抖電路將一段大于開關(guān)抖動時間內(nèi)的電平或邊沿觸發(fā)信號輸出為一個標準的脈沖信號。74LS123單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)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(wěn)態(tài)觸發(fā)器延時為：

大于一般開關(guān)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(gòu)成十進制轉(zhuǎn)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(shù)字1到9的9個開關(guān)輸入的低電平轉(zhuǎn)換為BCD碼的反碼（同時有多個低電平輸入時，優(yōu)先轉(zhuǎn)換代表數(shù)字大的信號），經(jīng)過非門變?yōu)锽CD碼，實現(xiàn)十進制信號與BCD碼的轉(zhuǎn)換。

74LS192引腳圖及功能表如圖3-4所示。

圖3-4

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

數(shù)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(shù)碼管的連接實現(xiàn)。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(shè)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(shù)模轉(zhuǎn)換電路采用兩塊DAC0832 集成塊，它是一個8 位數(shù)/模轉(zhuǎn)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(gòu)成完整的D/A 轉(zhuǎn)換器。運放將其轉(zhuǎn)換成與數(shù)字端輸入的數(shù)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(xiàn)，調(diào)節(jié)加法器反饋電阻大小即可實現(xiàn)輸出數(shù)碼管顯示的模擬電壓值。圖3-7中RV2是級聯(lián)運放的調(diào)零電路，將級聯(lián)運放看成整體，只需給最靈敏的第一級運放調(diào)零即可。D/A轉(zhuǎn)換器由8位輸入鎖存器、8位DAC寄存器、8位D/A轉(zhuǎn)換電路及轉(zhuǎn)換控制電路構(gòu)成，其結(jié)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(shù)/模轉(zhuǎn)換器，它由倒T型R-2R電阻網(wǎng)絡(luò)、模擬開關(guān)、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(zhuǎn)換器件。該芯片的特點如下所述。 芯片內(nèi)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(zhuǎn)換等)。D/A轉(zhuǎn)換結(jié)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(xiàn)。運放的反饋電阻可通過RFB端引用片內(nèi)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(shù)據(jù)輸入線，TTL電平，有效時間應大于90ns(否則鎖存器的數(shù)據(jù)會出錯)；

ILE為數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)鎖存器），低電平有效；

WR1為數(shù)據(jù)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(chǎn)生LE1，當LE1為高電平時，數(shù)據(jù)鎖存器狀態(tài)隨輸入數(shù)據(jù)線變換，LE1的負跳變時將輸入數(shù)據(jù)鎖存；

XFER為數(shù)據(jù)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(chǎn)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(shù)據(jù)鎖存器的內(nèi)容打入DAC寄存器并開始D/A轉(zhuǎn)換。

IOUT1為電流輸出端1，其值隨DAC寄存器的內(nèi)容線性變化；

IOUT2為電流輸出端2，其值與IOUT1值之和為一常數(shù)；

Rfb為反饋信號輸入線，改變Rfb端外接電阻值可調(diào)整轉(zhuǎn)換滿量程精度。

由于數(shù)模轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(huán)放大倍數(shù)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(qū)動能力相對于較大。

3.3電流功率放大電路的設(shè)計

工作原理：調(diào)整輸出級采用運放作射極跟隨器，使調(diào)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(diào)整管采用大功率三極管TIP41級聯(lián)成的達林頓管，電流放大倍數(shù)至少可達900倍，確保電路的輸出電流值達到設(shè)計要求。數(shù)控電源各部分工作所需的±15V 和+5V 電源由直流穩(wěn)壓電源箱提供。

圖3-10

4 組裝、調(diào)試

4.1 焊接電路

焊接電路是本次課設(shè)最為基礎(chǔ)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(shè)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(shù)器、譯碼器和數(shù)模轉(zhuǎn)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(jié)點達到所學的裙狀；

(e)焊接電路結(jié)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(diào)試；

(f)焊接設(shè)計應該盡量多走錫少走線；

4.2 調(diào)試電路

電路焊接完成并檢查無誤后，接下來便是調(diào)試電路，調(diào)試電路時較為麻煩，因為在調(diào)試電路時，出現(xiàn)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(diào)試電路時，盡量使自己所做的物品達到課程設(shè)計所要的結(jié)果，這就要求需要將調(diào)試出現(xiàn)的問題一一解決。

（a）初次調(diào)試時發(fā)現(xiàn)數(shù)碼管不亮

（b）第二次調(diào)試時由于改進了前一次發(fā)現(xiàn)的問題，數(shù)碼管可以正常發(fā)亮，可是計數(shù)器通過將輸出數(shù)據(jù)傳遞給CD4511來控制數(shù)碼管顯示數(shù)字，結(jié)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(xiàn)，而是奇數(shù)變化，1、3、5、7、9，通過這次調(diào)試也發(fā)現(xiàn)了一個新的問題，計數(shù)器輸入只有加輸入時鐘UP鍵有作用，而控制計數(shù)器減輸入時鐘的DOWN鍵沒有作用，而且在數(shù)碼管變化的情況下，本次課設(shè)需要測量的電壓表沒有示數(shù)變化。

（c）經(jīng)過對前兩次調(diào)試出現(xiàn)的問題，在第三次調(diào)試的通過詢問同學，自己查資料并動手改進，電路出現(xiàn)了一定的進步，最終終于功夫不負有心人，結(jié)果調(diào)試出來了，比之前有所進步的計數(shù)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(diào)試，終于得出了正確的輸出電壓。

4.3 調(diào)試電路的方法和技巧

調(diào)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(diào)試，這樣就不會使實驗出現(xiàn)不知道是線路問題還是元器件有問題的麻煩局面，在調(diào)試之前需要對每個元器件的數(shù)值計算清楚。在調(diào)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(diào)試，正確之后再進行擴大范圍測試。

在接電調(diào)試的時候，要把輸出電壓調(diào)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(diào)試的時候，要注意各個元器件是否有發(fā)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(jīng)過測量調(diào)試發(fā)現(xiàn)，容易出現(xiàn)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(fā)熱甚至是燒壞器件。

4.4測試數(shù)據(jù)

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(diào)試結(jié)果

本課設(shè)制作的數(shù)控穩(wěn)壓電源設(shè)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(shù)鍵，可以直接控制置數(shù)鍵輸出想要的電壓。

作品實現(xiàn)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(shù)碼管顯示輸出電壓的設(shè)定值；

(d) 最大輸出電流≥1A。

(e) 并且實現(xiàn)了發(fā)揮功能：輸出電壓可在0~9.9V范圍可以任意預置。

4.6 調(diào)試中出現(xiàn)的故障、原因及排除方法

（a）接電后數(shù)碼管顯示器不亮

原因：數(shù)碼管的共陰極沒有接地。

      計數(shù)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(shù)器74LS192控制錯誤

原因：計數(shù)器74LS192是一個十進制計數(shù)器，在設(shè)計電路時，誤將74HC192認為是一個十六進制的計數(shù)器。

解決方法：在查資料確認了74LS192為十進制的計數(shù)器后，在設(shè)計電路時，將低電平有效的置數(shù)端接高電平，使其失效，不置數(shù)，又由于74HC192計數(shù)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(shù)不變化

原因：數(shù)模轉(zhuǎn)換器和放大器之間電路連接線路出現(xiàn)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(shè)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(shè)計總結(jié)

通過這次的課程設(shè)計，我對一些專業(yè)知識和電子課程設(shè)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(shè)計用的是模電和數(shù)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(shè)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(diào)試過程中,會因為某些原因出不來結(jié)果，有因為粗心犯了不該犯的錯誤，也有因為對實驗態(tài)度不嚴謹而造成的不良后果，雖然在焊接和調(diào)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(shù)碼管         2個

CD4511                                                    譯碼器                          2個

74LS192                                                               計數(shù)器               2個

74LS147                 編碼器               2個

DAC0832                                                              數(shù)模轉(zhuǎn)換器           2個

NE5532                                                                運算放大器           2個

74LS123                                                                單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)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(guān)                                 18個

Switch                               自鎖開關(guān)             1個

Button                                                                                      微動開關(guān)             2個