数显式直流稳压电源.doc

24测控系统实践课程设计数显式直流稳压电源摘要：在平常条件下进行电子制作，拥有一个可调节输出电压的稳压电源是非常有用的，在电子制作中，通常实验室给予的条件是220V交流电压，在有限的条件下我们就需要制作一个数显式直流稳压电源来用于其它电子制作的电压源，本文介绍的这款数显可调稳压电源，输出电压范围为0到15V，且连续可调，即电压的量程范围可在满足设计的条件下随意可调，所调电压即时显示，精确到0.01,实验仿真中利用可变电阻可以线性控制输出电压的数值，在实际硬件制作时利用旋钮可以精确地调取任意值，这些参数对于业余制作中的调试用电源基本能满足要求.关键词：数显式直流稳压电源、输出范围、可调。目 录一 设计的目的内容和步骤3二 方案设计与论证3三 单元电路设计与参数计算41. 直流稳压电源设计41.1 变压器介绍5 1.2 整流滤波电路51.3 稳压电路设计62.数字显示电路设计.6 2.1 3位双积分A/D转换器IC62.2 A/D转换器的工作过程7四 总原理图及元器件清单16五 安装与调试18六 性能测试与分析19七 结论21八 心得体会22九 参考文献22数显式直流稳压电源一、设计的目的内容和步骤设计目的（1）、 学习基本理论在实践中综合运用的初步经验，掌握模拟电路设计的基本方法、设计步骤，培养综合设计与调试能力。（2）、 学会直流稳压电源的设计方法和性能指标测试方法。（3）、 培养实践技能，提高分析和解决实际问题的能力。设计内容：设计数显式直流稳压电压源，要求完成以下主要技术指标：（1）、 输出电压：范围12V，纹波不大于10mV，电压值由数码管显示；（2）、 输出电压连续可调，或者具有“+”、“-”步进调整的功能，步进0.1V；（3）、 最大输出电流Iomax=1A设计步骤：（1）、 查阅有关资料，完成总体设计框图（2）、 完成设计框图各个部分的详细设计，并选择合适参数的电子元器件完成各部分电路，绘制电路原理图。（3）、 统计所有元器件的参数和数量，购买元器件。（4）、 将元器件依照电路原理图焊接至电路板上，完成电源的实物制作。（5）、 调试电路，根据需要调节元件参数，必要时，替换个别元件。二、方案设计与论证在进行电路的设计过程中，我们采用的是模块化思想，将整个电路分成几个分立的模块来分析、制作，最后再进行组装、调试。数显式稳压电源采用模数转换的方法将直流稳压源的输出电压以数字的形式显示出来。它主要由三大部分组成：直流稳压电源部分、A/D转换部分、数字显示部分，如图所示： 数显式稳压电源的组成 先对输入电压进行降压，然后用单相桥式二极管对其进行整流，整流后利用电容的充放电效应，用电解电容对其进行滤波，将脉动的直流电压变为更加平滑的直流电压，再用一个较低阻值的陶瓷电容对其进行高频滤波，从而使得滤波后的电压更平滑，波动更小。滤波后的电路接接稳压电路，稳压部分由调整管，比较放大电路，基准电压电路，采样电路组成。当采样电路的输出端电压升高（降低）时采样电路将这一变化送到A的反相输入端，然后与同相输入端的电位进行比较放大，运放的输出电压，即调整管的基极电位降低（升高）；由于电路采用射极输出形式，所以输出电压必然降低（升高），从而使输出电压得到稳定。再用模数转换芯片ICL7107将稳压输出电压转换成能数字信号，ICL7107内部包含计数器、锁存器、译码器、LED驱动器，可直接驱动数码管显示，最后通过数码管显示电路输出电压。三、单元电路设计与参数计算1.直流稳压可调电源的设计直流稳压电源的组成如图所示，其中包括电源变压器，整流电路、滤波电路、稳压电路等部分。 + 电 源 + 整 流 + 滤 波 + 稳 压 + u1 u2 u3 uI U0 _ 变压器 _ 电 路 _ 电 路 _ 电 路 _（a）稳压电源的组成框图 u1 u2 u3 uI U0 0 t 0 t 0 t 0 t 0 （b）整流与稳压过程1）.电源变压器 电源变压器的作用是将来自电网的220V交流电压u1变换为整流电路所需要的交流电压u2。电源变压器的效率为：其中：是变压器副边的功率，是变压器原边的功率。一般小型变压器的效率如表1所示：表1 小型变压器的效率 副边功率效率0.60.70.80.85因此，当算出了副边功率后，就可以根据上表算出原边功率。2）.整流和滤波电路在稳压电源中一般用四个二极管组成桥式整流电路，整流电路的作用是将交流电压u2变换成脉动的直流电压u3。滤波电路一般由电容组成，其作用是把脉动直流电压u3中的大部分纹波加以滤除，以得到较平滑的直流电压UI。UI与交流电压u2的有效值U2的关系为：在整流电路中，每只二极管所承受的最大反向电压为： 流过每只二极管的平均电流为：其中：R为整流滤波电路的负载电阻，它为电容C提供放电通路，放电时间常数RC应满足：其中：T = 20ms是50Hz交流电压的周期。3）.稳压电路由于输入电压u1发生波动、负载和温度发生变化时，滤波电路输出的直流电压UI会随着变化。因此，为了维持输出电压UI稳定不变，还需加一级稳压电路。稳压电路的作用是当外界因素（电网电压、负载、环境温度）发生变化时，能使输出直流电压不受影响，而维持稳定的输出。稳压电路一般采用集成稳压器和一些外围元件所组成。采用集成稳压器设计的稳压电源具有性能稳定、结构简单等优点。固定电压输出稳压器常见的有CW78（LM78）系列三端固定式正电压输出集成稳压器；CW79（LM79）系列三端固定式负电压输出集成稳压器。三端是指稳压电路只有输入、输出和接地三个接地端子。型号中最后两位数字表示输出电压的稳定值，有5V、6V、9V、15V、18V和24V。稳压器使用时，要求输入电压UI与输出电压Uo的电压差UI - Uo 2V。稳压器的静态电流Io = 8mA。当Uo = 5 18V时，UI的最大值UImax= 35V；当Uo=18 24V时，UI的最大值UImax = 40V。它们的引脚功能及组成的典型稳压电路见图所示。固定式三端稳压器的引脚图及典型应用电路 1 2 3 UI C1 2 Co Uo 1 2 3 UI C1 1 Co Uo（a）CW78的引脚图及应用电路 （b） CW79的引脚图及应用电路2.A/D转换电路的设计常见A/D转换器的转换方式有非积分式和积分式两类，如逐次逼近比较式A/D转换、斜坡电压式A/D转换等属于非积分式，其特点是转换速度快，但抗干扰能力差。电压反馈型V-F变换、双积分式A/D转换则属于积分式，其特点是抗干扰能力强、测量精度高，但转换速度低，在转换速度要求不太高的情况下，获得广泛应用。本课题主要介绍双积分式A/D转换电路。 3位双积分A/D转换器ICL7107是CMOS大规模集成电路芯片，其片内已经集成了模拟电路部分和数字电路部分，所以只要外接少量元件就成了模拟电路和数字电路部分，所以只要外接少量元件就可实现A/D转换。 1）.芯片的内部电路结构及引脚功能ICL7107外封电路图，其引脚功能如下：ICL7107外封装图 1端：U+ =5V，电源正端。26端：U- =5V，电源负端。19端：ab4，千位数笔段驱动输出端，由于位的计数满量程显示为“1999”，所以ab4输出端应接千位数显示器显示“1”字的b和c笔段。20端：POL，极性显示端（负显示），与千位数显示器的g笔段相连接（或另行设置的负极性笔段）。当输入信号的电压极性为负时，负号显示，如“-19.99”；当输入信号的电压极性为正时，极性负号不显示如“19.99”。21端：BP，液晶显示器背电极，与正负电源的公共地端相连接。 27端：INT，积分器输出端，外接积分电容（一般取=0.22）。28端：BUFF，输入缓冲放大器的输出端，外接积分电阻（一般取=47）。29端：AZ，积分器和比较器的反相输入端，接自校零电容（取=0.47）。30、31端：INLO、 INHI，输入电压低、高端。由于两端与高阻抗CMOS运算放大器相连接，可以忽略输入信号的注入电流，输入信号应经过1M电阻和0.01电容组成的滤波电路输入，以滤除干扰信号。2 8端：个位数显示器的笔段驱动输出端，各笔段输出端分别与个位数显示器对应的笔段ag相连接。914、25端：十位数显示器的笔段驱动输出端，各笔段输出端分别与十位数显示器对应的笔段ag相连接。1518、2224端：百位数显示器的笔段驱动输出端，各笔段输出端分别与百位数显示器对应的笔段ag相连接。32端：COM，模拟公共电压设置端，一般与输入信号的负端，负基准电压端相接。33、34端：、，基准电容负压、正压端，它被充电的电压在反相积分时，成为基准电压，通常取=0.1。35、36端：REFLO、 REFHI，外接基准电压低、高位端，由电源电压分压得到。37端：TEST，数字地设置端及测试端，经过芯片内部的500电阻与GND相连。38、39、40端：，产生时钟脉冲的振荡器的引出端，外接R1、C1元件。（a）模拟部分电路ICL7107内部电路含有模拟电路和数字电路两大部分。 (a)模拟电路部分(b)数字电路部分ICL7107内部电路 振荡器主振频率与R1C1的关系为2).A/D转换器的工作过程 根据ICL7107的内部电路结构，可以分析A/D转换的工作过程。设其转换过程分三个阶段，即采样阶段、积分阶段和休止阶段，各阶段的工作过程如下：采样阶段在逻辑控制电路的作用下，设新的采样阶段开始。参见IVL7107模拟部分电路，设开关SIN闭合，Saz1短开，被测信号 Ux从IN+端输入，经缓冲器进行定时积分，设积分时间（或称采样时间）定为1000个时钟脉冲,如下图。ICL7107工作波形积分器的输出电压Uo与计数脉冲的关系，即为Uo= 当N1=1000时定时积分阶段或称采样阶段结束。积分阶段积分阶段是指积分器时基准电压UREF进行定值积分。由于在休止阶段基准电容CREF已被充电(UREF=|UREF|),所以积分阶段一开始，对输入电压作极性判别后，基准电容有开关S+和S-接入缓冲放大器，使积分器进行反向定值积分，计数器开始计数。定值积分阶段内，积分器的输出电压与计数脉冲N2的关系为Uo=当积分器的输出电压Uo回到初使状态时，定值积分阶段结束，设计数器的脉冲数N2=02000,如图ICL7107工作波形。休止阶段休止阶段的任务是使信号输入端IN+与公共模拟端COM短接，积分器和比较器的输出为零，基准电压对基准电容充电，这些都是通过控制开关SAZ1、SIN、S+、S-等完成的。设完成该阶段的工作所需要的时间为10003000个时钟脉冲。 以上三个阶段的工作波形如图ICL7107工作波形所示。由ICL7107数字电路部分可见，计数器的时钟脉冲fcp是主振频率fosc4分频后得到的 ICL7107一次A/D转换经过三个阶段所需时钟脉冲数为N，则一次转换所需的时间为T=N/fcp=4N/fosc 若取ICL7107的主振频率fox=45kHz.,即取R1=100k,C1=100pF,N=4000.则一次A/D转换所需的时间为 测量速度为，即 A/D转换电路 3.数字显示部分的设计 因为芯片ICL7107采用双电源供电，能输出较大的电流，适合于驱动发光二极管（LED）数码显示器，并且ICL7107芯片内部包括7段译码，可以用硬件译码的方法直接驱动发光二极管（LED）数码显示器，所以显示方式采用共阳极数码管LED显示。 ICL7107没有专门的小数点驱动信号，使用时可将共阳极数码管的公共阳极接V+，小数点接GND时点亮，接V+时熄灭。四、总原理图及元器件清单1总原理图2元件清单名称规格数量备注叠层陶瓷电容器0.1uf422uf10.047uf1100pf1电解电容器1uf/25v33300uf35wv1电桥二极管D5SBA20122V5ALED红色1通用LED晶体管2SA7151PNP型均可2N37031Ic=3A,Pc=10W2SC25471NECIc=1A,Pc=1W碳电阻0.51 5W15W金属膜电阻1.5k10.25W1k20.25W2.2k10.25W33k10.25W3k20.25W51010.25W24k1470k1100k210011M110M1三端调节器IC78151运算放大器LM3241可变电阻10k(B)1尽量是金属陶瓷型2k(B)2尽量是金属陶瓷型1k1齐纳二极管8.2v0.5W1通用,8v左右A/D转换器ICL71071八段数显管LED4共阳极自复式开关1变压器220v17v1鳄鱼夹2带绝缘套导线若干五、安装与调试1.直流稳压电源用万用表测量整流二极管的正、反向电阻，正确判断出二极管的极性后，按图4所示先在变压器的副边接上额定电流为1A的保险丝，然后安装整流滤波电路。 安装时要注意，二极管和电解电容的极性不要接反。经检查无误后，才将电源变压器与整流滤波电路连接，通电后，用示波器或万用表检查整流后输出电压UI的极性，若UI的极性为负，则说明整流电路没有接对，此时若接入稳压电路，就会损坏集成稳压器。因此确定UI的极性为正后，断开电源，按图2所示将整流滤波电路与稳压电路连接起电压满足设计指标，说明稳压电源中各 级电路都能正常工作此时就可各项指标的测试。 220V U1图4 整流滤波电路2.数字显示部分由7107构成的A/D转换电路调试比较简单，主要调试工作为基本量程200mV时的基准电压=100mV的调整，调整时，基准电压=100mV的值要用的数字电压表进行测量。六、性能测试与分析1输出电压与最大输出电流的测试测试电路如图所示。一般情 自耦变压器 Io 电流表况下，稳压器正常工作时，其输出 被测 I电流要小于最大输出电流， 220V 稳压 Uo V 电压表 RL取，可算出RL=18， 电路 工作时上消耗的功率为： 稳压电源性能指标的测试电路 故取额定功率为5W，阻值为18的电位器。 测试时，先使，交流输入电压为220V，用数字电压表测量的电压值就是Uo。然后慢慢调小，直到Uo的值下降5%，此时流经的电流就是，记下后，要马上调大的值，以减小稳压器的功耗。2稳压系数的测量 按图所示连接电路， 在时，测出稳压电源的输出电压Uo。然后调节自耦变压器使输入电压，测出稳压电源对应的输出电压Uo1 ；再调节自耦变压器使输入电压，测出稳压电源的输出电压Uo2。则稳压系数为：3输出电阻的测量 按图所示连接电路，保持稳压电源的输入电压，在不接负载RL时测出开路电压Uo1，此时Io1=0，然后接上负载RL，测出输出电压Uo2和输出电流Io2，则输出电阻为：4纹波电压的测试 用示波器观察Uo的峰峰值，（此时Y通道输入信号采用交流耦合AC），测量Uop-p的值（约几mV）。5纹波因数的测量 用交流毫伏表测出稳压电源输出电压交流分量的有效值，用万用表（或数万用表）的直流电压档测量稳压电源输出电压的直流分量。则纹波因数为：6检查LED数码管的全亮笔段 把测试端TEST（第37脚）与正电源端U+（第2脚）端接，是内部数字地变成高电平，全部数字电路停止工作。因为每个笔段上都加有直流电压，所以数码管应显示“1888”。7检查零输入时的显示值 将ICL7107的正输入端IN+与负输入端IN-短接，使输入电压U=0V，数码管应显示“0.00”。8检查负号显示及溢出显示 将IN+与负电源端U-短接，使输入电压U0V，数码管应显示 “-”，同时显示超量程符号“1”七、结论该数字直流稳压电源利用双积分A/D 转换原理.电压输出范围为0V20V，误差1%， 显示分辨率达到0.01V， 能得到比较理想的显示精度, 较好地抑制了工频干扰。调试系统时发现积分线性不是很好， 在查找了大量资料后发现是由于积分电容的温度稳定性差，造成了误差分布不均。因此， 要提高系统的稳定性和精度，对模拟电路模块的设计将非常重要，不仅要掌握好各种芯片的性能指标， 还要特别注意基准电压的调节， 否则会影响整个系统的性能， 这将是下一步研制的重点。八、 心得体会 这次电子技术课程设计，作为测控类专业学生的我终于能够和同伴设计并完成属于我们自己的电子制品，一切都在兴奋而又紧张的状态中进行。虽然连续5天都是熬到2点多钟才睡，但也并不会觉得有多累，因为这是一个收获的过程，是一个成长的过程，也是一个为以后发展奠定基础的过程。通过这次课程设计，复习和巩固了以前的的知识自是不用说，更重要的是这是一次将我们的理论知识运用于实践的的全新体验。还有就是在整个设计制作过程中，小组成员之间（甚至不同组成员之间）密切配合，相互帮助，相互鼓励，共同完成了该次课程设