深圳信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院電子與通信學(xué)院 周志文

數(shù)控直流穩(wěn)壓電源的設(shè)計與仿真

深圳信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院電子與通信學(xué)院 周志文

設(shè)計了一種數(shù)控直流穩(wěn)壓電源。該電源包括:計數(shù)控制、譯碼顯示、數(shù)模轉(zhuǎn)換、穩(wěn)壓輸出等部分。理論分析了直流穩(wěn)壓電源的電路組成及工作原理,采用Multisim10軟件對電路特性進(jìn)行了仿真分析。結(jié)果表明,數(shù)控直流穩(wěn)壓電源輸出電壓的調(diào)節(jié)范圍為2.50～7.82V,步進(jìn)電壓為0.31V。仿真結(jié)果與理論計算值相吻合。

直流穩(wěn)壓電源;數(shù)控;設(shè)計;仿真

1 引言

直流穩(wěn)壓電源是各類電子電路及儀器設(shè)備的重要組成部分,也是電子技術(shù)課程教學(xué)的主要內(nèi)容,因此直流穩(wěn)壓電源的研究得到了廣泛關(guān)注[1,2]。本文設(shè)計了一種數(shù)控直流穩(wěn)壓電源,并對電路結(jié)構(gòu)、特性進(jìn)行了理論分析和實(shí)驗(yàn)仿真。簡單的數(shù)控直流穩(wěn)壓電源,既可滿足生產(chǎn)、研究需要,又方便課堂教學(xué)。

2 電路組成

數(shù)控直流穩(wěn)壓電源的組成框圖如圖1所示。主要包括:計數(shù)控制、譯碼顯示、數(shù)模轉(zhuǎn)換(D/A轉(zhuǎn)換)、穩(wěn)壓輸出等部分組成。

計數(shù)控制:設(shè)計加減計數(shù)步進(jìn)按鍵,并對步進(jìn)按鍵的操作進(jìn)行加減可逆計數(shù),從而實(shí)現(xiàn)對直流穩(wěn)壓電源輸出電壓的數(shù)字調(diào)節(jié)。

譯碼顯示:顯示可逆計數(shù)器的數(shù)值,方便觀察輸出電壓調(diào)整的序號。

數(shù)模轉(zhuǎn)換:將可逆計數(shù)器輸出的數(shù)字信號轉(zhuǎn)為模擬信號。

穩(wěn)壓輸出:將數(shù)模轉(zhuǎn)換的模擬信號進(jìn)行穩(wěn)壓輸出。

另外,數(shù)控直流穩(wěn)壓電源還包括輸入電源的設(shè)計。市電經(jīng)過變壓、整流和濾波后給上述各部分電路供電。

圖1 數(shù)控直流穩(wěn)壓電源的組成框圖

3 電路設(shè)計

3.1 計數(shù)控制電路[3]

計數(shù)控制電路如圖2所示。包括由兩個與非門構(gòu)成的RS觸發(fā)器和一個74LS190D可逆計數(shù)器。當(dāng)單刀雙擲開關(guān)J1改變連接位置時,RS觸發(fā)器產(chǎn)生脈沖,并把脈沖輸出送給計數(shù)器74LS190D的時鐘端CLK。74LS190D的輸出端將把信號傳遞給譯碼顯示電路和D/A轉(zhuǎn)換電路。

計數(shù)控制電路的核心是可逆計數(shù)器74LS190D的使用。 74LS190D是單時鐘十進(jìn)制同步可逆計數(shù)器。74LS190D的引腳功能為:CLK為時鐘信號,～U/D為加/減計數(shù)控制信號,～CTEN為計數(shù)使能信號,～LOAD為置數(shù)控制信號, A、B、C、D為預(yù)置數(shù)輸入信號, QA、QB、QC、QD為計數(shù)輸出信號。時鐘信號CLK由與非門U1A和U1B構(gòu)成的RS觸發(fā)器產(chǎn)生。加/減計數(shù)控制信號～U/D由開關(guān)J2產(chǎn)生。當(dāng)～CTEN為低電平,～LOAD為高電平時可以計數(shù)。其中,～U/D為低電平,為加計數(shù);～U/D為高電平,為減計數(shù)。 74LS190D具有異步預(yù)置數(shù)的功能。當(dāng)置數(shù)信號～LOAD為低電平時,不管時鐘脈沖的狀態(tài)如何,將立即把預(yù)置數(shù)A、B、C、D的狀態(tài)置入計數(shù)器的輸出端QA、QB、QC、QD。在此把～LOAD接高電平,取消異步預(yù)置數(shù)功能。

圖2 計數(shù)控制電路圖

3.2 譯碼顯示電路

譯碼顯示電路如圖3所示。計數(shù)器74LS190D的輸出信號QA、QB、QC、QD由共陰數(shù)碼管U4顯示出來,其中譯碼器U3為74LS48D。

圖3 譯碼顯示電路

3.3 D/A轉(zhuǎn)換電路[4]

D/A轉(zhuǎn)換電路如圖4所示。該電路由一個四位反向加法器U5和一個反相器U6組成。其中反向加法器由運(yùn)算放大器μA741構(gòu)成,四位輸入端接可逆計數(shù)器74LS190D的輸出端QA、QB、QC、QD。反相器也是由μA741構(gòu)成,目的是將加法器的信號反相(改變正負(fù)號)。

圖4 D/A轉(zhuǎn)換電路

根據(jù)運(yùn)算放大器的"虛短"、"虛斷"原理,可得到輸出電壓Ux的表達(dá)式:

根據(jù)圖4所示各電阻的取值,計數(shù)器輸出端QA、QB、QC、QD的高電平UH為5V,低電平UL為0V。在QD～DA輸出為0000～1001時,計算得到Ux的值,結(jié)果見表1.

3.4 穩(wěn)壓輸出電路[4]

穩(wěn)壓輸出電路如圖5所示。由比較器U7和三端穩(wěn)壓器U8組成。比較器由運(yùn)算放大器μA741構(gòu)成,三端穩(wěn)壓器為LM7805,輸出電壓和最大輸出電流由其決定。D/A轉(zhuǎn)換電路的輸出電壓Ux與三端穩(wěn)壓器的輸出電壓Uo反饋比較,決定最終的輸出電壓Uo。三端穩(wěn)壓器的輸入電壓為Ui,由市電得到。

表1 不同序列下的

其中,n=R15/R16.表2為理論計算輸出電壓Uo的值。

圖5 穩(wěn)壓輸出電路圖

3.5 輸入電源電路[4]

輸入電源電路如圖6所示。T1為變壓器,D1為橋式全波整流器,C2是濾波電容。市電經(jīng)過變壓、整流、濾波后得到所需電壓供各部分電路使用。

圖6 輸入電源電路圖

表2 輸出電壓的理論計算值

圖7 n=0.5,0序列時的輸出電壓

4 性能仿真

將上述各電路在Multisim[5]平臺上連接,進(jìn)行仿真分析,采用虛擬儀器示波器和電壓電流表進(jìn)行測量。圖7和圖8為有代表性的測試結(jié)果。圖7為n=0.5,序列為0時的輸出電壓波形和測試結(jié)果。測得直流電壓為3.323V,紋波為22.8μV。圖8為n=0.5,序列為9時的輸出電壓波形和測試結(jié)果。測得直流電壓為6.138V,紋波為13.7μV。與表2相比較,測量結(jié)果與理論計算值相吻合。

圖8 n=0.5,9序列時的輸出電壓

5 結(jié)論

設(shè)計了一種數(shù)控直流穩(wěn)壓電源。該電源的組成部分包括:計數(shù)控制、數(shù)模轉(zhuǎn)換、顯示譯碼、穩(wěn)壓輸出等。理論分析了該直流穩(wěn)壓電源的電路組成及工作原理,采用Multisim10對電路特性進(jìn)行仿真分析。直流穩(wěn)壓電源輸出電壓范圍為2.50～7.82V,步進(jìn)電壓為0.31V。與傳統(tǒng)的穩(wěn)壓電源相比,本設(shè)計的電源具有操作方便,電壓穩(wěn)定度高等特點(diǎn),滿足實(shí)際生產(chǎn)、研究的需要。另外,此設(shè)計只運(yùn)用模擬電子和數(shù)字電子技術(shù)的知識,方便應(yīng)用于實(shí)際教學(xué)中。

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周志文(1982-),男,博士,副教授,主要研究方向?yàn)殡娮蛹夹g(shù)和光電子技術(shù)。

廣東省高等學(xué)校優(yōu)秀青年教師項(xiàng)目(Yq2014123)。