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毕业设计论文 数显直流稳压电源 系 别: 电子信息学院 专业名称: 电子科学与技术（IC 设计） 学 号: 学生姓名: 指导教师: 指导单位: 电子信息学院 完成时间: 2011 年 4 月 电子科技大学中山学院教务处制发 电子科技大学中山学院毕业设计（论文）任务书 题目名称数显直流稳压电源 设计（撰 写）内容 设计并制作交流变换为直流的稳定电源。 在输入电压 220V 频率 50Hz 的前提下： a: 输出直流电压可调范围 7V30V； b: 纹波电压（峰峰值）=220mv； c: 具有过流及过热保护功能； d: 用数字显示输出电压。 预期目标 通过设计数显直流稳压电源，掌握整流稳压、滤 波、A/D 转换、数码显示、数据记录的原理与实现方 法，掌握典型电源的结构设计与调试方法，为今后从 事电子技术工作打下良好基础。 成果形式 毕业设计论文及数显直流稳压电源一个 设计（撰 写）地点 电子科技大学中山学院 起止时间2010 年 11 月 29 日 至 2011 年 4 月 30 日 指导单位电子科技大学中山学院电子信息学院 指导教师闫林 2010 年 11 月 29 日 审核意见同意实施 审核签名 年 月 日 电子科技大学中山学院毕业设计（论文）成绩评定表 设计（撰写）过程 成绩 评语： 指导教师： 年 月 日 论文评阅 成绩 评语： 评阅教师： 年 月 日 论文答辩 成绩 评语： 答辩组长： 年 月 日 总分 审核人： 年 月 日 I 数显直流稳压电源 摘 要 当今社会电能已是不可或缺的重要能源之一，由此带动了大量用电器件和设备的广 泛使用。针对电器的广泛使用及对电源稳定性、安全性的要求越来越高的实际需求，设 计并实现了一套由交直流转换、整流滤波稳压、数字显示等模块组成的数显可调直流稳 压电源。 此设计将 220V 交流电压通过变压整流，经过滤波，实现从交流电压到不稳定的直流 电压的转变，再经过 LM317 稳压电路得到稳定的直流电压。此外，在 LM317 电路中可以 利用可调电阻，实现输出电压在 730V，扩展了此电源的使用范围。再经单片 A/D 转换 集成电路（ICL7107）直接驱动 LED 数码管，以 BCD 码方式在 LED 上显示，能显示 3 位的 测量电压，可视化的电压显示可以给使用带来方便及安全性，电压范围可精确到 0.1%。 关键词：直流电源；整流；滤波；稳压；数显；Protues 仿真 II Digital DC Power Supply Abstract In todays society power is already one of the indispensable important energy, which spurred lots of electricity devices and equipment widely used. Widely used in electronics and power supply reliability, safety and taller to the requirement of actual requirement, design and implement a set of ac/dc filter by converting, rectifier voltage, digital display modules digital display adjustable dc voltage stabilizer. This design will 220V ac voltage variable pressure rectification, pass through filtering, realize from the ac voltage to the unstable dc voltage change voltage circuit, and then after LM317 get stable dc voltage. In addition, in LM317 circuits can use variable resistor and achieve output voltage in 7 30V, expanding the scope of application of the power supply. Then after A/D conversion monolithic integrated circuit (ICL7107) direct drive with LED digital tube, BCD in LED display on way, can show three measurement voltages, visual voltage display can bring convenience and safety for use, voltage range accuracy can reach 0.1%. Keywords: dc power; Rectification; Filtering; Regulator; Digital display; Protues simulation III 目 录 1.绪论.1 1.1 项目背景 .1 1.2 项目主要任务 .2 2.数显直流稳压电源的总体设计.3 2.1 方案介绍与比较 .3 2.2 方案比较 .4 3.硬件设计.5 3.1 结构框图 .5 3.2 硬件选择与介绍 .5 3.2.1 变压器.5 3.2.2 1N4004、1N4007 二极管 .7 3.2.3 LM317T.8 3.2.4 ICL7107 芯片 .10 3.2.5 数码管.14 3.3 硬件模块设计 .16 3.3.1 交直流转换电路模块.16 3.3.2 集成稳压模块.18 3.3.3 显示模块.19 4.电路图及仿真.22 4.1 PROTEUS简介 .22 4.2 电路总图及仿真 .24 4.3 调试与纠正 .25 4.4 实物图 .26 结论 .28 致 谢 .29 参考文献 .30 1 1. 绪论 1.1 项目背景 电源可以说是整个用电器件的心脏。一个好的电源不仅仅可以使电器工作，还要确 保电源在电器长时间正常工作时的稳定性和安全性，稳压电源是电源的发展趋势。 1955 年美国的科学家罗那（G. H. Royer）首先研制成功了利用磁芯的饱和来进行自 激振荡的晶体管直流变换器。此后，直流变换器不断地被研制和涌现出来，从而取代了 早期采用的寿命短、可靠性差、转换效率低的旋转和机械设备。 60 年代，由于微电子技术的快速发展，高反压的晶体管出现了，从此直流变换器就 可以直接由市电经整流、滤波后输入，不再需要工频变压器降压了，从而极大地扩大了 应用范围,并在此基础上诞生了无工频降压变压器的开关电源。 70 年代以后，与这种技术有关的高频，高反压的功率晶体管、高频电容、开关二极 管、开关变压器的铁芯等元件也不断地研制和生产出来，使无工频变压器开关稳压电源 得到了飞速的发展，并且被广泛地应用于电子计算机、通信、航天、彩色电视机等领域。 而我国电源发展开始于 60 年代初期，到 60 年代中期进入实用阶段，70 年代初期开 始研制无工频降压变压器开关稳压电源。1974 年研制成功了无工频降压变压器开关净化 稳压电源。高频开关稳压电源 90 年代初期就已试制成功。目前正在走向实用阶段和再进 一步提高工作频率。目前我国的开关稳压电源技术与一些先进的国家相比仍有较大的差 距。由于我国半导体技术与工艺跟不上时代的发展，导致我们自己研制和生产出的无工 频变压器开关电源中的开关管大部分采用的仍是进口的晶体管。所以我国的开关净化稳 压电源事业要发展，要赶超世界先进水平，最根本的是要提高我国的半导体技术和工艺。 直流稳压电源是通过把交流电，变压、整流、滤波和稳压，从而使电压变成恒定的 直流电压，供给负载。设计出的直流稳压电源应满足不以电网电压的波动和负载的改变 而改变。直流稳压电源的种类很多，经常使用的是串联直流稳压电源，由于集成技术的 发展，集成稳压器件发展迅速，已逐步代替了串联直流稳压电源中的调整管及其电路。 而当今电源发展面临三大问题。由于电子设备的体积在不断地缩小，必须要研制出 效率更高、体积更小、重量更轻的开关变压器或者用其他东西取代开关变压器，使电源 能够满足电子仪器和设备微小型化的需要，这是目前正在克服的首要困难。而进一步研 制适应高频率工作的有关电路元器件，是要解决的第二个问题。克服在开关稳压电源中 的开关管工作在开关状态，其交变电压和电流会通过电路中的元件时，会产生较强的尖 峰干扰和谐振干扰，是第三个问题。 而在不久的将来这些问题肯定会被逐一解决，到那时，就不仅仅是电源的改革，整个 电器的改革，整个工业的改革，甚至社会发展会向前迈出一大步。一个高效节能的电子 2 时代，必将带来更大的经济和社会效益,为创造美好的未来发挥更多的作用。 1.2 项目主要任务 设计并制作将交流转变为直流的直流稳压电源。 设计要求： 在输入 220V 交流电压，电压变化范围在1515的条件下实现： a、最大输出电流为 1A； b、输出电压可调范围为 7V30V； c、纹波电压（峰峰值）N1 时，其感应电动势要比初级所加的电压还要高，这种变压器称为升压变 压器；当 N2N1 时，其感应电动势低于初级电压，这种变压器称为降变压器。 7 此外，电流之比 I1/I2=N2/N1；电功率 P1=P2；K=N1/N2，称为匝比（亦称电压比 ） 。 直流电源通常从市电取电，把 220V、50Hz 的交流电先降压，变成所需的交流电， 然后再整流。根据桥式整流电路和电容滤波电路的输出与输入电压的比例关系，从 LM317 的输出电压的最大值 37V 倒推，可以算出所使用的降压变压器的副边电压有 效值应为 29V 左右。所以选用将 220V 转变为 29V 的变压器， K=N1/N2=7.58，I1/I2=N2/N1=0.132。 3.2.2 1N4004、1N4007二极管 1N4004、1N4007 是普通的塑料封装整流二极管。1N4004 的反向电压为 400V，正向电 流为 1A；1N4007 的反向电压为 1000V，正向电流为 1A。1N4004、1N4007 特征： 低的反向漏电流； 较强的正向浪涌承受能力； 高温焊接保证，250/10 秒,9.5mm 引线长度； 引线可承受 2.27 千克拉力。 图 3-2 1N4007 外部封装（带环一端为负） 图 3-3 正向特性曲线 8 图 3-4 正向电流降额曲线 图 3-5 浪涌特性曲线 设计中采用了 1N4004、1N4007 整流二极管搭建整流桥及保护电路。 3.2.3 LM317T LM317T 简介 LM317T 是可调节的三端正电压稳压器。在输出范围为 1.2V 到 37V 之间时，能够提供 过过 1.5A 的电流。LM317T 稳压器非常易于使用，只需要两个外部电阻来设置输出电压， 此外还使用内部限流，热关断和安全工作区补偿使其基本能防止烧断保险丝。 LM317T 应用与多种场合，包括局部稳压，卡上稳压，还可以用来做可编程的输出稳 压器，或者通过在调整点和输出之间接一个固定电阻。LM317T 可用作一种精密的稳流器。 LM317T 的特征： 输出电流超过 1.5A； 输出在 1.2V 与 37V 之间可调节； 内部热过载保护； 不随温度变化的内部短路电流限制； 输出晶体管安全工作区补偿； 对高压应用浮空工作； 表面贴装形式和标准三引脚晶体管封装； 避免置备多种固定电压。 9 图 3-6 管脚：1.调节，2.Vout, 3.Vin 图 3-7 LM317 在电路中的应用 在应用电路中，当稳压器离电源滤波器有一定距离时，C in 是必须的。 C0 对 稳定性而言不必要，但可以改进瞬态响应，因为 I a d j 控制在小雨 100uA。这一项的误差在多数应用中可忽略。 图 3-8 LM317 内部结构（含 29 个晶体管） 10 图 3-9 LM317 负载调整率 图 3-10 LM317 电流限度 LM317S 是美国国家半导体公司 生产的三端可调正稳压器集成电路。首先， LM317 的输出电压范围在 1.25-37V 之间，负载电流最大为 1.5A，满足设计要求最大 输出电流为 1.5A 的指标，并且包含了电压可调范围7 到 30V,达到了纹波 220mV 等 要求，所以选用 LM317 作为可调稳压器是非常合适的。其次， LM317 使用非常简单， 仅需两个外接电阻来设置输出电压。此外，它的线性调整率和负载调整率也比标准的 固定稳压器好，而且 LM317 内部有过载保护，安全区保护等多种保护电路，在调整端 使用滤波电容能得到比标准三端稳压器高得多的纹波抑制比。 3.2.4 ICL7107 芯片 (1) A/D 转换器 ICL7107 的特点： ICL7107 是 31/2 位双积分型 A/D 转换器，属于 CMOS 大规模集成电路，它的最大 显示值为正负 1999，最小分辨率为 100uV，转换精度为 0.05 士 1 个字； 能直接驱动共阳极 LED 数码管，不需要 附加驱动器件， 也使得整机线路简化，采 用正负 5V 两组电源供电，并将第 21 脚的 GND 接第 30 脚的 IN ； 在芯片内部 在 V+与 COM 之间有一个稳定性很高的 2.8V 基准电源，通过电阻分压 器就可获得所需的基准电压 VREF ； 能通过内部的模拟开关实现自动调零和自动极性 的显示功能； 输入阻抗高，对输入信号无衰减作用 ； 整机组装方便，无需外加有源器件，配上电阻、电容和LED 共阳极数码管，就能 构成一只直流数字电压表头 ； 噪音低，温漂小，具有良好的可靠性， 稳定性，寿命长； 11 芯片功耗小于 15mw（不包括 LED）； 设有一专门的小数点驱动信号。使用时可将LED 共阳极数码管公共阳极接 V+； 可以方便的进行功能检查 。 图 3-11 ICL7107 的引脚图及典型电路 (2) ICL7107 引脚功能 V和 V-分别为电源的正极和负极 。 A3-g3,a2-g2,a1-g1：分别为个位、十位、百位 数码管笔画 的驱动信号，依次接个位、 十位、百位 LED 显示器的相应笔画电极。 AB4：千位笔画驱动信号。接千位 LEO 显示器的相应的笔画电极。 PM：液晶显示器背面公共电极的驱动端，简称背电极。 Oscl-OSc3 ：时钟振荡器的引出端，外接 阻容或石英晶体组成的振荡器。 第 38 脚 至第 40 脚电容量的选择是根据下列公式来决定： Fosc1=0.45/RC。 COM ：模拟信号公共端，简称 “模拟地”，使用时一般与输入信号的负端以及基准电 压的负极相连。 TEST ：测试端，该端经过 500 欧姆电阻接至逻辑电路的公共地，故也称 “逻辑地” 或“数字地”。 VREF VREF- ：基准电压正负端。 12 CREF：外接基准电容端。 INT：27 是一个积分电容器，必须选择温度系数小不致使积分器的输入电压产生漂移 现象的元件。 IN和 IN- ：模拟量输入端，分别接输入信号的正端和负端。 A-Z：积分器和比较器的反向输入端，接自动调零电容Ca-z 。如果应用在 200mV 满 刻度的场合是使用 0.47F，而 2V 满刻度是 0.047F。 BUFF：缓冲放大器输出端，接积分电阻R。其输出级的无功电流 ( idling current )是 100A，而缓冲器与积分器能够供给 20A 的驱动电流，从此 引脚接一个 R 至积分 电容器，其值在满刻度 200mV 时选用 47K，而 2V 满刻度则使用 470K。 (3) ICL7107 的工作原理 双积分型 A/D 转换器 ICL7107 是一种间接 A/D 转换器。它通过对输入模拟电压和 参考电压分别进行两次积分，将输入电压平均值变换成与之成正比的时间间隔，然后 利用脉冲时间间隔，进而得出相应的数字性输出 。 ICL7107 的原理性框图如图所示，它包括积分器、比较器、计数器，控制逻辑和 时钟信号源。积分器是 A/D 转换器的心脏，在一个测量周期内，积分器先后对输入信 号电压和基准电压进行两次积分。比较器将积分器的输出信号与零电平进行比较，比 较的结果作为数字电路的控制信一号。时钟信号源的标准周期T c 作为测量时间间 隔的标准时间。它是由内部的两个反向器以及外部的RC 组成的。其振荡周期 T c=2RCIn1.5=2.2RC 。 图 3-12 ICL7107A/D 转换器原理 13 计数器对反向积分过程的时钟脉冲进行计数。控制逻辑包括分频器、译码器、相 位驱动器、控制器和锁存器。 分频器用来对时钟脉冲逐渐分频，得到所需的计数脉冲f c 和共阳极 LED 数码 管公共电极所需的方波信号 f c。 译码器为 BCD-7 段译码器，将计数器的 BCD 码译成 LED 数码管七段笔画组成数字 的相应编码。 驱动器是将译码器输出对应于共阳极数码管七段笔画的逻辑电平变成驱动相应笔 画的方波。 控制器的作用有三个：第一，识别积分器的工作状态，适时发出控制信号，使各 模拟开关接通或断开， A/D 转换器能循环进行。第二，识别输入电压极性，控制LED 数码管的负号显示。第二，当输入电压超量限时发出溢出信号，使千位显示“1 ， 其余码全部熄灭。 锁存器用来存放 A/D 转换的结果，锁存器的输出经译码器后驱动LED 。它的每 个测量周期自动调零（ AZ）、信号积分（ INT）和反向积分（ DE）三个阶段。 第一阶段：自动调零 的阶段 AZ 转换开始前（转换控制信号 VL=0) ，先将计时器清零，并接通开关 S0 ，使积 分电容 C 完全放电。 第二阶段：信号积分 INT 令开关 S1 合到输入信号 V1 一侧，积分器对 V1 进行固定时间 Tl 的积分，积分 结果为： 上式说明，在 T1 固定条件下 V0 与 V1 成正比。 第三阶段：反向积分 DE 令开关 S1 转至参考电压 VREF 一侧，积分器反向积分。如果积分器的输出电压上升 至零时，所经过的积分时间 T2 则可得， 故可得到， 14 可见，反向积分到 V0=0 这段时间 T2 与 V1 成正比。令时钟脉冲 CD 的周期为 Tc，计 数器扔在 T2 时间内计数值为 N 得：T2=N T c , 代入上式得： 分析可知：T1,Tc，VREF固定不变，计数值 N 仅与 VIN 成正比，实现了模拟量到数字量的 转变。 下面介绍 A/D 转化过程的时间分配。假设时钟脉冲频率为 40KHz，每个周期为 4000Tc, 如图 3 所示，每个测量周期中三个阶段工作自动循环。 图 3-13 双积分型 A/D 转换器的电压波形图 信号积分时间 T1 用 1000Tc 。 信号反向积分时间 T2 用 0-2000Tc ，这段时间的长短是由 VIN的大小决定的。 自动调零时间 T0 用 10003000Tc 。 从上面的分析可知，T1 待定不变的，但 T2 随 VIN的大小而改变。因为， 选基准电压 VRFF = 100.0mv ,由：得： VIN=0.1 满量程时 N=2000，同样由上式可导出满量程时 VIN与基准电压的关系为：VIN=2VREF 。为了提高仪表的抗干扰能力，通常选定的采样时间 T1 比上工作周期是整数，我国采用 50Hz 交流电网，其周期为 20ms，应选 T1=n20ms。n= l、2、3n 越大，应对干扰的 抑制能力越强，但 n 越大，A/D 转换的时间越长。因此，一般取 T1=100ms，即 f040KHz 。由 T0=2RC105=2.2RC，得 式中 T0 为振荡周期。由上式可知， 当f0=40KHz 时，阻容元件的选取并不唯一，只要满足要求即可。 CL7107 是高性能、低功耗的三位半 A/D 转换电路。他/它有七段译码器、显示驱动器、 15 参考源和时钟系统。ICL7107 还含有一背电极驱动线，适用于液晶显示（LCD），ICL7107 可直接驱动发光二极管。 ICL7107 将高精度、通用性和真正的低成本很好的结合在一起，低于 10pA 的输入电 流，极性转换误差小于一个字。真正的差动输入和差动参考源在各种系统中都很有用。 在用于测量负载单元、其它桥式传感器时会有更突出的优点。另外，只要用十个左右的 无源元件和数码管就可以与 ICL7107 构成一个高性能的仪表，实现了低成本和单电源的 工作。 3.2.5 数码管 数码管是一种半导体发光器件，其基本单元是发光二极管。 数码管按段数分为七段数码管和八段数码管，八段数码管比七段数码管多一个 发光二极管单元（多一个小数点显示）；按能显示多少个 “8”可分为 1 位、2 位、4 位等数码管。 按发光二极管单元连接方式分为共阳极数码管和共阴极数码管。共阳极数码管 是指将所有发光二极管的阳极接到一起形成公共阳极(COM)的数码管。共阳 极数码管 在应用时应将公共极 COM 接到+5V，当某一字段发光二极管的阴极为低电平时 ，相应 字段就点亮。当某一字段的阴极为高电平时，相应字段就不亮。共阴极数码管是指 将所有发光二极管的阴极接到一起形成公共阴极 (COM)的数码管。共阴 极数码管在应 用时应将公共极 COM 接到地线 GND 上，当某一字段发光二极管的阳极为高电平时，相 应字段就点亮。当某一字段的阳极为低电平时，相应字段就不亮。四位数码管中， 第二位 8 与第三位 8 字中间的二个点 ，一般用于显示时钟中的秒。 数码管要正常显示，就要用 驱动电路来驱动数码管的各个段码，从而显示出我们 要的数字，因此根据数码管的 驱动方式的不同，可以分为静态式和动态式两类。 1、静态显示驱动 静态驱动也称直流驱动。静态驱动是指每个数码管的每一个字段都由一个单片 机的 I/O 端口进行驱动，或者使用如 BCD 码二进制译码器译码进行驱动。静态驱动的 优点是编程简单，显示亮度高，缺点是占用I/O 端口多，如驱动 5 个数码管静态显 示则需要 58=40 根 I/O 端口来驱动，要知道一个 89S51 单片机可用的 I/O 端口才 32 个呢：） ，实际应用时必须增加译码驱动器进行驱动，增加了硬件电路的复杂性。 2、动态显示驱动 数码管动态显示接口是单片机中应用最为广泛的一种显示方式之一，动态驱动是 将所有数码管的 8 个显示笔划a、b、c、d、e、f、g、d p的同名端连在一起，另 外为每个数码管的公共极 COM 增加了位选通控制电路，位选通由各自独立的I/O 线 控制，当单片机输出字形码时，所有数码管都接收到相同的字形码，但究竟是那个数 16 码管会显示出字形，取决于单片机对位选通COM 端电路的控制，所以我们只要将需要 显示的数码管的选通控制打开，该位就显示 出字形，没有选通的数码管就不会亮。通 过分时轮流控制各个数码管的 COM 端，就使各个数码管轮流受控显示，这就是动态驱 动。在轮流显示过程中，每位数码管的点亮时间为12ms，由于人的视觉暂留现象 及发光二极管的 余辉效应，尽管实际上各位数码管 一般不同时点亮，但只要扫描的 速度足够快，给人的印象就是一组稳定的显示数据，不会有闪烁感，动态显示的效果 和静态显示是一样的，能够节省大量的I/O 端口，而且 功耗更低。 图 3-14 数码管字段 图 3-15 数码管引脚 本设计中采用 3 个共阳极数码管，引脚连接如上图所示，其中 A7、B6、C4、D2、E1、F9、G10、DP5 一一对应。因为 ICL7107 可以直接驱动数码管显示， 所以不用其它驱动元件驱动。 3.3 硬件模块设计 3.3.1 交直流转换电路模块 本电路的目的在于从 50HZ、220V 的交流电压中得到直流电压，电路如图所示： 17 图 3-16 交直流转换电路 变压器是一种按电磁感应原理工作的电气设备，当一次线圈加上电压、流过交流电 流时，在铁芯中就产生交变磁通。在主磁通的作用下，两侧的线圈分别产生感应电势， 电势的大小与匝数成正比。变压器的原、副线圈匝数不同，这样就起到了变压作用。 匝数与电压的关系：变压器线圈两端的电压与匝数成正比。数学表达式： U1/U2=N1/N2。 本电路中输入 220V 交流电压时，首先通过变压器降至 29V 左右交流电压， U1/U2=N1/N2=7.58。整流部分选用了由 4 个 1N4007 整流二极管搭建的整流桥作全波桥式 整流电路，输出为 47V 左右的直流电压。 在对 1N4007 焊接时检测： 检测的时候，将万用表调到测二极管的档位，将二极管测量一次，再反过来测量一 次，你会发现有一次有示数，一次示数好大。这时候你就可以判断了，有示数的那一次 万用表的红表笔所接的那一端就是正极。 二极管是由一个 PN 结构成的半导体器件，具有单向导电特性。通过用万用表检测其 正、反向电阻值，可以判别出二极管的电极，还可估测出二极管是否损坏。 1极性的判别 将万用表置于 R100 档或 R1k 档，两表笔分别接二极管的两个电极， 测出一个结果后，对调两表笔，再测出一个结果。两次测量的结果中，有一次测量出的 阻值较大（为反向电阻） ，一次测量出的阻值较小（为正向电阻） 。在阻值较小的一次测 量中，黑表笔接的是二极管的正极，红表笔接的是二极管的负极。 2单向导电性能的检测及好坏的判断，通常以锗为材料二极管的正向电阻值为 1k 左 右，反向电阻值为 300 左右。硅材料二极管的电阻值为 5 k 左右，反向电阻值为 （无穷大） 。正向电阻越小越好，反向电阻越大越好。正、反向电阻值相差越悬殊，说 18 明二极管的单向导电特性越好。 若测得二极管的正、反向电阻值均接近 0 或阻值较小，则说明该二极管内部已击穿 短路或漏电损坏。若测得二极管的正、反向电阻值均为无穷大，则说明该二极管已开路 损坏。 3反向击穿电压的检测，二极管反向击穿电压（耐压值）可以用晶体管直流参数测试表 测量。其方法是：测量二极管时，应将测试表的“NPN/PNP”选择键设置为 NPN 状态，再 将被测二极管的正极接测试表的“C”插孔内，负极插入测试表的“e”插孔，然后按下 “V（BR） ”键，测试表即可指示出二极管的反向击穿电压值。也可用兆欧表和万用表来 测量二极管的反向击穿电压、测量时被测二极管的负极与兆欧表的正极相接，将二极管 的正极与兆欧表的负极相连，同时用万用表（置于合适的直流电压档）监测二极管两端 的电压。摇动兆欧表手柄（由慢渐渐加快） ，待二极管两端电压稳定而不再上升时，此电 压值即是二极管的反向击穿电压。 桥式整流电路 桥式整流电路是使用最多的一种整流电路。这种电路，只要增加两只二极管口连接 成“桥”式结构，便具有全波整流电路的优点，而同时在一定程度上克服了它的缺点。 桥式整流电路的工作原理：当变压器次级线圈上交流电压 e2（次级线圈）为正半周 时，对 D3、D2 施加正向电压，D3，D2 导通；对 D1、D4 加反向电压，D1、D4 截止。电路 中构成 e2、D3、C1、D2 通电回路，在 C1 上形成上正下负的半波整流电压。当 e2 为负半 周时，对 D4、D1 加正向电压，D4、D1 导通；对 D2、D3 加反向电压，D2、D3 截止。电路 中构成 e2、D4、C1、D1 通电回路，同样在 C1 上形成上正下负的另外半波的整流电压。 经过无数的正负变换，结果在 C1 上便得到全波整流电压。其波形图和全波整流波形图是 一致的。桥式电路中每只二极管承受的反向电压等于变压器次级电压的最大值，是全波 整流电路中每只二极管承受的反向电压的一半。 交流电压经过全波整流桥整流后，经过电容滤波，一般滤波电容有 2200uF 和 1100uF 两种。因为耐压必须要大于电路所承受的电压，而经整流后得到的是 47V 左右的直流电 压， 计算滤波所需的电容值，可采用以下公式 式中，VM 为滤波之后的最大电 压，V 为滤波之后的波纹电压，即最大电压与最小电压的差值，R 为负载电阻，f 为 工频 50Hz，可以得到滤波电容为 2200uF。 3.3.2 集成稳压模块 19 本电路的目的在于将整流滤波后的直流电压进行稳压，减小纹波电压，提高直流电 压的稳定性,得到所需的直流稳压。电路如图所示： 图 3-17 集成稳压电路 集成稳压电路的核心器件是LM317，在实际应用中要注意加装散热片。为了保护集成 器件在接反的状态下不被烧坏，在输入、输出端之间以及输出与调节端之间分别接反向 保护二极管1N4003。 集成稳压模块在接入整流滤波后的电压时，全波整流之后的电压平均值是前面变压 器次级电压有效值的 1.35 倍，滤波之后的电压平均值为全波整流电压平均值的 1.2 倍。 还要在滤波电容两端并联一个电源指示电路，即一个电阻串联一个发光二极管。电路调 试时，如果发光二极管亮，则说明滤波之前的电路无故障， 否则可判断出前面电路有问 题。 计算与发光二极管串联的电阻值。发光二极管要想点亮都有一个最小电流，这里取 6mA。发光二极管导通时两端的管压降在 2V 左右。而滤波之后的电压为 V = 1.351.229 47V，电阻就等于其两端的电压除以流过它的电流，即 R =（472）/6 = 7.5k。 为达到设计要求，关键是对输出端和调节端，调节端和地之间的两个外接电阻的计 算，由于调节端的输出电流仅为100mA，可以忽略不计。即认为图中的电阻R2和RV1是串 联关系。而LM317的输出端2和调节端1之间的输出电压已知为1.25V，电路的最大输出电 20 压为37V，所以滑动变阻器的最大值可以算出。一般设R2为100200，典型值为 120，这里设为200。实际接线时，这个电阻应尽可能地靠近LM317元件来接，因为它 本应是LM317内部电阻。R2/RV4= 200/RV4= 1.25/37 得：RV4 = 592 k。由上面的公式 算出滑动变阻器的最大值为5.92k，取经典值5.1k，这样最大值达不到37V，理论上 只有32V左右，仿真时显示为33.5V，有些误差，并且最小值也比1.25V小。 另外在图中，电容C2 和C3 分别为去谐波和滤波作用。C2 并联在滑动变阻器两端， 可防止滑动变阻器在调节过程中由于抖动而产生的谐波，一般经验值为10F。C3为输出 侧的二次滤波电容，其目的是去掉输出电压波形中细小的波纹。C1/C3 =22。 3.3.3 显示模块 由于采用了共阳极数码管作电压数据的显示，共阳数码管的引脚与接法 为简化电路，显示模块使用了单片 A/D 转换集成电路（ICL7107） ，其中 ICL7107 是 一块美国 INTERSIL 公司生产的三位半双积分式 A/D 转换器，采用双列直插式封装。标准 工作时的电压为+5V、-5V，所以需要外加电压，芯片自动进行一系列的数值转换后，直 接驱动共阳极 LED 数码显示管（该电路使用 TOS-5101BR 数码管） ，以 BCD 码方式在 LED 上显示，可显示 3 位测量电压，电压范围可精确到 0.1%。下图为数字显示原理图： VBUFF 28 CAZ 29 VIN+ 31 VIN- 30 ACOM 32 VINT 27 CREF+ 34 CREF- 33 VREF+ 36 VREF- 35 V+ 1 V- 26 D1 2 C1 3 B1 4 A1 5 F1 6 G1 7 E1 8 D2 9 C2 10 B2 11 A2 12 F2 13 G2 25 E2 14 D3 15 B3 16 C3 24 A3 23 F3 17 G3 22 E3 18 AB4 19 POL 20 GND 21 OSC1 40 OSC2 39 OSC3 38 TEST 37 U1 TC7107 C7 0.1u C6 0.47u C5 0.22u C8 100pf C4 0.02u R7 1k R6 4700k R8 100k GND 67% RV2 10k R5 20k R4 1M R3 1M GND D8 LED-BIRG 3 2 1 U2 TL431 R10 470 R11 470 VEE V=-4.5 VCC V=4.5 VCC VEE 21 实际上数显电路就是一只数显电压表，它接入集成稳压电路的输出，并对其电压进 行测量及显示。因为在设计时采用了模块化设计，使得此电路除了可以测量本电源的电 压外，还可以当电压表独立使用，模块化优势明显。 1.辨认引脚：芯片的第一脚，是正放芯片，面对型号字符，然后，在芯片的左下方 为第一脚。 也可以把芯片的缺口朝左放置，左下角也就是第一脚了。许多厂家会在第一脚旁边 打上一个小圆点作为标记。知道了第一脚之后，按照反时针方向去走，依次是第 2 至第 40 引脚。（1 脚与 40 脚遥遥相对）。 2.牢记关键点的电压：芯片第一脚是供电，正确电压是 DC5V 。第 36 脚是基准电 压，正确数值是 100mV，第 26 引脚是负电源引脚，正确电压数值是负的，在 3V 至 5V 都认为正常，但是不能是正电压，也不能是零电压。芯片第 31 引脚是信号输入引 脚，可以输入 199.9mV 的电压。在一开始，可以把它接地，造成0信号输入，以方 便测试。 3.注意芯片 27,28,29 引脚的元件数值，它们是 0.22uF,47K,0.47uF 阻容网络，这 三个元件属于芯片工作的积分网络，不能使用磁片电容。芯片的 33 和 34 脚接的 104 电容也不能使用磁片电容。 4.注意接地引脚：芯片的电源地是 21 脚，模拟地是 32 脚，信号地是 30 脚，基 准地是 35 脚，通常使用情况下，这 4 个引脚都接地，在一些有特殊要求的应用中（例 如测量电阻或者比例测量），30 脚或 35 脚就可能不接地而是按照需要接到其他电压上。 5.负电压产生电路：负电压电源可以从电路外部直接使用 7905 等芯片来提供，但 是这要求供电需要正负电源，通常采用简单方法，利用一个 +5V 供电就可以解决问题。 比较常用的方法是利用 ICL7660 或者 NE555 等电路来得到，这样需要增加硬件成本。 我们常用一只 NPN 三极管，两只电阻，一个电感来进行信号放大，把芯片 38 脚的振荡 信号串接一个 20K 56K 的电阻连接到三极管B极，在三极管C极串接一个电阻（为 了保护）和一个电感（提高交流放大倍数），在正常工作时，三极管的C极电压为 2.4V 2.8V 为最好。这样，在三极管的C极有放大的交流信号，把这个信号通过 2 只 4u7 电容和 2 支 1N4148 二极管，构成倍压整流电路，可以得到负电压供给 ICL7107 的 26 脚使用。这个电压，最好是在 3.2V 到 4.2V 之间。 6.如果上面的所有连接和电压数值都是正常的，也没有短路或者开路故障，那 么，电路就应该可以正常工作了。利用一个电位器和指针万用表的电阻 X1 档，我们可 以分别调整出 50mV,100mV,190 mV 三种电压来，把它们依次输入到 ICL7107 的第 31 脚，数码管应该对应分别显示 50.0,100.0,190.0 的数值，允许有 2 3 个字的误差。 如果差别太大，可以微调一下 36 脚的电压。 7.比例读数：把 31 脚与 36 脚短路，就是把基准电压作为信号输入到芯片的信号 端，这时候，数码管显示的数值最好是 99.9，越接近 100.0 越好。这个测试是看看芯片 22 的比例读数转换情况，与基准电压具体是多少 mV 无关，也无法在外部进行调整这个读 数。如果差的太多，就需要更换芯片了。 8.ICL7107 也经常使用在 1.999V 量程，这时候，芯片 27,28,29 引脚的元件数 值，更换为 0.22uF,470K,0.047uF 阻容网络，并且把 36 脚基准调整到 1.000V 就可以 使用在1.999V 量程了。 9.这种数字电压表头，被广泛应用在许多测量场合，它是进行模拟数字转换的最基本， 最简单而又最低价位的一个方法，是作为数字化测量的一种最基本的技能。 10.ICL7107 输出的千位数、百位数、十位数、个位数这段驱动信号直接连接到四个 共阳极 LED 数码管，其中千位数码管 LED4 之：“b”段和“c”段都由 ICL7107 的 PIN19“bc4”驱动；“g 段”由 ICL7107 的 pin20 极性显示端 POL 驱动，用来显示负号。 芯片的 33，34 脚接基准电容，27，28，29 脚组成积分电路。38，39 脚的电阻和电 容共同构成 IC 内部振荡器的 RC 电路。该电路的时钟频率为 45KHZ。30，31 脚为模拟量 输入端，两脚间的电容为输入滤波电容。31 脚外接的电阻为限流分压电阻。该电路 35 脚 接地，36 脚作为基准电压输入，也称作定标系数调节电压，36 脚电压至关重要。我们可 以通过公式 N=1000Vi/Vref+来计算它的定标系数。N 表示数码管的显示值，Vi 表示 31 脚 输入电压的变化值。ICL7107 的 20 脚为负极性指示。 （制作时 ICL7107 等芯片都应该使用 IC 插座，一切做好后再插 IC，以防电路焊接时过热造成芯片内部损坏） 。 ICL7107 是一块应用非常广泛的集成电路。它包含三位半数字 A/D 转换器，可直接驱 动 LED 数码管，内部设有参考电压、独立模拟开关、逻辑控制、显示驱动、自动调零功 能等。基于 ICL7107 的数字电压表电路其实稍加改造，还可演变出很多电路，如数显电 流表、数显温度计等。 23 4. 电路图及仿真 4.1 Proteus 简介 Proteus 软件是由英国Labcenter Electronics公司开发的EDA 工具软件，已有近20 年的历史，在全球得到了广泛应用。Proteus 软件的功能强大，它集电路设计、制版及 仿真等多种功能于一身，不仅能够对电工、电子技术学科涉及的电路进行设计与分析， 还能够对微处理器进行设计和仿真，它的强大的元件库可以和任何电路设计软件相媲美。 它的电路仿真功能可以和Multisim相媲美，独特的单片机仿真功能是Multisim 及其他任 何仿真软件都不具备的; 它的PCB 电路制版功能可以和Protel相媲美。 Proteus 是一个基于ProSPICE 混合模型仿真器的、完整的嵌入式系统软硬件设计仿 真平台。它包含ISIS 和ARES 应用软件。Proteus ISIS 实现了单片机仿真和SPICE 电路 仿真的结合。具有模拟电路仿真、数字电路仿真、单片机及其外围电路组成的系统仿真、 RS232 动态仿真、I2C 调试器、SPI 调试器、键盘和LCD 系统仿真等功能; 有各种虚拟 仪器，如示波器、逻辑分析仪、信号发生器等。支持主流单片机系统的仿真。目前支持 的单片机类型有68000 系列、8051 系列、AVR 系列、PIC12 系列、PIC16 系列、PIC18 系列、Z80 系列、HC11系列以及各种外围芯片。提供软件调试功能。在硬