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1、1 2 信 息 科 学 与 技 术 学 院 电 子 综 合 设 计 报 告 项目名称： 简易数控直流电源 指导老师： 组号： 3 成员： 简易数控直流电源 摘要 本课程设计主要使用集成 555定时器、CPLD 器件 EPM570、运算放大器 LM324、稳压管等器件，运用数模混合电路及可编程器件制作输出电压范围为 09.9V、步进 0.1V 的两位数码管显示的可控数字直流电源。 本设计包括以下四部分： 1 时钟部分：以 555为核心组成，为 CPLD 部分的可逆计数器提供时钟脉冲。 2 电源部分：为设计中各个芯片等电路中各个部分提供电源。2 3 CPLD 部分：包括核心控制部分、BCD 转二进
2、制和 BCD 转 7段译码显示 三部分，分别实现“” 、 “” 、 “置数”控制，099的二进制输出，译 码显示功能（针对共阴极数码管） 。 4 D/A 转换及扩流部分：将数字信号转换为模拟信号，然后经过扩流电路实 现所需要的电压及电流的输出（输出电压范围 09.9V,步进 0.1V，电流 500mA） 。一 、 方案设计 1 设计要求 （1）基本要求 1） 输出电流：500mA。 2） 输出：09.9V， 步进 0.1V，纹波电压10mV。 3） 数字显示电压值。 4） 由“+” 、 “-”键控制输出电压增减。 5） 自制直流文稳压电源。 （2）提高部分 1） 输出电流 1A。 2） 纹波电
3、压10mA。 4） 可预置电压值。 5） 显示值和输出可快速连续增减。 3） 禁止 0.09.9 和 9.90.0 跳变。2. 设计思路 根据设计要求及方案图所显示的结构及功能，此次设计我们主要使用 555定时器、CPLD 器件 EPM570、运算放大器、简易变压器、稳压器等器 件，运用数模混合电路制作输出电压范围为 09.9V、步进 0.1V 的两位数 码管显示的可控数字直流电源。下图所示为本设计总体方案的结构框图： BCD-7 段译码 器 二进制-BCD 转换 供电 数码管 时 钟3 本次设计中我们将总体方案分以下几个部分分别实现：1 电源部分 电源部分的主要功能是为设计中运放、EPM57
4、0，DAC0832、555 以及电路 中某些部分提供电源。主要运用各个稳压器加以实现的各个不同电压的输出。2 时钟部分 时钟部分主要功能是为 CPLD 部分的可逆计数器提供时钟脉冲。 本实验采用 555构成多谐振荡电路产生所需的周期性时钟。3 CPLD 部分 CPLD 部分的主要功能是实现电源电压输出的控制及驱动数码管显示所 调节的电压（调节范围 09.9V,步进 0.1V） 。要求由按键来实现“+” 、 “-” 的控制功能，并且还考虑到开关防抖的问题，也实现了提高部分的“置数” 、 防止 0.09.9 或 9.90.0 跳变等功能。 4 D/A 转换及扩流部分： 运用 DAC0832 及稳压
5、器 7805实现了数字信号转换为模拟信号，然后经 过扩流电路实现所需要的电压及电流的输出的功能。此部分电路的输出即 为我们的数控直流电源所要求实现的电压及电流输出。二 、 各部分电路具体分析及调试 1 电源部分： 结构图如下： 具体电路图如下： 变 压 器 整流 滤波 稳压 +12V -12V +5V 供电 BCD 码-二 进制 “+” “-”键控制 可逆计数器 + 转换器 电 流 扩 大 输 出4电路分析：（1） 整流滤波电路：如图所示，电路左侧是运用了四个二极管组成类似桥式整流电容滤波电路。 接入了 50Hz220V 电源，经过变压器作用转换为有效值 15V 左右的交流电压输 出，再经过二
6、极管电桥（将交流电压转换成直流电压输出）和两个滤波电容 （将前面得到的直流电压的纹波加以滤除）得到了能够使电路中各个稳压器正 常工作的直流电压。桥式整流电容滤波电路功能实现原理如下所示： 1） 桥式整流电路 利用二极管的单向导电特性，将交流电压变换为单向脉动直流电的电路，称为 整流电路。如下图所示。原理图 图中，T r 为电源变压器，它将电网交流电压 V 1 变成整流所需的交流电压 V 2 。接成电桥形式的二极管 D 1 D 4 为整流元件，也可用整流桥堆代替，原理相 同。RL 为整流电路的负载电阻，其两端的电压 V o 为整流输出电压。 由原理可知，V 2 的正，负半周都有同向的整流电流流过
7、负载。因此，该电路 常又称作全波桥式整流电路。2） 滤波电路 一般较常采用的是电容滤波电路，输出电压波形图（此处附上仿真波形）反映 的是电路稳态时的结果。要保持一定的输出电压，或输出纹波较小，其放电时间常数应足够大，要满足 关系式： f T R L 2 1 ) 5 3 ( 2 ) 5 3 ( 式中 T 和 f为电网电压的周期和频率，频率通常为 50Hz。输出电压与输入电压 之间一般可取 V o 1.2V 2（2）稳压电路：电路右侧是运用各个三端集成稳压器构成的为我们电路提供所需要的 +5V、+12V、-12V 直流电压。如下图所示：5 7800 2 3 1 V I V o C 1 0.33u
8、C 2 0.1u 7900 1 3 2 V I C 1 0.33u C 2 0.1u V o (a)正电压输出 (b)负电压输出 图3-10-4 固定式三端稳压器基本应用电路上图所示为集成三端稳压器 7800系列(输出正电压)和 7900系列（输出负电 压）基本应用电路。 同时由于各个稳压器在工作时工作电流即工作功率较高，为了防止其过载 而损坏、同时保证它们能够长时间稳定正常工作，我们在每个电位器上都加了 散热片利用空气对流使之更高效散热。其中 7805为 CPLD 部分、时钟及电源输 出部分提供电源，工作功率较大，故用大散热片；7812只为运放提供电压， 7912为运放供电和提供基准电压，功
9、率较小，故仅需要较小的散热片。电路调试：电路仿真过程，运行得到了4.98V、11.84、-13.48V 的直流电压输出， 而在实际电路通电电路中，也顺利为运方、555、EPM570 提供了其所需要的 电压而使之正常工作。 2 时钟部分：电路图如下： U1 LM555CM GND 1 DIS 7 OUT 3 RST 4 VCC 8 THR 6 CON 5 TRI 2 VCC 5V R1 30k R2 56k C1 0.1uF C2 0.01uF 电路分析：6时钟电路主要由 555定时器构成，基本原理是运用 555出发特性和电容充电 放电实现触发器置位翻转。 电源接通之后，电容 C1 充电，Vc
10、上升，达到 2/3Vcc 时，触发器被复位，此时输出 Vo 为低电平，电容 C1 通过 R2 放电， 当电压下降到 1/3Vcc 时，触发器被置位，Vo 翻转为高电平。 电容充电及放电时间分别为：Tpl0.7R2C1，Tph0.7（R1R2） C2； 可知其产生的方波周期频率为 f1/( Tpl+ Tph)=1.43/(R1+2R2)C1 根据本次设计需要时钟周期为 1000Hz 我们选择了如图所示大小的电阻及 电容。 电路调试： 3 运用第二部分输出的电源，接入电路，能够正常产生 1000Hz 时钟，为 PLD 部分提供符合要求的时钟。在连接时钟时，由于焊接复杂，致使短路， 后经过排查，修改
11、正确。 4 CPLD 部分： 该部分我们将其分为三部分来描述其功能，然后用 Quartus6.0 软件通 过对各部分编程实现功能。并将各部分联系起来。程序原理图如下： “- “=1？ ？1 ? “-”=1? “-“=1? “+“=1？ ？1?1? N=15 ?5555 5? N=500 ?0? V=0? V=0? V=99? ? V=99? DL=0? N=0 N=N+1 =1=N+1 V=V-1 V=V+1 DL=DL+1 V=V+1 V=V-1 N N N N N N N N N N N Start7 （1）核心控制部分 （其中 V 为两位 BCD 输出电压值，N 为防抖延迟计数和快进连续
12、计数延迟 判断变量，DL 为减速变量，时钟 1000Hz） 如流程图所示，我们使用的时钟为 1000HZ。为了消除开关的机械抖动，增 加了开关防抖延迟计数变量 N，当 N15 时，V 才开始变化（“+” 、 “-” 、置 数） 。这样就消除了因机械抖动而改变输出的电压。另外 N 还有一个功能就是 快进连续计数延迟判断变量，当某一个按键长时间按下时，达到 N500时， 当减速变量 DL0 时，计数器加一，这样就不至于数码管显示过快，无法判 别。 同时，此部分实现了提高部分所要求的三个内容：可预置电压值；显示值 和输出可连续增减；禁止 9.9V0V 和 0V9.9V 跳变 （2）BCD 转二进制
13、上面的程序输出的是 099的 BCD 码，而实际中需要将 099的二进制码 输入 DAC0832，所以还应将 BCD 码转换为二进制输出。 （3）BCD 转 7段译码显示 核心控制模块中输出的两位 BCD 码要通过数码管显示，所以还应增加此 模块将当前计数器的数值显示出来。 由于实际中数码管是共阴极的，所以用真值表描述上面的功能时应特别注 意这一点 在以上三个部分功能都分别实现后，建立一顶层原理图将三个部分联系起 来。这样就很容易实现了以上功能。程序调试：经过分析及修改，在器件适配时就正确了，而且生成了.jed 文件。写入芯 片以后，经过测试一切功能都正常。 （具体原程序代码详见附录部分）8
14、4、 D/A 转换及扩流部分：电路图如下： 电路分析： 电路主要由 DAC0832、运放 LM324、7805 组成。其中 DAC0832 主要是把 EPM570 输出的数字信号转化为模拟信号，然后经过运放把输出的模拟信号放 大，再经过 7805扩流及反馈，以得到要求的 09.9V 的步进电压输出。由于 7805输出端比 GND 端始终高 5V，所以只要添加适当的反馈电阻在 7805和 LM324 的负反向端，使 LM324 的输出端的电压在-5V4.9V 变化，那么经过 7805后就可以输出 09.9V 的电压。但是应注意的是 7805的输入端供电，因为 7805输入和输出间的压差即|V I
15、 -V o |35V 才能使稳压管正常工作。要想输出 9.9V 的电压，应该接的电压至少为 12.9V，所以我们使用整流滤波后的电压 +20.4V 为 7805供电。本次设计方案电路总图如下：9 三 、 测试数据及实验结果10 电路空载及接入功率电阻（作为负载）后所测得电源电压输出及纹波大小 如下表所示： (表格中输出纹波是用毫伏表测量的其有效值，同时输出电压的测量值是用示 波器测量的) 空载 20欧姆功率电阻 序号 显示电压/V 测量电压/V 输出纹波/mV 显示电压/V 测量电压/V 输出纹波/mV 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 根据上面数据可以知道，我们的设计作品输出电压稳定
16、，范围为 09.9V， 输出纹波电压为 。且在实际操作中，作品可以实现以 0.1步进通过开关实 现电压的加减，且电压加减在数码管中清楚的显示，同时输出电流可以达到 500mA。 同时试验结果表明，我们的作品也满足了所有提高部分的要求，可以实现电 压从 9.90V 之间任何一个电压值的预置；同时显示值和输出可以 0.1V 为步进 连续增减；同时由 CPLD 程序功能也实现了禁止 9.9V0V 和 0V9.9V 的跳变。 总结对本次设计所得作品的试验结果，可知我们设计作品基本实现了包括提 高部分的所有要求，唯一缺憾之处是当负载接入 20欧姆功率电阻时，纹波稍微 偏大（最大为 12.5mV） ，当电压降到 8V 左右时纹波方降到了 10mV 以下。 四、 设计总结及改进方案 总结：本次设计的目标是设计并制作有一定输出电压范围和功能的数控电源。本次 主要
