数控直流稳压电源与传统的稳压电源相比,具有操作方便,电压稳定度高的特点,其输出电压大小采用数字显示,主要用于要求电源精度比较高的设备,或科研实验电源使用,并且此设计,没有用到单片机,只用到了数字技术中的可逆计数器,D/A 转换器,译码显示等电路,具有控制精度高,制作比较容易等优点。
2 单元电路设计
此数控直流稳压电源共有六部分,输出电压的调节是通过“+” ,“-”两键操作,步进电压精确到 0.1V控制可逆计数器分别作加,减计数,可逆计数器的二进制数字输出分两路运行:一路用于驱动数字显示电路,精确显示当前输出电压值;另一路进入数模转换电路(D/A转换电路) ,数模转换电路将数字量按比例,转换成模拟电压,然后经过射极跟随器控制,调整输出级,输出稳定直流电压。为了实现上述几部分的正常工作,需要另制15V,和5V 的直流稳压电源,及一组未经稳压的12V~17V的直流电压。此下所讲的数控电源主要就是对此组电压进行控制,使输出 0~9V的稳定的可调直流电压。
此原理方框图如下图 1 所示。
2.1 “+”, “-”键控制的可逆计数器的设计
此部分电路主要用两按钮开关作为电压调整键, 与可逆计数器的加计数CPU时钟输入端和减计数CPD时钟输入端相连,可逆计数器采用两片四位十进制同步加/减计数集成块 74LS192 级联而成。74LS192 是双时钟,可预置数,异步复位,十进制(BCD 码)可逆计数器。与之功能相同的还有其它芯片,比较容易找到。
2.1.1 工作原理
由于输出电压从 0V 到 9.9V 可以调节,所以 74LS192 两计数器总计数范围从 00000000 到10011001(即 0~99),而 74LS192 本身为十进制可逆计数器,所以只需两块这样的芯片级联就可以达到目的,此芯片封装和工作模式表如下图 2 所示。
PL是低电平有效的预置数允许端,PL=0 时,预置数输入端 P0~P3 上的数据被置入计数器。MR是高电平有效的复位端,MR=1 时,计数器被复位,所有输出端都为低电平。
CPU是加计数时钟,CPD 是减计数时钟,当 CPU=CPD=1 时,计数器处于保持状态,不计数。当 CPD=1,CPU 由0变为1时,计数器的计数值加1 ;当 CPU=1,CPD 由0变1时,计数器的计数值减1 。
TCU 是进位输出端,当加计数器达到最大计数值时,即达到 9 时,TCU 在后半个时钟周期(CPU=0)内变成低电平,其他情况均为高电平。TCU是借位输出端,当减计数器计到零时,TCD在时钟的后半个周期(CPD=0)内变成低电平,其他情况下均为高电平。
为实现 100 进制的计数可把第一块芯片的 TCU,TCD 分别接后一级的 CPU,CPD 就可以级联使用,这就达到了 0~99 的计数。
2.1.2 元件的选择
74LS192 是双时钟,可预置数,异步复位,十进制(BCD 码)可逆计数器,还可选用 54HC192,54HCT192,74HC192,74HCT192 等。
2.2 数字显示电路的设计
2.2.1 工作原理
数字显示驱动采用两块 74LS248 芯片,74LS248 为四线七段译码驱动器,内部输出带上拉电阻它把从计数器传送来的二~十进制码,驱动数码管显示数码。具体功能如下图 3 真值表所示。
74LS248,七段译码器,输出高电平有效,适合于共阴极接法的七段数码管使用 A3,A2,A1,A0,为 8421BCD 码输入,a,b,c,d,e,f,g 为七段数码输出,LT 为试灯输入信号,用来检查,数码管的好坏,IBR 为灭零输出信号,用来动态灭零,IB/QBR 为灭灯输出信号,该端既可以作输入也可以作输出,具体工作如上真值表所示。
2.2.2 原件选择
与 74LS248 功能相同的还有,74LS247,7CD4511 等。
2.3 D/A转换电路(数模转换器)的设计
2.3.1 DAC0832 工作原理介绍
数模转换电路,采用两块 DAC0832 集成块,它是一个 8 位数/模转换电路,这里只使用高 4 位数字量输入端。由于 DAC0832 不包含运算放大器,所以需要外接一个运算放大器相配,才构成完整的 D/A转换器,低位 DAC 输出模拟量经 9:1 分流器分流后与高位 DAC 输出模拟量相加后送入运放,具体实现,由 900Ω和 100Ω的电阻相并联分流实现,运放将其转换成与数字端输入的数值成正比的模拟输出电压,运放采用具有调零的低噪声高速优质运放 NE5534。具体封装图如下图 4 所示。
DAC0832 芯片主要功能引脚的名称和作用
如下:
d7~d0:8 位二进制数据输入端;
ILE:输入锁存允许,高电平有效;
CS:片选信号,低电平有效;
WR1,WR2:写选通信号,低电平有效;
XFER:转移控制信号,低电平有效;
Rf:内接反馈电阻,Rf=15KΩ;
IOUT1,IOUT2:输出端,其中 IOUT1 和运放
反相输入相连,IOUT2 和运
放同相输入端相连并接地端;
Vcc:电源电压,Vcc 的范围为+5V~+15V;
Vref:参考电压,范围在-10V~+10V;
GND:接地端。
当 ILE=1,CS=0,WR=0,输入数据 d7~d0 存入 8 位输入寄存器中,当 WR2=0,XFER=0 时,输入寄存器中所存内容进入 8 位 DAC 寄存器并进行 D/A转换。
当 DAC0832 外接运放 A构成 D/A转换电路时,电路输出量 V0 和输入 d7~d0 的关系式为
2.3.2 DAC0832 芯片的特点
DAC0832 最具特色是输入为双缓冲结构,数字信号在进入 D/A转换前,需经过两个独立控制的8 位锁存器传送。其优点是 D/A转换的同时,DAC 寄存器中保留现有的数据,而在输入寄存器中可送入新的数据。系统中多个 D/A转换器内容可用一公共的选通信号选通输出。
由于 DAC0832 输出级没有加集成运放,所以需外加 NE5534 相配适用。NE5534 封装如下图 5所示。
IN-为反相输入端,IN+为同相输入端;
OUT 为输出端;
Balance 为平衡输入端,主要作用是,使内部
电路的差动放大电路处于平衡状态;
COMp/Bal的作用为,通过调节外接电阻,以
达到改善放大器的性能和输出电压;
VCC-和 Vcc+为正负电源供;
2.4 调整输出的设计
调整输出级采用运放作射极跟随器,使调整管的输出电压精确地与 D/A转换器输出电压保持一致。调整管采用大功率达林顿管,确保电路的输出电流值达到设计要求。数控电源各部分工作所需的15V和5V电源由固定集成稳压器 7815、7915、和 7805 提供,调整管所需输入电压,经简单整流,滤波即可得到,但要求能提供 5A的电流。
输出电压的调整,主要是运用射极输出器发射极上所接的 4.7K电阻来完成的,此反馈电阻的主要作用是,把输出电压反馈到 NE5534 的输入级的反向输入端,当同相输入 IN+和反向输入端IN-有差别是,调整输出电压使之趋于稳定,从而达到调整输出电压的目的。
2.5 电路调试
调节步骤如下:
2.5.1 输入数字 00000000,短接 Re1、Re、Rf 调运放调零电位器 Rw,用数字万用表检测,使输出电压 V o=01mV。
2.5.2 输入数字 10011001,调整 Re1、Re2、Rf 使输出电压 V o 达到预定的满量程 9.9V。
2.5.3 主要技术指标
本文所设计数控直流电源的电压输出范围为 0~9.9V,步进电压值为 0.1V,输出纹波电压不大于10mv,输出电流为 5A。
2.6 改进措施
本电源输出电压大小尚受限制,在需要较高输出电压时,在不改变调节精度(即步进电压值)前提下,只要增加计数器的级联数和相应 D/A转换器的个数,扩大数显指示范围,配合选用高电压输出运放,就能轻易地满足要求。当需要正负对称输出电压时,只要另增一组电源,对 D/A转换器及调整输出电路稍作改动即可达到目的
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