數控直流穩壓電源的設計與仿真

深圳信息職業技術學院電子與通信學院 周志文

數控直流穩壓電源的設計與仿真

深圳信息職業技術學院電子與通信學院 周志文

設計了一種數控直流穩壓電源。該電源包括:計數控制、譯碼顯示、數模轉換、穩壓輸出等部分。理論分析了直流穩壓電源的電路組成及工作原理,采用Multisim10軟件對電路特性進行了仿真分析。結果表明,數控直流穩壓電源輸出電壓的調節范圍為2.50～7.82V,步進電壓為0.31V。仿真結果與理論計算值相吻合。

直流穩壓電源;數控;設計;仿真

1 引言

直流穩壓電源是各類電子電路及儀器設備的重要組成部分,也是電子技術課程教學的主要內容,因此直流穩壓電源的研究得到了廣泛關注[1,2]。本文設計了一種數控直流穩壓電源,并對電路結構、特性進行了理論分析和實驗仿真。簡單的數控直流穩壓電源,既可滿足生產、研究需要,又方便課堂教學。

2 電路組成

數控直流穩壓電源的組成框圖如圖1所示。主要包括:計數控制、譯碼顯示、數模轉換(D/A轉換)、穩壓輸出等部分組成。

計數控制:設計加減計數步進按鍵,并對步進按鍵的操作進行加減可逆計數,從而實現對直流穩壓電源輸出電壓的數字調節。

譯碼顯示:顯示可逆計數器的數值,方便觀察輸出電壓調整的序號。

數模轉換:將可逆計數器輸出的數字信號轉為模擬信號。

穩壓輸出:將數模轉換的模擬信號進行穩壓輸出。

另外,數控直流穩壓電源還包括輸入電源的設計。市電經過變壓、整流和濾波后給上述各部分電路供電。

圖1 數控直流穩壓電源的組成框圖

3 電路設計

3.1 計數控制電路[3]

計數控制電路如圖2所示。包括由兩個與非門構成的RS觸發器和一個74LS190D可逆計數器。當單刀雙擲開關J1改變連接位置時,RS觸發器產生脈沖,并把脈沖輸出送給計數器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轉換電路。

計數控制電路的核心是可逆計數器74LS190D的使用。 74LS190D是單時鐘十進制同步可逆計數器。74LS190D的引腳功能為:CLK為時鐘信號,～U/D為加/減計數控制信號,～CTEN為計數使能信號,～LOAD為置數控制信號, A、B、C、D為預置數輸入信號, QA、QB、QC、QD為計數輸出信號。時鐘信號CLK由與非門U1A和U1B構成的RS觸發器產生。加/減計數控制信號～U/D由開關J2產生。當～CTEN為低電平,～LOAD為高電平時可以計數。其中,～U/D為低電平,為加計數;～U/D為高電平,為減計數。 74LS190D具有異步預置數的功能。當置數信號～LOAD為低電平時,不管時鐘脈沖的狀態如何,將立即把預置數A、B、C、D的狀態置入計數器的輸出端QA、QB、QC、QD。在此把～LOAD接高電平,取消異步預置數功能。

圖2 計數控制電路圖

3.2 譯碼顯示電路

譯碼顯示電路如圖3所示。計數器74LS190D的輸出信號QA、QB、QC、QD由共陰數碼管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轉換電路[4]

D/A轉換電路如圖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算放大器μA741構成,四位輸入端接可逆計數器74LS190D的輸出端QA、QB、QC、QD。反相器也是由μA741構成,目的是將加法器的信號反相(改變正負號)。

圖4 D/A轉換電路

根據運算放大器的"虛短"、"虛斷"原理,可得到輸出電壓Ux的表達式:

根據圖4所示各電阻的取值,計數器輸出端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,結果見表1.

3.4 穩壓輸出電路[4]

穩壓輸出電路如圖5所示。由比較器U7和三端穩壓器U8組成。比較器由運算放大器μA741構成,三端穩壓器為LM7805,輸出電壓和最大輸出電流由其決定。D/A轉換電路的輸出電壓Ux與三端穩壓器的輸出電壓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,進行仿真分析,采用虛擬儀器示波器和電壓電流表進行測量。圖7和圖8為有代表性的測試結果。圖7為n=0.5,序列為0時的輸出電壓波形和測試結果。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果。測得直流電壓為6.138V,紋波為13.7μV。與表2相比較,測量結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 結論

設計了一種數控直流穩壓電源。該電源的組成部分包括:計數控制、數模轉換、顯示譯碼、穩壓輸出等。理論分析了該直流穩壓電源的電路組成及工作原理,采用Multisim10對電路特性進行仿真分析。直流穩壓電源輸出電壓范圍為2.50～7.82V,步進電壓為0.31V。與傳統的穩壓電源相比,本設計的電源具有操作方便,電壓穩定度高等特點,滿足實際生產、研究的需要。另外,此設計只運用模擬電子和數字電子技術的知識,方便應用于實際教學中。

[1]寸彥萍,楊長保。直流穩壓電源及漏電保護裝置設計[J]。實驗技術與管理,2015(7):99-103.

[2]趙賀。一種實用可調直流穩壓電源電路的設計[J]。自動化與儀器儀表,2015(2):23-24.

[3]閻石。數字電子技術[M]。北京:清華大學出版社,2006:259-321.

[4]童詩白。模擬電子技術[M]。北京:高等教育出版社,2006:513-534.

[5]程建峰。基于Multisim信號產生電路的仿真分析[J]。自動化與儀器儀表,2015(4):205-206.

周志文(1982-),男,博士,副教授,主要研究方向為電子技術和光電子技術。

廣東省高等學校優秀青年教師項目(Yq2014123)。