任务名称
1994年_A题 - 简易数控直流电源
任务要求
难度

一、设计任务
设计出有一定输出电压范围和功能的数控电源。其原理示意图如下:


二、设计要求
1.基本要求
(1)输出电压:范围 0~+9.9V,步进 0.1V,纹波不大于 10mV;
(2)输出电流:500mA;
(3)输出电压值由数码管显示;
(4)由“+”、“-”两键分别控制输出电压步进增减;
(5)为实现上述几部件工作,自制一稳压直流电源,输出±15V,+5V。
2.发挥部分
(1)输出电压可预置在 0~9.9V 之间的任意一个值;
(2)用自动扫描代替人工按键,实现输出电压变化(步进 0.1V 不变);
(3)扩展输出电压种类(比如三角波等)。

评审标准

参考答案

GPT-4o给出的方案:


一、系统总览

系统由以下几个模块组成:

  1. 自制稳压电源
  2. 数字控制部分
  3. 输出电路
  4. 数字显示部分
  5. 按键输入部分

二、详细设计:

1. 自制稳压电源:

  • 输入:220V AC
  • 输出:±15V DC, +5V DC
  • 使用变压器将220V AC降压,整流电路将交流电转为直流电,再通过稳压电路提供所需的±15V和+5V直流电压。

2. 数字控制部分:

  • 核心控制器:使用一个微控制器(如STM32)
  • 电压设置:通过微控制器控制DAC(数字-模拟转换器),输出0-9.9V的电压。
  • 电流控制:基于PWM(脉冲宽度调制)技术,通过稳压电路调整电流。

3. 输出电路:

  • 使用一个运算放大器或者可变稳压器(如LM317/LM337),其控制输入由DAC输出电压提供。
  • 加上必要的滤波和保护电路(如电容滤波、浪涌保护)。

4. 数字显示部分:

  • 电压显示:通过微控制器读取DAC的数值,转换为实际电压,通过数码管或LCD显示屏显示。
  • 电流显示:通过电流检测电路(如取样电阻和运放电路)将流过的电流信号转换为电压信号,由ADC(模拟-数字转换器)读取并显示。

5. 按键输入部分:

  • 使用“+”、“-”键分别增加与减小输出电压,步进为0.1V。
  • 每次按键操作通过中断触发微控制器进行相应计算和DAC输出调整。

三、参考电路示例

1. 自制稳压电源电路

220V AC --- 变压器 --- 整流桥 --- 滤波电容 --- LM7815/7915(±15V)--- 电容滤波 --- 输出±15V DC
220V AC --- 变压器 --- 整流桥 --- 滤波电容 --- LM7805(+5V)--- 电容滤波 --- 输出+5V DC

2. 数字控制DAC电路

微控制器 --- SPI/I2C --- DAC --- 滤波电路 --- 可变稳压器输入

3. 输出控制电路

DAC输出电压 --- 运算放大器 --- 负载输出
电流检测电阻 --- 运算放大器 --- ADC

四、软件控制方法

  • 初始化系统,设置初始电压为0V;
  • 按键中断:检测“+”或“-”按键,每次按键增加或减小0.1V,通过DAC更新输出;
  • 实时电压、电流显示:微控制器周期性读取ADC值,更新数码管或LCD显示;
  • 电压和电流超范围保护:通过软件设置阈值,当超范围时,关闭输出并报警。

五、实现方法

  1. 使用稳压电源模块和运算放大器进行硬件电压控制。
  2. 编写微控制器软件,处理按键输入,控制DAC输出,以及实时更新显示。
  3. 进行多次调试和验证,确保输出电压和电流的稳定性和准确度。

这个题目考察的知识点:

  1. 直流电源设计:需要设计一个具有可控输出电压和电流的直流电源,包括稳压功能,以确保输出稳定。
  2. 数控技术:使用数字控制部分,通过按键输入实现对电压的精确控制,考察数模转换(DAC)和微控制单元(MCU)的应用。
  3. 信号处理:实现输出电压的数字显示,需要掌握ADC(模数转换)和数码显示电路设计。
  4. 自动控制:考察自动化调节电压功能的实现,替代人工操作,扩展功能要求考察三角波等信号生成电路。
  5. 电路集成:将各种功能模块(稳压电源、数控部分、显示模块、输出电路)有机结合,形成一个综合性电子系统。
  6. 硬件接口:涉及不同模块之间的信号连接和接口设计。
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