直流稳压电源.docx

简易直流稳压电源 长 安 大 学电子技术课程设计 课题名称：简易直流稳压电源班 级： 32940902 姓 名： 王家飞 指导教师： 邓秋霞 日 期： 2011-06-30 前 言随着电子产品的普及，数字显示可调直流稳压电源的应用越来越广泛。它能够更好的控制电流的输入，延长电子产品的寿命。现在神会发展的趋势越来越智能化，电路的控制越来越精确，人们对电子产品的要求越来越高。目前，数字式直流稳压电源是电子技术常用的设备之一，广泛应用于我们生活、工作、科研、各个领域。本文将介绍一种数字式直流稳压电源，要求输出电压量程12V，0V+12V连续可调；输出电压可数字显示，显示精度优于0.1%；输出电流400mA。在拿到设计题目以后，我们组首先重点温习模电课本中稳压电源部分，对直流稳压电压的原理，结构框图，变压、整流滤波、稳压三大部分有了初步了解。然后到图书馆借阅相关资料，参考相关文献，又通过互联网查找了相关的知识。确定了整体设计方案，画出了电路原理草图。最后进行仿真操作，从安装程序到使用软件，元器件的查找，仿真结果出不来等等，我们小组边学习边探索，一直到最后原理图完成，仿真成功，开始撰写设计报告。在整个设计过程中，我们组并没有进行特别明确的分工，而是对每个模块都进行讨论和筛选，以求最后的整体方案能凑协调工作，从而达到设计要求。 目 录设计要求 1第一章 整体设计方案1 设计思路42 总体方案论证与选择5第二章 单元电路方案论证与选择1 整流电路模块72 滤波电路模块10第三章 系统的硬件设计与实现1 连续可调直流稳压电路132 过载短路保护电路143 A/D转化及数字显示电路 15第四章 Multisim的仿真与调试1 仿真结果 22总结25鸣谢 25元器件明细表及参考文献 26心得体会27附图 28 简易直流稳压电源摘要：本文设计的是量程为12V且在0-12V可调的直流稳压电源，其最大输出电流为400mA，并具有数字显示电压功能。利用A/D转化，将输出的连续电压信号变为离散的数字信号实现输出电压的显示。另外核心部分为：采用CM14433实现电压信号到二进制BCD码的转化，通过七段锁存-译码-驱动器CD4511的译码，最终将电压值显示到四段共阴极LED数码管组上。该稳压电源具有性能稳定.结构简单.电压指标精度高.调节方便等优点。关键词：整流 滤波 稳压 可调 A/D转换及数码显示设计要求1.输出电压为12V； 2.输出电流 400mA； 3.输出电压数字显示，显示精度优于0.1； 4.输出电压在012V之间连续可调。 第二章 整体设计方案1 设计思路 直流稳压电源一般由电源变压器、整流滤波电路、稳压电路组成，其基本原理框图如图1所示。首先选用合适的电源变压器将电网电压降到所需要的交流电源。（2）降压后的交流电压，通过整流电路整流变成单项脉动直流电压。直流脉动电压经过滤波电路变成平滑的、脉动小的直流电压，即滤除交流成分，保留直流成分，滤波电路一般有电容组成，其作用是把脉动直流电压中的大部分纹波加以滤除，以得到较平滑的直流电压。（3）稳压电路：稳压电路的作用适当外界因素（电网电压、负载、环境温度）发生变化时，能是输出直流电压不受影响而维持稳定的输出。稳压电路整流电路滤波电路 图1直流稳压电源基本原理框图2 总体方案论证与选择 该系统总体方案设计主要在可调电压输出部分，其要求是输出电压从0V开始连续可调。因此，以下主要对三种方案进行论证与选择。方案1：此方案的控制部分采用单片机，输出部分不再采用调整管或稳压方式，二十载D/A转换之后，经过问低昂的功率放大得到输出电压。采用单片机编程，一定程度上增加了系统的灵活性。该电源稳定性好、精度高，且能够输出可调的直流电压，其性能由于传统的可调直流稳压电源，此方案框图如图2.1所示。显示键盘键盘显示接口RAM单 片 机A/DROMD/A功放图2. 方案1的框图方案2：采用三端可调的集成稳压器电路。它采用输出电压可调且内部有过载保护的三端集成稳压器，输出电压调整范围宽，此稳压器的基准电压是1.25V，而要求电压从0V起连续可调，因此需要设计电压补偿电路才可实现输出。电压补偿电路可调式集成稳压器整流滤波电路输出电压图3 方案2的框图方案3：采用三端集成稳压器电路，其电路内部有过载保护。稳压后，由电位计和电压跟随器来实现电压012V连续可调。变压器变压整流电路滤波电路稳压电路调压电路输出电压图4 方案3的框图分析：方案1电路比较复杂，成本较高，适用于要求较高的场合；方案2虽然有三端集成稳压器，但是需要引入一个直流源来抵消其基准电压，在实际中，多为对电路要求不太高的情况。方案3实现简单，且经电压跟随器后输出阻抗小，带负载能力强，输出电压不随负载的变化而变化。故采用第三种设计方案。第三章 单元电路方案论证与选择1 整流电路模块该模块主要利用二极管的单向导电性组成整流电路，将交流电压变换为单方向脉动电压。实现方法主要有以下三种。方案1：单相半波整流电路 （a）电路图 U2 U0 Ud （b）波形图图5 单相半波整流电路 在变压器次级电压u2为正的半个周期内（如图5（a）中所示上正下负），二极管导通，在RL上得到一个极性为上正下负的电压；而在u2为负的半个周期内，二极管反向偏置，电流基本上等于0。所以在负载上的电压的极性是单方向的（如图5（b）所示）。正半周内Uo=U2，Ud=0；负半周内Uo=0。Ud=U2。由此可见，由于二极管的单向导电作用，把变压器次级的交流电压变换为单向脉动电压，达到了整流的目的。其优点是结构简单，使用的元件少，但也有明显的缺点：输出电压脉动大，直流成分比较低；变压器有半个周期不导电，利用率低；变压器含有直流部分，容易饱和。只能用于输出功率较小，负载要求不高的场合。方案2：单相全波整流 (a)电路图U2IoUoO tOtOt (b)波形图 图6全波整流电路全波是利用具有中心抽头的变压器与两个二极管配合，使两个二极管在正、负半周轮流导电，而且二者流过RL的电流保持同一方向，从而使正、负半周在负载上均有输出电压。电路如图6（a）所示。正半周内D1导通，D2截止，在负载RL上得到的电压极性为上正下负；负半周内，D1截止，D2导通，在负载上得到的电压仍为上正下负，与正半周相同。全波整流波形如图6（b）。全波整流的输出电压时半波整流的两倍，输出波形的脉动成分比半波整流时有所下降。全波整流电路在负半周时二极管承受的反向电压较高，其最大值等于，且电路中每个线圈只有一半时间通过电流，所以变压器利用率不高。方案3：单相桥式整流单相桥式整流电路如图7（a）。由图可见，U2正半周时D1、D4导通，D3、D2截止，在负载电阻RL上形成上正下负的脉动电压；而在U2负半周时，D2、D3导通，D1、D4截止，在RL上仍形成上正下负的脉动电压。如果忽略二极管内阻，有UoU2。桥式整流电路波形如图7（b）所示。正负半周均有电流流过负载，而且电路方向是一致的，因而输出电压的直流成分提高，脉动成分降低。单相桥式整流电路主要参数：输出直流电压,脉动系数S，二极管正向平均电流I,二极管最大反向峰值电压U。桥式整流电路解决了单相整流电路存在的缺点，用1次级线圈的变压器，达到了全波整流的目的。因此选用方案三单相桥式整流。 （a）电路图 U2 Io Uo O 0 0 （b）波形图 图7单相桥式整流电路2滤波电路模块 该模块实现降低输出电压的脉动成分，尽量保留直流成分的功能。利用电容和电感的滤波作用达到降低交流保留直流成分的目的。方案1：电容滤波（a）电路图 (a) 滤波后输出的波形 图8 单相桥式整流电容滤波电路如图8所示为单相桥式整流电容滤波电路。利用电容的储能特性，使波形平滑，提高直流分量，减小输出波纹，其输出波形如图8（b）所示。电容滤波有以下特点： 加入滤波电容后，输出电压的直流成分提高，脉动成分减小。 电容滤波放电时间常数（）越大，放电过程越慢，输出直流电压越高，纹波越小，效果越好。为了获得较好的滤波效果，一般选择电容值满足5) ，此时，输出电压的平均值。 电容滤波电路的输出电压随输出电流的增大而减小，所以电容滤波适合于负载电流变化不大的场合。方案2：电感滤波单相桥式整流电感滤波电路如图9，利用电感不能突变的特性，使输出电流波形平滑，从而使输出电压波形也平滑，提高直流分量，减小输出纹波。（a） 电路滤波前滤波后 t（b）滤波后的输出波形 图9单相桥式整流电感电路方案3：复式滤波复式滤波电路由电阻和电容，电阻和电感或电感和电容组合成的滤波。几种常见的复式滤波电路如图10所示。图10（a）所示为型滤波电路，这种电路的缺点是在R上有压降，因而需要提高变压器次级电压；同时，整流管的冲击电流仍然较大，这种电路知识和小电流负载的场合。（b）所示为型滤波电路，这种滤波电路的优点是：简单经济，能兼起限制浪涌电流的作用，滤波效果较好。其缺点是带负载能力差，滤波电路有功率损耗。它适合负载电流小，纹波系数小的场合。（c）所示为倒L型滤波电路，整流后输出的脉动直流经过电感，交流成分被削弱，再经过C滤波后，可在负载上获得更加平滑的直流电压。这种滤波电路的优点是：滤波效果好，几乎没有直流损耗。其缺点是低频时电感体积大，成本高。(a) 型滤波 (b) 型滤波 (c) 倒L型滤波 图10 常见复式滤波电路综合考虑，由于在小功率电源中型滤波电路效果显著，满足本设计要求，故选择方案三。第三章 系统的硬件设计与实现1连续可调直流稳压电路（1）稳压电路图11稳压电路该电路用了7812、7912和7805、7905制成了两组稳压直流电源电路分别得到12V和5V的电源。为了防止恒流源电路中的较大电流对控制部分产生干扰，将控制部分的电源和恒流源电路电源分成独立的两部分，分别由两组变压器供电。（2）连续调压电路图12 连续调压电路该电路采用1M 、步进为0.01%.的电位计进行电压采样，经电压跟随器提高带负载能力后输出。电位计两端的电压为12V，通过调节电位器可得到0-12V标准电压。电压跟随器采用12V工作电压，使调压电路电压不受负载变化的影响，且输出阻抗小，可靠性高。2 过载短路保护电路连续可调稳压电源稳压部分采用78XX和79XX系列，其内部均含有限流电路使总输出电流400mA。（本部分设计不足）3 A/D转换及数码显示电路。（1）工作原理该电路采用MC14433三位半A/D 转换器、MC1413 即七路达林顿驱动器阵列CD4511 BCD到七段锁存-译码-驱动器、能隙基准电源MC1403和共阴极LED发光数码管组成。本系统是三位半数字电压表,三位半是指十进制数00001999。所谓3位是指个位、十位、百位，其数字范围均为09，而所谓半位是指千位数，它不能从0变化到9，而只能由0变到l，即二值状态，所以称为半位。 图13 AD转换及数码显示电路各部分的功能如下： 三位半AD转换器(MC14433)：将输入的模拟信号转换成数字信号。基准电源(MC1403)：提供精密电压，供AD 转换器作参考电压。译码器(MC4511)：将二十进制(BCD)码转换成七段信号。驱动器(MC1413)：驱动显示器的a，b，c，d，e，f，g七个发光段，驱动发光数码管(LED)进行显示。显示器：将译码器输出的七段信号进行数字显示，读出AD转换结果。工作过程如下： 三位半数字电压表通过 位选信号即DS1DS4进行动态扫描显示，由于MC14433电路的AD转换结果是采用BCD码多路调制方法输出，只要配上一块译码器，就可以将转换结果以数字方式实现四位数字的LED发光数码管动态扫描显示。DS1DS4输出多路调制选通脉冲信号。DS选通脉冲为高电平时表示对应的数位被选通，此时该位数据在Q0Q3端输出。每个DS选通脉冲高电平宽度为18个时钟脉冲周期，两个相邻选通脉冲之间间隔2个时钟脉冲周期。DS和EOC的时序关系是在EOC 脉冲结束后，紧接着是DS1输出正脉冲。以下依次为DS2，DS3和DS4。其中DS1对应最高位(MSD)，DS4则对应最低位(LSD)。在对应DS2，DS3和DS4选通期间，Q0Q3输出BCD全部数位数据，即以8421码方式输出对应的数字09在DS1选通期间，Q0Q3输出千位的半位数0或l及过量程、欠量程和极性标志信号。在位选信号DS1选通期的间Q0Q3的输出内容如下：Q3表示千位数，Q3=0代表千位数的数字显示为1，Q3=1代表千位数的数字显示为0。Q2表示被测电压的极性，Q2的电平为1，表示极性为正，即UX0，Q2的电平为0，表示极性为负，即UX1999，则溢出。|UX|UR 输出 低电平。当 = 1时，表示|UX|VREF 时，OR输出 低电平，正常量程OR为高电平。(16)(19) 端：对应为DS4DS1，分别是多路调制选通脉冲信号个位、十位、百位和千位输出端，当DS端输出高电平时，表示此刻Q。Q3 输出的BCD 代码是该对应的位上的数据。(20)（23）端：对应为Q0-Q3，分别是AD 转换结果数据输出BCD代码的最低位(LSB)、次低位、次高位和最高位输出端。(24) 端：VDD，整个电路的正电源端。（3） 七段锁存-译码-驱动器CD4511图15 CD4511引脚功能图及其真值表 CD4511 是专用于将二-十进制代码(BCD)转换成七段显示信号的专用标准译码器，它由4位锁存器，7段译码电路和驱动器三部分组成。 (1) 四位锁存器(LATCH)：它的功能是将输入的A，B，C 和D代码寄存起来，该电路具有锁存功能，在锁存允许端（LE 端，即LATCHENABLE）控制下起锁存数据的作用。 当LE=1时，锁存器处于锁存状态，四位锁存器封锁输入，此时它的输出为前一次LE=0时输入的BCD码； 当LE=0时，锁存器处于选通状态，输出即为输入的代码。由此可见，利用LE 端的控制作用可以将某一时刻的输入BCD代码寄存下来，使输出不再随输入变化。(2) 七段译码电路：将来自四位锁存器输出的BCD 代码译成七段显示码输出，MC4511中的七段译码器有两个控制端： LT (LAMP TEST)灯测试端。当LT = 0时，七段译码器输出全1，发光数码管各段全亮显示；当LT = 1时，译码器输出状态由BI端控制。 BI (BLANKING)消隐端。当BI = 0时，控制译码器为全0输出，发光数码管各段熄灭。BI = 1时，译码器正常输出，发光数码管则正常显示。上述两个控制端配合使用，可使译码器完成显示上的一些特殊功能。(3) 驱动器：利用内部设置的NPN管构成的射极输出器，加强驱动能力，使译码器输出驱动电流可达20mA。CD4511电源电压VDD的范围为5V-15V，它可与NMOS电路或TTL电路兼容工作。CD4511采用16引线双列直插式封装，引脚分配和真值表参见图2。使用CD451l时应注意输出端不允许短路，应用时电路输出端需外接限流电阻。（4）七路达林顿驱动器阵列MC1413MC1413采用NPN达林顿复合晶体管的结构，因此具有很高的电流增益和很高的输入阻抗，可直接接受MOS 或CMOS 集成电路的输出信号，并把电压信号转换成足够大的电流信号驱动各种负载该电路内含有7个集电极开路反相器(也称OC0门)。MC1413电路结构和引脚如图3所示，它采用16引脚的双列直插式封装。每一驱动器的输出端都接有一释放电感负载能量的续流二极管。（5）高精度低漂移能隙基准电源MC1403MC1403的输出电压的温度系数为零，即输出电压与温度无关该电路的特点是： 温度系数小； 噪声小； 输入电压范围大，稳定性能好,当输入电压从+45V变化到+15V时，输出电压值变化量小于3mV；输出电压值准确度较高，y。值在2.475V2.525V 以内； 压差小，适用于低压电源； 负载能力小，该电源最大输出电流为10mA。MC1403用8条引线双列直插标准封装，如图16所示。图16 MC1412管脚功能图及其内部结构 MC1403引脚功能图第四章 电路的Multisim仿真与调试Multisim 是EDA众多优秀软件中较为突出的软件之一，它可以完成电路原理图的输入，电路分析，仿真等全套自动化工序。仿真结果如下：12V集成稳压器两端电压5发V集成稳压器两端电压最大电压值 12V最大电压 12V输出端电压为0V 说明：此时存在微小误差，但可以忽略不计。连续可调总结本设计介绍的直流稳压电源，有机地将数字技术和模拟技术结合起来，它主要由整流滤波部分，连续调压部分，AD转换部分、显示译码驱动器，数码管显示器等所组成，实现功能为输出电压在012V内可调电压和-12V不可调电压。该电路具有精度高，操作方便，成本低，性能可靠，实用性强的优点。但是由于缺乏经验，电路设计仍有不足，如存在微小误差、限流部分设计不足等。设计电路的过程中对数电，模电的知识进行更深一步的了解和学习，提高了我们的电子设计与创造能力，培养了我们认真严谨，勤于探索的学习态度。鸣谢这次设计我们最应感谢的人就是各位指导老师，是你们指出我们方案中存在的问题、给了我们非常有建设性的启示，使我们的设计才得以顺利完成。我还要感谢我的队友，正是由于我们之间很好的合作才能使我们成功解决设计中存在的问题。最后我还要感谢所有给过我帮助和支持的同学们，是他们在我有疑难和不解时给了我启示，从而让我完成了这次课程设计。元器件明细表及参考文献元器件明细表 序号名称型号参数数量备注1变压器220V/15V2T1 T22桥式整流器1B4B422D1 D23二极管4D3D64电解电容4C1 C5 C7 C115普通电容106电位计1R57三端集成稳压器LM7812CTLM7912CTLM7805CTLM7905CT48电压跟随器3288RT19基准电源MC1403110三位半A/D转换器MC14433111七段锁存/译码/驱动器CD4511112七路达林顿驱动器MC1413113四位共阴极LED数码显示管114电阻若干15导线若干参考文献：1.林涛数字电