模擬課程設(shè)計課內(nèi)容之三

模擬課程設(shè)計課內(nèi)容之三第一頁，共三十七頁，編輯于2023年，星期日3精度：靜態(tài)誤差≤1%FSR，紋波≤10mV；4顯示：輸出電壓值由LED數(shù)碼管顯示；5電壓調(diào)整：由“+”、“-”兩鍵分別控制輸出電壓的步進(jìn)增減；6輸出電壓預(yù)置：輸出電壓可預(yù)置在0～9.9V之間的任意一個值；7其他：自制電路工作所需的直流穩(wěn)壓電源，輸出電壓為±15V，+5V。第二頁，共三十七頁，編輯于2023年，星期日三、具體要求1.總體框圖針對設(shè)計任務(wù)所提出的要求和條件，可以用具有一定功能的若干單元方框圖構(gòu)成一個總方框圖，并將系統(tǒng)的性能指標(biāo)分配到各單元方框中去。一般來說，不太可能用某種簡單結(jié)構(gòu)一下子滿足總體功能要求，這就需要進(jìn)行功能分解。總功能可分解成若干子功能，子功能還可以進(jìn)一步分解，直到功能元素，這樣就形成了第三頁，共三十七頁，編輯于2023年，星期日所謂功能結(jié)構(gòu)。在分解過程中得到的每一個基本功能元素，至少可用一個能滿足其功能的方案去實現(xiàn)。如果將有關(guān)功能元素進(jìn)行不同組合，則可得到不同聯(lián)法的多種系統(tǒng)方案，逐一分析每個方案的可行性和優(yōu)缺點(diǎn)，再加以比較、優(yōu)化、篩選，就可得到較理想的系統(tǒng)方案。2.單元電路設(shè)計根據(jù)選定的方案對單元電路進(jìn)行設(shè)計，選擇合適的器件，將總體性能指標(biāo)分解并落實到關(guān)鍵的器件上，寫出器件的選擇依據(jù)以及第四頁，共三十七頁，編輯于2023年，星期日參數(shù)的計算和校核過程。3.總體邏輯圖在單元電路設(shè)計的基礎(chǔ)上，畫出數(shù)控直流穩(wěn)壓電源的總體邏輯圖。要求將圖畫在毫米方格紙上，并標(biāo)出器件的型號、阻容元件的參數(shù)及關(guān)鍵點(diǎn)的技術(shù)指標(biāo)。4.安裝根據(jù)總體邏輯圖列出元器件明細(xì)表，領(lǐng)取元器件。在實驗電路板上設(shè)計總體布線，焊接元器件和導(dǎo)線。要求布線簡潔、整齊，焊接可靠。第五頁，共三十七頁，編輯于2023年，星期日5.調(diào)試先進(jìn)行單元電路調(diào)試，然后進(jìn)行分塊聯(lián)調(diào)，最后是總體調(diào)試。調(diào)試時要詳細(xì)記錄調(diào)試過程中出現(xiàn)的異?，F(xiàn)象和改進(jìn)措施、電路設(shè)計或電路參數(shù)的修改原因、修改結(jié)果，并將調(diào)試記錄寫入設(shè)計報告中。6.指標(biāo)測試調(diào)試完成后應(yīng)對電路的性能指標(biāo)作最終測試和校核，并將電路實際達(dá)到的指標(biāo)與校核數(shù)據(jù)記錄下來，寫入設(shè)計報告中。第六頁，共三十七頁，編輯于2023年，星期日7.精度分析精度指標(biāo)是數(shù)控直流穩(wěn)壓電源的一個重要指標(biāo)，應(yīng)從理論上分析造成誤差的原因，并提出改進(jìn)的設(shè)想。8.設(shè)計報告將上述內(nèi)容整理成完整的設(shè)計報告，總結(jié)本次設(shè)計的收獲、存在的問題，并對選題、設(shè)計和調(diào)試過程中的指導(dǎo)等方面提出改進(jìn)意見等。第七頁，共三十七頁，編輯于2023年，星期日3.2總體方案的確定根據(jù)系統(tǒng)功能及技術(shù)要求，系統(tǒng)可由按鍵、數(shù)控部分、輸出電路、過流保護(hù)、顯示及穩(wěn)壓電源等六個部分組成，如圖3.1所示。操作人員通過按鍵對系統(tǒng)發(fā)出電壓調(diào)整指令，該指令與輸出電路的狀態(tài)信號一起送入數(shù)控部分，經(jīng)處理后產(chǎn)生符合指令要求的輸出電壓信號，并經(jīng)輸出電路功率驅(qū)動后輸出。當(dāng)輸出電路的輸出電流超過極限值時，由過流保護(hù)電路產(chǎn)生的信號送入數(shù)控部分，關(guān)閉系統(tǒng)的電壓輸出，對系統(tǒng)的輸出電路進(jìn)行保護(hù)。另外，數(shù)控部分還第八頁，共三十七頁，編輯于2023年，星期日產(chǎn)生顯示信息送入顯示部分，將輸出電壓或其他信息報告給操作人員。系統(tǒng)工作所需的±15V，+5V電源由自制穩(wěn)壓電源提供。顯示數(shù)控部分輸出電路自制穩(wěn)壓電源過流保護(hù)按鍵圖3.1數(shù)控直流穩(wěn)壓電源原理框圖第九頁，共三十七頁，編輯于2023年，星期日3.3單元電路設(shè)計要點(diǎn)本節(jié)只對數(shù)控直流穩(wěn)壓電源的主要功能模塊（單元電路）進(jìn)行方案論證，具體單元電路的選擇、細(xì)化及總體電路，讀者可根據(jù)方案論證的內(nèi)容自己完成。一、按鍵輸入/模擬電壓量輸出根據(jù)系統(tǒng)要求，用戶操作“+”、“-”按鍵實現(xiàn)對輸出電壓幅值進(jìn)行控制。從3.1的原理框圖可知，按鍵輸入到模擬電壓量的輸出轉(zhuǎn)換功能是由數(shù)控部分完成的，要實現(xiàn)按鍵輸入到模擬電壓量的輸出轉(zhuǎn)換，其數(shù)控部分可由以下兩種方式完成：第十頁，共三十七頁，編輯于2023年，星期日1.用計數(shù)器實現(xiàn)步進(jìn)輸入此方案采用一套二進(jìn)制計數(shù)器和D/A轉(zhuǎn)換器實現(xiàn)輸入按鍵到模擬電壓量的轉(zhuǎn)換功能，如圖3.2所示。二進(jìn)制計數(shù)器D/A轉(zhuǎn)換器輸出電路電壓預(yù)置步進(jìn)加步進(jìn)減圖3.2用計數(shù)器實現(xiàn)步進(jìn)輸入原理框圖第十一頁，共三十七頁，編輯于2023年，星期日“+”、“-”按鍵的操作分別接入可逆二進(jìn)制計數(shù)器的加法和減法計數(shù)脈沖輸入端，從而改變了二進(jìn)制計數(shù)器的輸出數(shù)碼，并通過D/A轉(zhuǎn)換器將數(shù)字信號轉(zhuǎn)換為模擬電壓量，然后送到輸出電路作進(jìn)一步處理。2.用單片機(jī)實現(xiàn)步進(jìn)輸入此方案采用單片機(jī)作控制，如圖3.3所示。單片機(jī)接受來自按鍵或鍵盤的信息，經(jīng)處理后形成數(shù)字量輸出到D/A轉(zhuǎn)換器，再由D/A轉(zhuǎn)換器將數(shù)字信號轉(zhuǎn)換為模擬電壓量，送輸出電路作進(jìn)一步處理第十二頁，共三十七頁，編輯于2023年，星期日單片機(jī)鍵盤接口電壓預(yù)置鍵盤或按鍵D/A轉(zhuǎn)換器輸出電路3.3用單片機(jī)實現(xiàn)步進(jìn)輸入原理框圖

第十三頁，共三十七頁，編輯于2023年，星期日二、電壓信號功率放大按技術(shù)要求，系統(tǒng)輸出電流最大達(dá)500mA。由于D/A轉(zhuǎn)換輸出的模擬電壓信號一般只有幾個毫安電流驅(qū)動能力，因此必須通過輸出電路中的功率放大部分將電流驅(qū)動能力提高到500mA以上。實現(xiàn)電壓信號功率放大的方案有如下幾種：

1.采用分立元件構(gòu)成功率放大電路此方案采用分立元件構(gòu)成功率放大電路。但隨著集成技術(shù)的發(fā)展，構(gòu)成功率放大器的單元第十四頁，共三十七頁，編輯于2023年，星期日2.采用運(yùn)放加功率器件構(gòu)成功率放大電路電路已經(jīng)很少全部采用分立元件了，因此這里不作進(jìn)一步討論。此方案在電壓放大級采用集成運(yùn)放，功率放大級采用分立元件進(jìn)行功率擴(kuò)展，原理如圖3.4所示。通過改變集成運(yùn)放的外接電阻R1，R2，系統(tǒng)可以方便地改變輸出電壓的調(diào)整范圍；通過改變功放級分立元件的輸出功率，也可以方便地改變系統(tǒng)輸出的電流驅(qū)動能力。因此，此方案比較實用、靈活。第十五頁，共三十七頁，編輯于2023年，星期日互補(bǔ)對稱功放級負(fù)載AR1R2ViVo﹢﹣圖3.4集成運(yùn)放功率擴(kuò)展原理框圖第十六頁，共三十七頁，編輯于2023年，星期日3.采用集成功率放大器此方案采用集成功率放大器。集成功率放大器將運(yùn)算放大器的輸出級改為復(fù)合管形式，以增大輸出電流。但由于受到集成工藝的限制。集成功放中的某些元器件仍只能留待外接。尤其是為了使用方便，在制造集成功放時，常常有意留下若干接線端供應(yīng)用時靈活連接。因此，使用集成功率放大器時必須注意正確連接。第十七頁，共三十七頁，編輯于2023年，星期日4.采用集成穩(wěn)壓器件此方案采用集成穩(wěn)壓器。如圖3.5所示，集成穩(wěn)壓器7805原本是輸出固定電壓+5V的器件，其輸出端與基準(zhǔn)點(diǎn)之間的電壓固定為+5V。但是，只要外接電路改變基準(zhǔn)點(diǎn)的電壓值，則其輸出電壓也跟隨發(fā)生改變。實踐證明：這種可調(diào)穩(wěn)壓輸出具有良好的負(fù)載特性，輸出最大負(fù)載電流達(dá)1.5A，且內(nèi)部還集成了過流保護(hù)和過熱保護(hù)等電路，因此完全能滿足本例技術(shù)要求，且具有較高性能/價格比。第十八頁，共三十七頁，編輯于2023年，星期日7805電壓偏移+15VVoD/A轉(zhuǎn)換器基準(zhǔn)點(diǎn)圖3.5用集成穩(wěn)壓器組成功率放大電路需要注意的是，系統(tǒng)要求輸出電壓范圍為0～9.9V，因此7805基準(zhǔn)點(diǎn)電壓范圍應(yīng)控制在-5V～+5V之間，而D/A轉(zhuǎn)換器應(yīng)采用雙極性輸出，或者采用電壓偏移電路將單極性輸出轉(zhuǎn)為雙極性輸出。第十九頁，共三十七頁，編輯于2023年，星期日三、過流保護(hù)過流保護(hù)電路的功能是當(dāng)輸出電流因負(fù)載的變化而超過設(shè)定值(500mA)時產(chǎn)生保護(hù)作用，使輸出電壓降低或完全關(guān)閉輸出，以保護(hù)輸出電路不會因過流、過熱而造成永久性損壞。過流保護(hù)電路可有下列幾種方案：1.利用三極管的導(dǎo)通特性此方案利用三極管導(dǎo)通時基極—發(fā)射極之間電壓差VBE≈0.7V的特性，當(dāng)采樣電阻上因負(fù)載電流增加而使壓降大于0.7V時使三極管導(dǎo)通，產(chǎn)生過流保護(hù)信號。第二十頁，共三十七頁，編輯于2023年，星期日此信號可直接接輸出驅(qū)動管，限制輸出電流的繼續(xù)增加，也可以送入數(shù)控部分，經(jīng)處理后切斷輸出電壓信號，如圖3.6所示。互補(bǔ)對稱功放級去數(shù)控電路RsVoR1R2-15V圖3.6用三極管作過流保護(hù)電路原理圖第二十一頁，共三十七頁，編輯于2023年，星期日2.用電壓比較器輸出電路+-ARs+15VVoVsR1去數(shù)控部分﹢﹣圖3.7用電壓比較器作過流保護(hù)電路原理圖第二十二頁，共三十七頁，編輯于2023年，星期日此方案利用電壓比較器，當(dāng)采樣電阻壓降達(dá)到某個設(shè)定值時，比較器輸出信號發(fā)生翻轉(zhuǎn)，起到過流保護(hù)的作用。其原理如圖3.7所示，當(dāng)電壓比較器同相輸入端電壓比VO高出Vs(即Rs上的壓降達(dá)到Vs)時，電壓比較器輸出信號發(fā)生翻轉(zhuǎn)。同樣，該信號經(jīng)處理后可直接控制輸出電路的輸出，也可送到數(shù)控部分，由數(shù)控部分切斷整個電路的輸出，實現(xiàn)保護(hù)功能。第二十三頁，共三十七頁，編輯于2023年，星期日3.采用A/D轉(zhuǎn)換器此方案先將采樣電阻兩端壓差用差分放大電路處理后送A/D轉(zhuǎn)換器，轉(zhuǎn)換的結(jié)果送入單片機(jī)系統(tǒng)，由單片機(jī)系統(tǒng)通過軟件判斷輸出回路的負(fù)載電流情況，如圖3.8所示。當(dāng)負(fù)載電流大于設(shè)定值時，由軟件控制D/A轉(zhuǎn)換器，切斷整個電路的輸出。這個方案的優(yōu)點(diǎn)是過流點(diǎn)的設(shè)置可由軟件完成，調(diào)整比較靈活，缺點(diǎn)是需要增加差分放大電路和A/D轉(zhuǎn)換器，硬件略顯復(fù)雜。另外，用多輸入通道的A/D轉(zhuǎn)換器直接將采樣電阻兩端的電壓值采入單片機(jī)系統(tǒng)后，第二十四頁，共三十七頁，編輯于2023年，星期日也可用軟件的方法求差獲得采樣電阻的壓差，在硬件上可以省去差分放大電路。差分放大電路輸出電路RsVoA/D轉(zhuǎn)換器單片機(jī)系統(tǒng)D/A轉(zhuǎn)換器圖3.8用差分放大器和A/D轉(zhuǎn)換器作過流保護(hù)電路原理圖第二十五頁，共三十七頁，編輯于2023年，星期日四、輸出電壓顯示輸出電壓的顯示可以顯示電壓的設(shè)定值，也可按實測的輸出電壓進(jìn)行顯示，或者將設(shè)定值與實測值同時顯示出來。當(dāng)只顯示設(shè)定值或?qū)崪y值時可用2位或3位LED數(shù)碼管，顯示范圍為0.0～9.9V或0.00～9.99V。輸出電壓顯示實現(xiàn)電路可采用以下幾種方式：第二十六頁，共三十七頁，編輯于2023年，星期日1.采用計數(shù)器作數(shù)控時顯示計數(shù)值當(dāng)采用計數(shù)器作數(shù)控部分控制芯片時，由于其計數(shù)值是以二進(jìn)制形式出現(xiàn)的，因此不能直接用于譯碼顯示電路，而必須將按鍵輸入的信號同時送入十進(jìn)制計數(shù)器。再由十進(jìn)制計數(shù)器的輸出結(jié)果經(jīng)譯碼、驅(qū)動后送LED數(shù)碼管顯示，如圖3.9(a)所示。另外，也可將二進(jìn)制計數(shù)器的輸出結(jié)果送入EPROM，經(jīng)查表獲得十進(jìn)制的計數(shù)值，再送入譯碼顯示電路，如圖3.9(b)所示。第二十七頁，共三十七頁，編輯于2023年，星期日十進(jìn)制計數(shù)器按鍵二進(jìn)制計數(shù)器D/A轉(zhuǎn)換器譯碼顯示按鍵二進(jìn)制計數(shù)器D/A轉(zhuǎn)換器譯碼顯示EPROM(a) (b)圖3.9計數(shù)器作控制的輸出電壓顯示電路第二十八頁，共三十七頁，編輯于2023年，星期日2.采用單片機(jī)作數(shù)控時由軟件完成顯示控制當(dāng)采用單片機(jī)作數(shù)控部分控制芯片時，單片機(jī)可由軟件完成按鍵輸入、計數(shù)、二進(jìn)制——十進(jìn)制轉(zhuǎn)換，顯示譯碼等工作，因此輸出顯示電路只需由單片機(jī)、驅(qū)動、LED顯示等3部分組成，硬件電路十分簡單。單片機(jī)作控制時的輸出電壓顯示電路如圖3.10所示。第二十九頁，共三十七頁，編輯于2023年，星期日按鍵驅(qū)動單片機(jī)LED顯示圖3.10單片機(jī)作控制時輸出電壓顯示電路3.采用A/D轉(zhuǎn)換器上述兩種方案都是顯示輸出電壓的設(shè)定值，而實際輸出電壓值可能會因負(fù)載的變化及控制誤差，而與設(shè)定的輸出電壓值不一致，此時顯示輸出電壓的實際值比顯示輸出電壓的設(shè)定值更有意義。第三十頁，共三十七頁，編輯于2023年，星期日為了顯示輸出電壓的實際值，必須對輸出電壓進(jìn)行采樣并通過A/D轉(zhuǎn)換變?yōu)閿?shù)字量。在有單片機(jī)的系統(tǒng)中，該數(shù)字量通過單片機(jī)系統(tǒng)的軟件處理后送往顯示器顯示，如圖3.11(a)所示；在用計數(shù)器作數(shù)控部分的系統(tǒng)中，則首先應(yīng)將該數(shù)字量轉(zhuǎn)換成十進(jìn)制數(shù)，然后才能送往顯示部分進(jìn)行顯示，如圖3.11(b)所示。第三十一頁，共三十七頁，編輯于2023年，星期日采樣A/D轉(zhuǎn)換器顯示單片機(jī)輸出電路EPROM顯示A/D轉(zhuǎn)換器采樣輸出電路圖3.11輸出電壓實際值的顯示電路原理框圖(a) (b)第三十二頁，共三十七頁，編輯于2023年，星期日五、輸出電壓預(yù)置輸出電壓預(yù)置使系統(tǒng)具有開機(jī)自動輸出預(yù)置電壓的功能。要實現(xiàn)輸出電壓預(yù)置的功能，可以采用以下幾種方案：1.由拔碼盤或微型開關(guān)設(shè)定預(yù)置值在單片機(jī)系統(tǒng)中，可以使用撥碼盤或微型開關(guān)來設(shè)定預(yù)置值。在系統(tǒng)中撥碼盤或微型開關(guān)輸出的都是開關(guān)量，不同的是撥碼盤的輸出數(shù)據(jù)以BCD碼形式出現(xiàn)，而微型開關(guān)只能以二進(jìn)制碼的形式出現(xiàn)。當(dāng)系統(tǒng)上電工作時，單片機(jī)通過軟件將預(yù)置值讀入系統(tǒng)內(nèi)部，并根據(jù)該第三十三頁，共三十七頁，編輯于2023年，星期日預(yù)置值對輸出電壓進(jìn)行初始化，完成輸出電壓預(yù)置輸出的功能。對于數(shù)控部分由計數(shù)器完成的系統(tǒng)來說，撥碼盤或微型開關(guān)的預(yù)置值要在系統(tǒng)上電時裝入計數(shù)器，就必須利用上電復(fù)位信號產(chǎn)生一個裝載信號脈沖，將預(yù)置值裝入計數(shù)器。另外撥碼盤輸出的BCD碼數(shù)據(jù)裝入十進(jìn)制計數(shù)器后也必須先轉(zhuǎn)換成二進(jìn)制數(shù)，然后才能用于控制輸出電路。第三十四頁，共三十七頁，編輯于2023年，星期日2.由鍵盤輸入預(yù)置值并存入E2PROM在有單片機(jī)的系統(tǒng)中可以使用鍵盤輸入電壓預(yù)置值，并將該預(yù)置值保存于E２PROM等具