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数控电流源
第一章设计任务和要求
1.1设计任务
设计一个数控电流源,能够输0mA、10mA、20mA、30mA、40mA、50mA、60mA、70mA共8个档位的电流,档位序号依次为0,1、2、3、4、5、6、7;
1.2设计要求
1)档位通过按键选择,同时将档位序号用LED显示;
2)电源:
220V/50HZ的工频交流电供电;
(注:
直流电源部分仅完成设计即可,不需制作,用实验室提供的稳压电源调试,但要求设计的直流电源能够满足电路要求)
3)按照以上技术要求设计电路,绘制电路图,对设计的电路用Multisim或OrCAD/PspiceAD9.2进行仿真,用万用板焊接元器件,制作电路,完成调试、测试,撰写设计报告。
4)发挥部分:
(1)增大输出电流能力;
(2)其它恰当的功能。
第二章系统设计
2.1分析技术要求
通过对题目的分析可知,数控电流源包括几个小的部分,分别是按键对输入脉冲的控制,译码器对LED的驱动和LED的显示,DA的转换部分,DA转换出来的是电流要通过运算放大器转换成电压,还有很重要的直流电流源部分。
2.2方案设计
通过学习数字电子技术和模拟电子技术,了解到数字方面的集成模块,模拟方面的电流源及运放的知识,还有通过浏览互联网上相干的内容和组内的讨论,定出初步的方案,经过老师的帮助最终得到较理想的方案。
方案一:
采用各类数字电路来组成键盘控制系统,进行信号处理,如选用单片机控制。
本方案电路复杂,还要经过软件的编程,难度较大,并且成本较高,调试空难。
方案二:
采用集成器件,通过按键产生脉冲信号,计数器(74LS192)的二进制数字输出分两路运行:
一路用于驱动数显电路,指示电源输出电流的大小值,LED输出(0、1、2、3、4、5、6、7)七个数字;另一路进入D/A转换电路,D/A转换器(DAC0832)将数字量按比例转换成模拟电流,再经过(LM324N)、电阻、三极管组成的恒流源部分,使其输出(0、10、20、30、40、50、60、70)mA八个档位的电流。
2.3系统方框图
图2-1系统方框图
2.4系统工作原理
给系统提供经整流得到的5V的直流电压,计数器工作在计数状态,每按一次键,给计数器施加一个脉冲,计数器得到二进制数,在经过译码器输出七路二进制数,驱动LED数码管显示。
再一路计数器输出的二进制数经DA器转换成模拟的电流量,在经过运放和电流源部分得到理想的结果。
按8次键一次显示0,1,2,3,4,5,6,7相应会得到电流8个值。
第三章单元电路设计
1)整流电路部分
电源电路采用三端集成线性稳压集成块,L7805CT,因为它的外围电路比较简单,并且工作比较稳定,很适合74系列的集成块。
它的稳压精度为2%,工作电流1.5A,封装为TO-220(A),工作温度也很不错,并且具有过温保护和短路保护,最大输入电压为35V,能对电路的长时间工作有很大的保障。
图3-1整流电路
这部分电路是将220v的交流电经整流桥及稳压器变成5v的直流稳压电。
2)显示部分
图3-2显示部分
3)模拟部分
图3-3模拟部分
第四章单元器件的选择及其功能
1)控制部分用到的是74LS192
其引脚图如下
图4-174LS192的引脚图
其功能主要是:
管脚图中,Q0、Q1、Q2、Q3为计数输出端;
DOWN为减脉冲输入端。
如果计数脉冲从该管脚输入,则输出结果为从0000—FFFF—FFFE—···—0000递减计数;
UP为加脉冲输入端。
如果计数脉冲从该管脚输入,则输出结果为从0000—0001—0010—···—FFFF递增计数;
CLR为清零端,当该管脚为高电平时,输出端清零,为0000;
LD为预置端,当该管脚为低电平时,输出端分别为输入端A、B、C、D的电平。
P1、P2、P3、P4用于为计数器预置初始计数值;
BO用于输出一个宽度等于减计数输入的脉冲,用于级联下级减计数。
CO用于输出一个宽度等于加计数输入的脉冲,用于级联下级加计数。
74LS192的功能表
表4-174LS192的功能表
2)译码器(CD4511)
CD4511引脚图及功能
CD4511是一个用于驱动共阴极LED(数码管)显示器的BCD码—七段码译码器,特点如下:
具有BCD转换、消隐和锁存控制、七段译码及驱动功能的CMOS电路能提供较大的拉电流。
可直接驱动LED显示器。
用CD4511实现LED与接口方法如下图:
其功能介绍如下:
BI:
4脚是消隐输入控制端,当BI=0时,不管其它输入端状态如何,七段数码管均处于熄灭(消隐)状态,不显示数字。
LT:
3脚是测试输入端,当BI=1,LT=0时,译码输出全为1,不管输入DCBA状态如何,七段均发亮,显示“8”。
它主要用来检测数码管是否损坏。
LE:
锁定控制端,当LE=0时,允许译码输出。
LE=1时译码器是锁定保持状态,译码器输出被保持在LE=0时的数值。
A1、A2、A3、A4、为8421BCD码输入端。
a、b、c、d、e、f、g:
为译码输出端,输出为高电平1有效。
CD4511的内部有上拉电阻,在输入端与数码管笔段端接上限流电阻就可工作。
1.CD4511的引脚
CD4511具有锁存、译码、消隐功能,通常以反相器作输出级,通常用以驱动LED。
其引脚图如3-2所示。
各引脚的名称:
其中7、1、2、6分别表示A、B、C、D;5、4、3分别表示LE、BI、LT;13、12、11、10、9、15、14分别表示 a、b、c、d、e、f、g。
左边的引脚表示输入,右边表示输出,还有两个引脚8、16分别表示的是VDD、VSS。
2.CD4511的工作原理
(1)锁存功能
译码器的锁存电路由传输门和反相器组成,传输门的导通或截止由控制端LE的电平状态。
当LE为“0”电平导通,TG2截止;当LE为“1”电平时,TG1截止,TG2导通,此时有锁存作用。
如图3-3
(2)译码
CD4511译码用两级或非门担任,为了简化线路,先用二输入端与非门对输入数据B、C进行组合,得出
、
、
、
四项,然后将输入的数据A、D一起用或非门译码。
(3)消隐
为消隐功能端,该端施加某一电平后,迫使B端输出为低电平,字形消隐。
消隐控制电路如图3-4所示。
消隐输出J的电平为J=(C+B)D+BI如不考虑消隐BI项,便得J=(B+C)D
据上式,当输入BCD代码从1010---1111时,J端都为“1”电平,从而使显示器中的字形消隐。
CD4511的功能如下:
输 入
输 出
LE
BI
LI
D
C
B
A
a
b
c
d
e
f
g
显示
X
X
0
X
X
X
X
1
1
1
1
1
1
1
8
X
0
1
X
X
X
X
0
0
0
0
0
0
0
消隐
0
1
1
0
0
0
0
1
1
1
1
1
1
0
0
0
1
1
0
0
0
1
0
1
1
0
0
0
0
1
0
1
1
0
0
1
0
1
1
0
1
1
0
1
2
0
1
1
0
0
1
1
1
1
1
1
0
0
1
3
0
1
1
0
1
0
0
0
1
1
0
0
1
1
4
0
1
1
0
1
0
1
1
0
1
1
0
1
1
5
0
1
1
0
1
1
0
0
0
1
1
1
1
1
6
0
1
1
0
1
1
1
1
1
1
0
0
0
0
7
0
1
1
1
0
0
0
1
1
1
1
1
1
1
8
0
1
1
1
0
0
1
1
1
1
0
0
1
1
9
0
1
1
1
0
1
0
0
0
0
0
0
0
0
消隐
0
1
1
1
0
1
1
0
0
0
0
0
0
0
消隐
0
1
1
1
1
0
0
0
0
0
0
0
0
0
消隐
0
1
1
1
1
0
1
0
0
0
0
0
0
0
消隐
0
1
1
1
1
1
0
0
0
0
0
0
0
0
消隐
0
1
1
1
1
1
1
0
0
0
0
0
0
消隐
1
1
1
X
X
X
X
锁 存
锁存
CD4511的真值表
3)数码管LED
(一)LED显示器结构
基本的半导体数码管是由七个条状发光二极管芯片按图12排列而成的。
可实现0~9的显示。
其具体结构有“反射罩式”、“条形七段式”及“单片集成式多位数字式”等
(1)反射罩式数码管一般用白色塑料做成带反射腔的七段式外壳,将单个LED贴在与反射罩的七个反射腔互相对位的印刷电路板上,每个反射腔底部的中心位置就是LED芯片。
在装反射罩前,用压焊方法在芯片和印刷电路上相应金属条之间连好φ30μm的硅铝丝或金属引线,在反射罩内滴入环氧树脂,再把带有芯片的印刷电路板与反射罩对位粘合,然后固化。
反射罩式数码管的封装方式有空封和实封两种。
实封方式采用散射剂和染料的环氧树脂,较多地用于一位或双位器件。
空封方式是在上方盖上滤波片和匀光膜,为提高器件的可靠性,必须在芯片和底板上涂以透明绝缘胶,这还可以提高光效率。
这种方式一般用于四位以上的数字显示(或符号显示)。
(2)条形七段式数码管属于混合封装形式。
它是把做好管芯的磷化镓或磷化镓圆片,划成内含一只或数只LED发光条,然后把同样的七条粘在日字形“可伐”框上,用压焊工艺连好内引线,再用环氧树脂包封起来。
(3)单片集成式多位数字显示器是在发光材料基片上(大圆片),利用集成电路工艺制作出大量七段数字显示图形,通过划片把合格芯片选出,对位贴在印刷电路板上,用压焊工艺引出引线,再在上面盖上“鱼眼透镜”外壳。
它们适用于小型数字仪表中。
(4)符号管、米字管的制作方式与数码管类似。
(5)矩阵管(发光二极管点阵)也可采用类似于单片集成式多位数字显示器工艺方法制作。
(二)LED显示器分类
(1)按字高分:
笔画显示器字高最小有1mm(单片集成式多位数码管字高一般在2~3mm)。
其他类型笔画显示器最高可达12.7mm(0.5英寸)甚至达数百mm。
(2)按颜色分有红、橙、黄、绿等数种。
(3)按结构分,有反射罩式、单条七段式及单片集成式。
(4)从各发光段电极连接方式分有共阳极和共阴极两种。
(三)LED显示器的参数
由于LED显示器是以LED为基础的,所以它的光、电特性及极限参数意义大部分与发光二极管的相同。
但由于LED显示器内含多个发光二极管,所以需有如下特殊参数:
1.发光强度比
由于数码管各段在同样的驱动电压时,各段正向电流不相同,所以各段发光强度不同。
所有段的发光强度值中最大值与最小值之比为发光强度比。
比值可以在1.5~2.3间,最大不能超过2.5。
2.脉冲正向电流若笔画显示器每段典型正向直流工作电流为IF,则在脉冲下,正向电流可以远大于IF。
脉冲占空比越小,脉冲正向电流可以越大。
图4-2共阴数码管结构
附:
这里提供数码管的测试方法:
同测试普通半导体二极管一样。
注意!
万用表应放在R×10K档,因为pR×1K档测不出数码管的正反向电阻值。
对于共阴极的数码管,红表笔接数码管的“-”,黑表笔分别接其他各脚。
测共阳极的数码管时,黑表笔接数码管的vDD,红表笔接其他各脚。
另一种测试法,用两节一号电池串联,对于共阴极的数码管,电池的负极接数码管的“-”,电池的正极分别接其他各脚。
对于共阳极的数码管,电池的正极接数码管的VDD,电池的负极分别接其他各脚,看各段是否点亮。
对于不明型号不知管脚排列的数码管,用第一种方法找到共用点,用第二种方法测试出各笔段a-g、Dp、H等。
数码管使用条件:
a、段及小数点上加限流电阻
b、使用电压:
段:
根据发光颜色决定;
小数点:
根据发光颜色决定
c、使用电流:
静态:
总电流80mA(每段10mA);动态:
平均电流4-5mA
峰值电流100mA
数字对应数码管显示控制转换字节
(共阴编码)
显示--HGFE,DCBA--编码
0--0011,1111--0x3F;
1--0000,0110--0x06;
2--0101,1011--0x5B;
3--0100,1111--0x4F;
4--0110,0110--0x66;
5--0110,1101--0x6D;
6--0111,1101--0x7D;
7--0000,0111--0x07;
8--0111,1111--0x7F;
9--0110,1111--0x6F;
共阳为编码取反即可,
接线为高低端口对应接法。
4)DA转换器(DAC0832)
DAC0832是采用CMOS工艺制成的单片直流输出型8位数/模转换器。
如图4-4所示,它由倒T型R-2R电阻网络、模拟开关、运算放大器和参考电压VREF四大部分组成。
运算放大器输出的模拟量V0为:
图4-4DAC0832的原理图
由上式可见,输出的模拟量与输入的数字量(
)成正比,这就实现了从数字量到模拟量的转换。
一个8位D/A转换器有8个输入端(其中每个输入端是8位二进制数的一位),有一个模拟输出端。
输入可有28=256个不同的二进制组态,输出为256个电压之一,即输出电压不是整个电压范围内任意值,而只能是256个可能值。
图4-5是DAC0832的逻辑框图和引脚排列。
图4-5dac0832的逻辑图及引脚图
D0~D7:
数字信号输入端。
ILE:
输入寄存器允许,高电平有效。
CS:
片选信号,低电平有效。
WR1:
写信号1,低电平有效。
XFER:
传送控制信号,低电平有效。
WR2:
写信号2,低电平有效。
IOUT1、IOUT2:
DAC电流输出端。
Rfb:
是集成在片内的外接运放的反馈电阻。
Vref:
基准电压(-10~10V)。
Vcc:
是源电压(+5~+15V)。
AGND:
模拟地NGND:
数字地,可与AGND接在一起使用。
DAC0832输出的是电流,一般要求输出是电压,所以还必须经过一个外接的运算放大器转换成电压。
实验线路如图4-6所示。
图4-6电流变成电压的原理图
IN0~IN7:
8路模拟信号输入端。
A1、A2、A0:
地址输入端。
ALE地址锁存允许输入信号,在此脚施加正脉冲,上升沿有效,此时锁存地址码,从而选通相应的模拟信号通道,以便进行A/D转换。
START:
启动信号输入端,应在此脚施加正脉冲,当上升沿到达时,内部逐次逼近寄存器复位,在下降沿到达后,开始A/D转换过程。
EOC:
转换结束输出信号(转换接受标志),高电平有效。
OE:
输入允许信号,高电平有效。
CLOCK(CP):
时钟信号输入端,外接时钟频率一般为640kHz。
Vcc:
+5V单电源供电。
、
Vref(+),Vref(-):
基准电压的正极、负极。
一般Vref(+)接+5V电源,Vref(-)接地。
D7~D0:
数字信号输出端。
由A2、A1、A0三地址输入端选通8路模拟信号中的任何一路进行A/D转换。
5)集成运放(LM324)
简介:
LM324系列器件为价格便宜的带有真差动输入的四运算放大器。
与单电源应用场合的标准运算放大器相比,它们有一些显著优点。
该四放大器可以工作在低到3.0伏或者高到32伏的电源下,静态电流为MC1741的静态电流的五分之一。
共模输入范围包括负电源,因而消除了在许多应用场合中采用外部偏置元件的必要性。
每一组运算放大器可用图1所示的符号来表示,它有5个引出脚,其中“+”、“-”为两个信号输入端,“V+”、“V-”为正、负电源端,“Vo”为输出端。
两个信号输入端中,Vi-(-)为反相输入端,表示运放输出端Vo的信号与该输入端的位相反;Vi+(+)为同相输入端,表示运放输出端Vo的信号与该输入端的相位相同
6)集成运放ua741
.这类单片硅集成电路器件提供输出短路保护和闭锁自由运作。
4bQ838电子-技术资料-电子元件-电路图-技术应用网站-基本知识-原理-维修-作用-参数-电子元器件符号这些类型还具有广泛的共同模式,差模信号范围和低失调电压调零能力与使用适当的电位。
4bQ838电子-技术资料-电子元件-电路图-技术应用网站-基本知识-原理-维修-作用-参数-电子元器件符号
uA741M,uA741I,uA741C芯片引脚和工作说明:
4bQ838电子-技术资料-电子元件-电路图-技术应用网站-基本知识-原理-维修-作用-参数-电子元器件符号
1和5为偏置(调零端),2为正向输入端,3为反向输入端,4接地,6为输出,7接电源8空脚
附三极管的管脚识别方法
1,三级管的在路测量,
(1).NPN管的电压正常是:
VC>VB>VE.其中PN结电压是0.5V左右,也就是:
VB>VE的电压是0.5V,明显大于2V或者VB∠VE,三极管是损坏,(注:
VC的电压大小是不固定的,看这个管的承受多大的内压)
(2).PNP管的电压正常是:
VE>VB>VC.其中PN结电压是0.5V左右,也就是:
VE>VB的电压是0.5V,明显大于2V或者VE∠VB,三极管是损坏,(VC的电压大小是不固定的,看偏置电路是要多大的电压,但一定适上面的VE>VB>VC电压的大小)
2.拆下来时的三极管测量(R*1K档来测量)
根据PN结的原理:
和二极管一样,正向电阻一边用万用表测是相通,对调红.黑笔反向来测是不通.拆下来时的三极管,
(1)NPN管:
任意测三极管的两个脚,当发现固定黑笔接的一脚不动,用红笔分别接另外两脚时,万用表的指针摆动,电阻是相同.反过来对调表笔,红笔固定的一脚不动,用黑笔分别接另外两脚时,万用表的指针不摆动,电阻是无穷大.哪确定;固定的一脚确定是b极(坏的三极管是对调表笔也是相通的)
.
(2)PNP管:
任意测三极管的两个脚,当发现固定红笔接的一脚不动,用黑笔分别接另外两脚时,万用表的指针摆动,电阻是相同.反过来对调表笔,黑笔固定的一脚不动,用红笔分别接另外两脚时,万用表的指针不摆动,电阻是无穷大.哪确定;固定的一脚确定是b极
3,(确定C极和E极)三极管好坏的判断(R*10K档来测量)
(1)(确定C极和E极)NPN好坏的判断:
上面已确定了B极,R*10K档来测量.用黑笔和红笔分别接触另外两极,保持红笔和黑笔现在状态不变用手指捏b极+红笔接的一极,发现指针摆动的幅度大,放大倍数大,黑笔接的是c极,红笔接的是e极(坏的三极管,用万用表的R*10K档来测量.红,黑笔测量c.e极,接法和二极管测量相同,一边相通,对调表笔另一边是不通,例如;R*10K档的黑笔接C极红笔接E极指针摆动一点,说明是漏电损坏.经验总结:
如果是好的三级管,用万用表的R*10K档来测量c.e电阻一边不通,极笔对调后,另一边是相通的有电阻,电阻大的和原来没有用过的同型号的三极管对比.B极E极输出电压偏低的.
(2)(确定C极和E极)PNP好坏的判断
R*10K档来测量.用黑笔和红笔分别接触另外两极保持红笔和黑笔现在状态不变用手指捏b极+黑笔接的一极,同时捏两极,发现指针摆动的幅度大,放大倍数大,黑笔接的是e极,红笔接的是c极(坏的三极管,用万用表的R*10K档来测量.红,黑笔测量c.e极,接法和二极管测量相同,一边相通,对调表笔另一边是不通,例如:
R*10K档的黑笔接E极红笔接极C指针摆动一点如果指针摆动一点,说明了是漏电是坏)
4bQ838电子-技术资料-电子元件-电路图-技术应用网站-基本知识-原理-维修-作用-参数-电子元器件符号
第五章系统仿真
1、电源部分:
5-1电源部分仿真
2、模拟部分:
5-2模拟部分仿真
仿真结果:
mV
mA
1094
70.003
937.5
60.087
781.3
50.086
625
40.086
489
30.005
312.5
20.085
156.3
10.084
0
0
3、数字部分:
图5-3数字部分仿真
第六章系统的焊接调试
在和焊接之前要看清板子的点的分布情况,以与底座的合理结合。
规划好底座的分布情况,以便达到很好的整体效果,还有分部好导线的走向,再焊的过程中把底座和引脚同时加热,以免有虚焊点,影响信号的流通。
在每焊完一小部分,就要调试,直到整体焊完,就会较容易调试,否则调试会遇到很大的麻烦,还有每个引脚不能短路到一块,这样容易烧芯片和电源。
在调试中遇到问题需要在焊接时,要断开电源。
在调试时首先要测定161出来的电平是否与显示的相一致,如果不一致,则可能的是线接错了。
调试完后再测量从0832出来的电流,完了再调试电流源部分,然后整体再调试
在调试中,我们遇到了许多的困难,先是数字部分不合适,显示乱跳,经过数次的检查,数字部分终于完全正确了,但是模拟部分还是不合适,先前还有零点几毫安的电流,经过多次的调试,电流反而成零了,最令人奇怪的是电阻两边的电压很大,所以我们不知道从何下手了,因此,我们决定重新焊一个板子,经过不计其数的尝试,终于达到了预期的效果。
附录
元器件明细表
变阻器:
(0——100)k
电阻:
10K、20K、56K、3k
计数器:
74LS192
译码器:
CD4511
集成运放:
LM324
显示器:
LED数码管
三极管:
ZTX869
数模转换器:
D/AC0832
开关
导线
参考文献
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高等教育出版社,2000,3
总结与体会
通过此次课程设计,我深刻理解了实践的重要性,平时我们缺少实践的机会,自以为自己的理论知识并不欠缺,仅仅缺少实践的机会,当时选题也是随
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- 关 键 词:
- 数控 电流