数控直流稳压电源的设计与仿真

深圳信息职业技术学院电子与通信学院 周志文

数控直流稳压电源的设计与仿真

深圳信息职业技术学院电子与通信学院 周志文

设计了一种数控直流稳压电源。该电源包括:计数控制、译码显示、数模转换、稳压输出等部分。理论分析了直流稳压电源的电路组成及工作原理,采用Multisim10软件对电路特性进行了仿真分析。结果表明,数控直流稳压电源输出电压的调节范围为2.50～7.82V,步进电压为0.31V。仿真结果与理论计算值相吻合。

直流稳压电源;数控;设计;仿真

1 引言

直流稳压电源是各类电子电路及仪器设备的重要组成部分,也是电子技术课程教学的主要内容,因此直流稳压电源的研究得到了广泛关注[1,2]。本文设计了一种数控直流稳压电源,并对电路结构、特性进行了理论分析和实验仿真。简单的数控直流稳压电源,既可满足生产、研究需要,又方便课堂教学。

2 电路组成

数控直流稳压电源的组成框图如图1所示。主要包括:计数控制、译码显示、数模转换(D/A转换)、稳压输出等部分组成。

计数控制:设计加减计数步进按键,并对步进按键的操作进行加减可逆计数,从而实现对直流稳压电源输出电压的数字调节。

译码显示:显示可逆计数器的数值,方便观察输出电压调整的序号。

数模转换:将可逆计数器输出的数字信号转为模拟信号。

稳压输出:将数模转换的模拟信号进行稳压输出。

另外,数控直流稳压电源还包括输入电源的设计。市电经过变压、整流和滤波后给上述各部分电路供电。

图1 数控直流稳压电源的组成框图

3 电路设计

3.1 计数控制电路[3]

计数控制电路如图2所示。包括由两个与非门构成的RS触发器和一个74LS190D可逆计数器。当单刀双掷开关J1改变连接位置时,RS触发器产生脉冲,并把脉冲输出送给计数器74LS190D的时钟端CLK。74LS190D的输出端将把信号传递给译码显示电路和D/A转换电路。

计数控制电路的核心是可逆计数器74LS190D的使用。 74LS190D是单时钟十进制同步可逆计数器。74LS190D的引脚功能为:CLK为时钟信号,～U/D为加/减计数控制信号,～CTEN为计数使能信号,～LOAD为置数控制信号, A、B、C、D为预置数输入信号, QA、QB、QC、QD为计数输出信号。时钟信号CLK由与非门U1A和U1B构成的RS触发器产生。加/减计数控制信号～U/D由开关J2产生。当～CTEN为低电平,～LOAD为高电平时可以计数。其中,～U/D为低电平,为加计数;～U/D为高电平,为减计数。 74LS190D具有异步预置数的功能。当置数信号～LOAD为低电平时,不管时钟脉冲的状态如何,将立即把预置数A、B、C、D的状态置入计数器的输出端QA、QB、QC、QD。在此把～LOAD接高电平,取消异步预置数功能。

图2 计数控制电路图

3.2 译码显示电路

译码显示电路如图3所示。计数器74LS190D的输出信号QA、QB、QC、QD由共阴数码管U4显示出来,其中译码器U3为74LS48D。

图3 译码显示电路

3.3 D/A转换电路[4]

D/A转换电路如图4所示。该电路由一个四位反向加法器U5和一个反相器U6组成。其中反向加法器由运算放大器µA741构成,四位输入端接可逆计数器74LS190D的输出端QA、QB、QC、QD。反相器也是由µA741构成,目的是将加法器的信号反相(改变正负号)。

图4 D/A转换电路

根据运算放大器的"虚短"、"虚断"原理,可得到输出电压Ux的表达式:

根据图4所示各电阻的取值,计数器输出端QA、QB、QC、QD的高电平UH为5V,低电平UL为0V。在QD～DA输出为0000～1001时,计算得到Ux的值,结果见表1.

3.4 稳压输出电路[4]

稳压输出电路如图5所示。由比较器U7和三端稳压器U8组成。比较器由运算放大器µA741构成,三端稳压器为LM7805,输出电压和最大输出电流由其决定。D/A转换电路的输出电压Ux与三端稳压器的输出电压Uo反馈比较,决定最终的输出电压Uo。三端稳压器的输入电压为Ui,由市电得到。

表1 不同序列下的

其中,n=R15/R16.表2为理论计算输出电压Uo的值。

图5 稳压输出电路图

3.5 输入电源电路[4]

输入电源电路如图6所示。T1为变压器,D1为桥式全波整流器,C2是滤波电容。市电经过变压、整流、滤波后得到所需电压供各部分电路使用。

图6 输入电源电路图

表2 输出电压的理论计算值

图7 n=0.5,0序列时的输出电压

4 性能仿真

将上述各电路在Multisim[5]平台上连接,进行仿真分析,采用虚拟仪器示波器和电压电流表进行测量。图7和图8为有代表性的测试结果。图7为n=0.5,序列为0时的输出电压波形和测试结果。测得直流电压为3.323V,纹波为22.8µV。图8为n=0.5,序列为9时的输出电压波形和测试结果。测得直流电压为6.138V,纹波为13.7µV。与表2相比较,测量结果与理论计算值相吻合。

图8 n=0.5,9序列时的输出电压

5 结论

设计了一种数控直流稳压电源。该电源的组成部分包括:计数控制、数模转换、显示译码、稳压输出等。理论分析了该直流稳压电源的电路组成及工作原理,采用Multisim10对电路特性进行仿真分析。直流稳压电源输出电压范围为2.50～7.82V,步进电压为0.31V。与传统的稳压电源相比,本设计的电源具有操作方便,电压稳定度高等特点,满足实际生产、研究的需要。另外,此设计只运用模拟电子和数字电子技术的知识,方便应用于实际教学中。

[1]寸彦萍,杨长保。直流稳压电源及漏电保护装置设计[J]。实验技术与管理,2015(7):99-103.

[2]赵贺。一种实用可调直流稳压电源电路的设计[J]。自动化与仪器仪表,2015(2):23-24.

[3]阎石。数字电子技术[M]。北京:清华大学出版社,2006:259-321.

[4]童诗白。模拟电子技术[M]。北京:高等教育出版社,2006:513-534.

[5]程建峰。基于Multisim信号产生电路的仿真分析[J]。自动化与仪器仪表,2015(4):205-206.

周志文(1982-),男,博士,副教授,主要研究方向为电子技术和光电子技术。

广东省高等学校优秀青年教师项目(Yq2014123)。