课程设计_数字电源.doc

课程设计说明书 目 录1.前言12总体方案的设计22.1方案提出22.2方案比较：33.单元模块设计53.1变压器的选择53.2桥式整流电容滤波电路53.3 7805/7905电源电路63.4 LM317稳压电路73.5 电阻分压提取电流信号83.6 电阻分压提取电压信号113.7 7107处理电压部分123.8 数码管显示电路133.9 特殊元件介绍144.软件介绍174.1 Professional7.4仿真软件174.2 Protel99se作图软件185系统调试205.1电压校准205.2过压电流测试206系统功能、指标参数217.参考文献228.附录238.1数字电源原理图238.2 数字电源PCB图248.3 数字电源仿真图251.前言随着科学技术的发展，人们对电源的要求也逐渐的升高，特别是对于一些精度要求比较高的器件、电路。对电源电压的精度，纹波系数等对测量结果有较大的影响。数字电源相比普通的电源：具有输出电压更广，输出电压可以直接显示不需要外加仪器进行测量，便于调节，保护电路简单有效等特点。因此在生产生活教学中运用广泛。尽管市场上的数字电源芯片也较多，成品价格便宜，使用方便。但鉴于数值电路中包含了许多模拟电路，数子电路方面的知识。有利于我们在实践中学习，进一步的了解电子电路的设计、组成、测试、及运用所学的知识解决相关的问题的能力。本数字电源采用LM317作为变压器件，可以输出1.25V-30V 的电压但经过，输出电流最大能达到1.5A。但经过对输出端的修正改变之后可以输出1-15 V的电压满足设计所需要的要求。相比普通的三端原件如7805，7815等，输出的电压范围更广便于调节，因此更能适应需要。用7107三位半电压检测显示芯片，可以检测电压范围为-199mv至199mv的电压，通过分压原理我们可以将得到的电压按比例缩小一定倍数，然后用数码管显示出来。 我们通过旋转电位器，调节输入的组织，从而达到调节电源电压的目的，这种方法简单方便。实用于普通的可调数字电源。2总体方案的设计2.1方案提出方案一：电源部分我们可以用7815来产生15V的电压，然后通过分压来产生0-15V的电压；电压显示部分用MC14433构成的3位半数字电压表通过检测输出电压然后通过数码管将检测到的电压显示出来；电压保护部分用保险丝来代替，方案如图所示保险丝保护电路7815产生15V的电压 通过分压检测输出信号MC14433显示输出电压分压产生0-15V 的电压图2.1方案方框图方案二：电源部分用LM317产生0-15V 的可调电压；将采集到的电压信号通过运算比较器，得到稳定的电压，控制继电器来实现过流保护；用CC7106将采集到的电压信号显示出来，实现电源的数字化。7805、7905可以为运放提供稳定的电源电压。 方案图如图所示：交流220V变压器降压桥式整流LM317稳压输出0-15V电压电阻分压提取信号运放放大信号运放比较器继电器保护电路电阻分压提取信号7107处理电压信号数码管显示电压7805产生+5V7905产生-5V为运放供电运放跟随器图2.2方案2方框图2.2方案比较：在方案一中7815输出的电压为稳定的+15V的电压通过分压来实现，在输出电压较小时，大部分的电压消耗散失掉，造成大量的能源浪费。而LM317输出的电压范围1.25V-30V便于调节经过调整后可以输出稳定的0-15V电压且便于调节，因此我们选用LM317 作为电源稳压部分。稳压部分如果单纯的只用保险管，每当过流时就需换保险管很不经济，因此我们采用运放比较器输出电压来控制继电器，防止电流过大引起的危险。显示部分，MC14433和CC7106都是3位半数字显示芯片，但是MN14433输出的电压信号是二进制信号需要通过74HC4511进行译码，才能通过数码管显示，这样就增加元件和电源电路的复杂性；而CC7106输出的信号可以直接用数码管显示出来，这样就节约了元件，使电路相对简单，而且更加实用。所以我们选用方案二。3.单元模块设计3.1变压器的选择 根据输出电压与输入电压的关系，要使输入的电功率大于等于输入的电功率从而使得电路能处于正常的工作状态，因此输入的电压因大于输出电压最大值的1.5倍。LM317最大的输出电压为15V，因此我们可以选用24V的电源为它供电。而7805、7905的输出电压为+5V、-5V因此我们可以选用9V的变压器为它们提供输入电压。 图3.1.1变压器电路3.2桥式整流电容滤波电路根据二极管的单向导通性，可以用四个二极管组成桥式整流电路，将交流电变为直流电为LM317、7805、7905提供输入电源。二极管1N4007最大允许电流1A，耐压为1000V，各项指标都满足我们的需要，而且用途广泛，价格便宜。因此选用它作为桥式电路的整流电路图3.2.1桥式整流电路图3.2.2经过桥式整流后的电压在二极管整流后，通过大电容对电压的滤波作用，可以调整输出的电压使输出电压始终大于LM317、7805、7905要求的输入电压。图3.2.3经过电容整流后的电压3.3 7805/7905电源电路7805/7905是常用的三端稳压器件，通过稳压整流可以输出稳定的+5V、-5V的电压，为运放、CC7107等元件提供稳定的电压。而且可以作为运算比较器的基准电压。运用相当的广泛。因为7805、7905 为降压稳压型三端稳压器件，所以在输入端加上两个大电容，能储存较大的电能，保持输入端的电压始终大于5V.输出端加入两个较小的电容，可以起到稳定输出电压，较小波等作用。图3.3.1 7805、7905稳压电路3.4 LM317稳压电路 LM117/LM317是美国国家半导体公司的三端可调正稳压器集成电路。输出电压范围是1.2V至37V，负载电流最大为1.5A。它的使用非常简单，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。LM117/LM317内置有过载保护、安全区保护等多种保护电路。 由元件的参数可得，LM317输出的电压范围是1.2V-37V最小电压是1.2V大于0V，最大输出电压为37V大于15V。可以通过改变输出电阻的阻值来是输出电阻满足设计所需要的要求。我们在输出电压负端，外加两个硅二极管，当二极管单向导通时每只二极管两端的电压约为0.7V。约为1.4V大于1.3V输出电压的差值约为0V。从而使输出电压满足要求。另外，通过改变控制LM317输出电压调整电阻的阻值。使输出电压的最大值为16.4V，则输出电压的最大值为15V。使输出电压最小值为1.4V，此时二极管两端中约为1.3V，此时输出电压为0.1V约为0V，基本满足设计要求。使设计输出的电压范围满足设计所需要的要求。LM317最大的输出电流为1.5A,大于0.3V，满足设计所需要的要求。图3.4.1LM317稳压电路的设计3.5 电阻分压提取电流信号 电压提取部分：可以通过电阻分压，来提取电流信号，将其转化为电压信号，然后通过电压运放比较器，放大电压信号，然后经过过运放跟随器放大输出电流，从而驱动继电器保护电源，防止电流过大。A.电流信号提取部分：通过在电流直路上安放一个阻值较小的、功率较大的电阻提取电流信号。图3.5.1提取电流信号因为干路上的电阻R=0.33欧，干路电流过压电流为0.3A，由公式U=IR的R11两端的分压为0.1V。则由分压原理的提取电压部分的过流电压为0.05V。B.电压放大部分：我们可以将提取到的电压信号通过运放放大。然后便于运放比较器的运算比较。图3.5.2电压放大部分由运放放大性质可以的，输出电压Ui，输出电压U0,的关系是Ui=U0*R19/R16,输出电压经过运放可以放大100倍。输出的过流电压电压就5V。就可以为继电器提供输出的输入信号源。C.运放比较器：由运放比较器的原理可得：当由运放放大器输出的电压Ui大于输入信号比较值时，输出的电压U0=5V；当输入电压小于输入信号比较值时，输出电压U0=0V。图3.5.3电压比较器当输入的信号大于5V时，电压跟随器就可以输出5V 的电压，电压跟随器提供输入的电压信号。D.电压跟随器、继电器保护电路：由运放的性质电压比较器输出的电压信号在经过电压跟随器的放大，是输出信号的输出电流得到放大。图3.5.4电压跟随器、继电器保护电路当电路正常工作时，输出为0V，三极管处于截至状态，继电器不工作。当输入的电压信号为5V 是，输出的电压也为5V但是输出的电流得到提高，然后驱动三极管导通。流过三极管的电流经过继电器，驱动继电器，起到保护电源电路的作用。同时二极管指示灯变亮，起到报警提示输出电流过大的作用。在继电器外加上一个二极管，当继电器跳闸时，回路中还存在电流，为了防止回路中的电流把继电器烧坏，因此加上一个二极管回路达到保护继电器的作用。3.6 电阻分压提取电压信号 因为我们选用的CC7107芯片能检测到的电压信号在-199mv到199mv,因此我们可以通过电阻分压来提取输出的电压信号。从而检测出输出电压。由串联电阻分压性质U1/U2=R1/R2可得：我们可以通过外接电阻分压来提取输出的电压信号，从而测试输出电压。图3.6.1电阻提取电压信号3.7 7107处理电压部分CC7107是一块应用非常广泛的集成电路。它包含3 1/2位数字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。这里我们介绍一种她的典型应用电路-数字电压表的制作。其电路如附图。制作时，数字显示用的数码管为共阳型。检测电压的部分为-199MV至199MV，经过电阻提取电压信号范围在0V-0.15V在输入电压的范围内，可以直接作为CC7107 的检测电阻。CC7107检测电压的有效值为0.0001V，37脚输出电位为高。可以做为数码管的小数点的显示，从而显示出所测到的、电压值。由资料可的CC7107的典型电路。图3.7.1层CC7107典型电路3.8 数码管显示电路 因为CC7107为3位半AD转换器内包含LED 显示电路，可以直接接在输出电路上，通过数码管显示出来。图3.8.1数码管显示电路如图所示二极管表示电压十位数值，第一个数码管表示电压个位数值，第三位数码管表示电压小数点后的第一位。如图所示电压为12.6V。3.9 特殊元件介绍3.9.1 LM317LM117/LM317 是美国国家半导体公司的三端可调正稳压器集成电路。LM117/LM317 的输出电压范围是1.2V至37V，负载电流最大为1.5A。它的使用非常简单，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。LM117/LM317 内置有过载保护、安全区保护等多种保护电路。图3.9.1：LM317特性简介：LM317可调整输出电压低到1.2V。保证1.5A 输出电流。典型线性调整率0.01%。典型负载调整率0.1%。80dB 纹波抑制比。输出短路保护。过流、过热保护。调整管安全工作区保护等。基本参数：符号参数值单位VI-O输入输出电压差40VIO输出电流内部限制Top工作结温LM117-55到150LM217-25到150LM3170到125Ptot功耗内部限制Tstg储存温度-65到1503.9.2 CC7107双积分A/D转换器 CC7107是一种高性能、低功耗的A/D转换电路，它包含了七段译码、显示驱动参考电源、和时钟电路系统。可以直接用于驱动LED、LCD显示电压。 图3.9.1CC7107的管脚图图3.9.3 CC7107基本参数CC7107典型电路图图3.9.4CC7107 典型电路图4.软件介绍 在此次设计过程中采用的软件有：Professional7.4软件、Potel99se软件4.1 Professional7.4仿真软件Professional仿真软件，使用时首先在元件库里选出需要的元件添加到元件框里去，然后单击可以选择需要的元件，放在界面上。然后按照原理图用导线笔连接起来。在单击开始按键就可以开始仿真了，在工具栏里也可以选用示波器、电压表、电流表。来测试反映出电路的基本性质。图4.1.1 Professional元件栏图4.1.2Professional启动停止按键图4.1.2Professional中的示波器4.2 Protel99se作图软件Protel99se作图软件事制作PCB图时常用的一种工具，我们可以通过在原理图中画出装置的原理，然后生成PCB图。连接好各元件的相应管脚就可以生成印制板的电路图。图4.1.3Protel原理图图4.1.4ProtelPCB图5系统调试5.1电压校准实际电压（V）0.31.73.85.99.711.613.6显示电压 (V)0.41.73.75.99.711.513.65.2过压电流测试设计过压电流（A）0.3实际过压电流（A）0.336系统功能、指标参数 本数字电压可以输出电压范围为0.1-15V的直流电压，最大负载为0.3A。具有数字显示电压功能，过流保护报警功能。能满足用户对数字电源的基本要求，用户通过调节电源上的电位器旋钮来控制输出的电压，调节方便灵活。电源电压通过二极管和数码管来显示，输出电压准确。用户界面友好，适用于一般数字电源的要求。7.参考文献1康华光，电子技术基础 数字部分M.北京：高等教育出版社.20022康华光，电子技术基础 模拟部分M.北京：高等教育出版社.20023陈学平，Protel 2