直流稳压课程设计.doc

简易直流稳压电源长 安 大 学电 子 技 术 课 程 设 计简易直流稳压电源专 业 电气工程及其自动化班 级 28040602姓 名指导教师 田莉娟日 期 2008-6-20前言目录第一章系统概述-11.1系统设计思路与总体方案摘要 本次试验设计的是一个输出电压为-12伏12伏的直流稳压电源，电源012伏连续可调，输出电压可数字显示。该电源电路由直流稳压电源电路，信号衰减电路，模数转换电路，显示电路四部分组成。电源电路由电源变压器，整流电路，滤波电路，稳压电路四部分组成。其功能是实现将电网的交流电转换成输出电压幅值稳定的直流电。信号衰减电路将直流稳压电源输出的直流电压信号进行衰减，以符合模数转换器的要求。模数转换电路利用集成芯片在规定时间内把衰减后的电压信号在某时刻t的幅度值转换为一个相应的数字量。显示电路将经模数转换后的数字量进行译码，由驱动器驱动显示器进行显示。 本电源因其连续可调，且可数字显示，所以用途广泛，可用作随身听，收音机，简易照明工具，简易加热工具等工具的电源。Abstract This experimental design is a regular DC power whose output voltage ranges from-12 volts to 12 volts , it can be adjusted consecutively from 0 volts to 12 volts , and the output volts can be can be shown on by LED. The power circuit consist of the DC power supply circuits, signal attenuation circuit, A / D converter circuit, display circuit. The power transformer, rectifier circuit filter circuit and the regulator circuit constitute the DC power supply circuits. Its function is to convert the AC into a DC which can output stable voltage. The function of the signal attenuation circuit is to attenuate the DC signal, to meet the requirements of ADC. Analog-digital conversion circuit use chips to convert the attenuated signal of the voltage whose special rate at moment t to a corresponding value of the digital. display circuit translate the value of the digital which was converted by the analog-digital circuit to the digital decoder, driven by the drive display monitors. The power ,because of its continuous-tuning, and the figures can be shown , so it was widely used. It can be used as power by music players, radios, lighting tools, simple heating tools and so on .关键字：第一章 系统概述1.1系统设计思路与总体方案 简易直流稳压电源的设计要求如下： 1. 输出电压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。通过对设计要求的分析，可将要求设计的简易直流稳压电源划分为以下几个模块： 各模块的功能如下：直流稳压电路将电网提供的50Hz正弦交流电转换成稳定的直流电。要求直流电输出电压幅值稳定（即当电网电压或负载电流波动时它能基本保持不变），直流输出电压平滑，脉动成分小，交流电变换成直流电的转换效率高。信号衰减电路：将直流稳压电源输出的直流电压信号进行衰减，以符合模数转换器的要求。AD转换电路：利用集成芯片在规定时间内把衰减后的电压信号在某时刻t的幅度值转换为一个相应的数字量。显示电路：将经模数转换后的数字量进行译码，驱动显示器进行显示。第二章 单元电路的设计和总体分析2.1直流稳压电路2.1.1直流稳压电路的组成 直流稳压电路的结构框图如下： 图1 直流电源的组成1） 电源变压器将电网提供的有效值为220V的交流电经过电源变压器进行变换，使变压器次级电压的有效值与所需直流电压接近，以便整流、滤波和稳压等后续电路处理。2）整流电路整流电路的作用是利用具有单向导电性能的整流元件（如整流二极管、晶闸管），将正弦交流电变换成单项脉动的直流电。但这种单向脉动电压含有很大的纹波成分，距离理想的直流电压还差的很远，一般不能直接作为电子电路的电源使用。3）滤波电路 滤波电路有电容、电感等除能源间组成。它的作用是尽可能地将单向脉动电压中的脉动成分滤掉，使输出电压成为比较平滑的直流电压。但是，当电网电压或负载电流发生变化时，滤波器输出直流电压的幅值也将随之变化，在要求比较高的电子设备中，这种情况时不符合要求的。4） 稳压电路 稳压电路的作用是采取某些措施，使输出的直流电压在电网电压或负载电流发生变化时保持稳定。2.1.2 整流电路 整流电路有单向半波整流电路、单向全波整流电路、单向桥式整流电路和倍压整流电路。由于单向半波整流电路有输出电压脉动大、直流成分比较低、变压器有半个周期不导电、利用率低等明显缺点，故不予采用。单向全波整流电路每个线圈只有一半时间通过电流，变压器的利用率也不高，故也不予采用。倍压整流电路一般用于电压较高而负载电流很小（10mA）的情况，要求设计的直流稳压电路输出电压不高，倍压整流电路的输出电流亦不符合要求，所以也不采用。 整流电路最终采用单项桥式整流电路。2.1.3 滤波电路滤波电路种类比较多，可分为电容滤波电路、电感滤波电路、复式滤波电路，复式滤波电路中又包括LC滤波电路、LC型滤波电路、RC型滤波电路。各种滤波器的主要性能如下表：表中的电感滤波器都有体积大成本高，不易集成的缺点。而且由表知，电感滤波电路适用于负载电流比较大的场合，不符合输出电流的要求。LC型滤波器它常用于负载电路较大或者电源频率较高的场合，不符合输出电流和频率的要求。RC型滤波器在R上有直流压降，因而必须提高变压器的次级电压，而且外特性很软。所以采用电容滤波电路。2.1.4 稳压电路稳压电路用集成稳压电路实现。集成稳压器有三端固定输出电压式、三端可调输出电压式。它们内部都有过电流、过热等各种保护功能。由于要求设计的简易直流稳压电源要求电压从零开始连续可调，而由三端固定输出电压式集成稳压器组成的电压可以调节的稳压电路很难实现从零起调，所以采用三端可调输出稳压器。三端可调输出稳压器典型产品有CW117、CW217、CW317系列（正压输出），负电源系列有CW137、CW237、CW337等，同一系列内部电路和工作原理基本相同，只是工作温度不同。如CW117、CW217、CW317的工作温度分别为（-55150）、（-25150）、（0125）。根据输出电流的大小，每个系列又分为L系列IO0.1A、M型系列IO0.5A。如果不标M或L的则表示该器件IO1.5A。根据工作温度和输出电流的要求，选择CW317L、CW337L。CW317L系列组成框图如图所示： 图2 CW317L系列组成框图 它的电路符号如下图所示：由于输入电流大部分从输出端流出，所以没有专门引出接地端。2.1.5 直流稳压电路由CW317L组成的电压连续可调稳压电路如图所示：图中UO表达式为： UO=1.25(1+RpR)D1用于防止输入短路时C3上存储的电荷产生很大的电流反向流入稳压器使之损坏。D2用于防止输出短路时C2通过调整端放电而损坏稳压器。该电路有两个问题没有解决： 从零起调问题; 没有负的输出。无法从零起调是由于当Rp=0时，调整端电位不为零，可通过运算放大器的运算功能予以解决。没有负的输出可采用跟踪的办法予以解决。 由单向桥式整流电路、电容滤波电容以及CW317L组成的直流稳压电源如图所示：图3 直流稳压电源当Rp=0时，运算放大器IC3有：V+=0.5(Vo-1.25)V_=Vo由于IC3接有负反馈，所以有i+=i_=0V+=V_所以(V6-V_)/(V_-V0)=R5/R4因为R5=R4解得V6=-1.25V稳压器IC1输出电压+Vo=1.25(1+Rp/R)-1.25V运算放大器IC4同样具有负反馈，所以同样有i+=i_=0V+=V_因为V+=0，所以V_=0.即（R10Vo/(R9+R10)+R9(-Vo)/(R9+R10)）=0(叠加定理)解得- Vo=-（+ Vo）这样就实现了电压从+12V到-12V连续可调。2.1.6 参数计算RL = =120由RLC(35),得C250416.67 F这里取C=500F 为保证稳压器在电网量低时仍处于稳压状态，要求 UIU0MAX+(UI-U0)MIN其中 U0MAX=12V,UI15V式中，（UI-U0）MIN是稳压器的最小输出压差，典型值为3伏。在单向桥式整流电路中，有：UI=0.9U2U2为变压器次级线圈有效值。U2=17V,变压器比为k=13.二极管承受的最大反向电压UM=U2=24.04V可选型号IN4001的二极管，该型号整流电流I=1A。变压器功率为P=2U2I=34W可选择功率为3540W变压器。21.7 元器件选择本电路均为通用元器件，无特殊规格。IC3、IC4为通用型运放，也可由OP-07代用。电阻全部选用1/4W金属膜电阻，其中R4、R5、R6、R7、R9、R10精度要求为1。RP1应选用线绕电位器。桥式整流二极管以及D5、D6均选用IM4001。电源变压器T可选用14英寸黑白电视机电源变压器代用，如自绕应选EI型高夕钢片，功率为35W-45W即可。2.2 信号衰减电路图4 信号衰减电路图图4为信号衰减电路原理图，其目的在于将直流稳压电源的输出电压幅值衰减为原来的0.1倍。电路中的参数计算如下：运算放大器IC5接有负反馈，所以U+=U- i+=i-=0因为U-=U+=0所以U = U0因为 i+=i-=0 (U-U-)/(UU)=Rf/RA解得U=-U运算放大器IC6接成反相比例器故U0、=-U=-U=-U将U=U0代入并令Rf=2RA,得U0=-U0这里要将信号U0衰减为原来的0.1倍故RA=18RB故取RB=1K.则RA=18K，Rf=36。并取，则为了保持电路的平衡RD=18K.2.3 A/D电路23.1 A/D转换器的基本原理 A/D转换器的功能是在规定时间内把模拟信号在时刻t幅度值（电压值）转换为一个相应的数字量。由于A/D转换器输入的模拟信号在时间上是连续的，输出的数字信号是离散的。所以只能在一系列选定的瞬间进行A/D转换，这样就要求对输入的模拟信号先进行采样，然后再把这些采样值转换为数字量进行输出。因此，一般的A/D转换过程需要经过采样、保持、量化和编码这四个步骤来完成。A/D转换器可以分为直接A/D转换器和间接A/D转换器。直接A/D转换器的典型电路有并行比较型A/D转换器、逐次渐近型A/D转换器。并行比较型A/D转换器随着位数的增加所用的比较器和触发器会按几何级数增多，因此一般用在转换速度较快而转换精度要求不太高的场合。逐次渐进型A/D型转换器具有转换速度快、转换精度精度高的特点。间接A/D转换器的典型电路是双积分A/D转换器。双积分A/D转换器的特点在于它的抗工频干扰能力强，由于两次积分比较是相对比较，对器件的稳定性要求不高，容易实现高精度转换，但它存在转换速度较慢的缺点。由于要求设计的电路对转换速度要求不高，对转换精度有一定要求，兼之双积分A/D转换器的突出优点，所以这里采用双积分A/D转换器。 由于A/D转换的集成芯片已经很成熟，所以A/D转换部分用集成芯片来完成。CC14433是典型的双积分A/D转换器。要用到的集成芯片还有CC4511、MC1413和MC1403。 以下是各芯片的介绍：位双积分A / D转换器CC14433的性能特点：CC14433是CMOS双积分式位A / D转换器，它是将构成数字和模拟电路的约7700多个MOS晶体管集成在一个硅芯片上，芯片有24只引脚，采用双列直插式，其引脚排列与功能如图5所示。图5 CC14433引脚排列引脚功能说明：VAG（1脚）：被测电压VX和基准电压VR的参考地VR（2脚）：外接基准电压（2V或200mV）输入端VX（3脚）：被测电压输入端R1（4脚）、R1 C1（5脚）、C1（6脚）：外接积分阻容元件端C10.1f（聚酯薄膜电容器），R1470K（2V量程）；R127K（200mV量程）。 C01（7脚）、C02（8脚）：外接失调补偿电容端，典型值0.1f。 DU（9脚）：实时显示控制输入端。若与EOC（14脚）端连接，则每次A / D转换均显示。CP1 （10脚）、CPo （11脚）：时钟振荡外接电阻端，典型值为470K。VEE （12脚）：电路的电源最负端，接5V。 VSS （13脚）：除CP外所有输入端的低电平基准（通常与1脚连接）。 EOC（14脚）：转换周期结束标记输出端，每一次A / D转换周期结束，EOC 输出一个正脉冲，宽度为时钟周期的二分之一。 （15脚）：过量程标志输出端，当VXVR 时，输出为低点平。 DS4DS1 （1619脚）：多路选通脉冲输入端，DS1对应于千位，DS2 对应于百位，DS3 对应于十位，DS4对应于个位。Q0Q3 （2023脚）：BCD码数据输出端，DS2、DS3、DS4选通脉冲期间，输出三位完整的十进制数，在DS1选通脉冲期间，输出千位0或1及过量程、欠量程和被测电压极性标志信号。CC14433具有自动调零，自动极性转换等功能。可测量正或负的电压值。当CP1 、CP0 端接入470K 电阻时，时钟频率66KHz，每秒钟可进行4次A / D转换。它的使用调试简便，能与微处理机或其它数字系统兼容，广泛用于数字面板表，数字万用表，数字温度计，数字量具及遥测、遥控系统。精密基准电源MC1403A / D转换需要外接标准电压源作参考电压。标准电压源的精度应当高于A / D转换器的精度。本实验采用MC1403集成精密稳压源作参考电压，MC1403的输出电压为 2.5V，当输入电压在4.515V 范围内变化时，输出电压的变化不超过3mV，一般只有0.6mV左右，输出最大电流为10mA。MC1403引脚排列见图6。图6 MC1403引脚排列 图7 MC1413引脚排列和电路结构图MC1413采用NPN达林顿复合晶体管的结构，因此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OC门）。MC1413电路结构和引脚排列如图7所示，它采用16引脚的双列直插式封装。每一驱动器输出端均接有一释放电感负载能量的抑制二极管。线路结构如图8所示。图8 A/D转换电路（1） 被测直流电压VX经A / D转换后以动态扫描形式输出，数字量输出端Q0 Q1 Q2 Q3 上的数字信号(8421码)按照时间先后顺序输出。位选信号DS1DS2，DS3，DS4通过位选开关MC1413分别控制着千位、百位、十位和个位上的四只LED数码管的公共阴极。数字信号经七段译码器CC4511译码后，驱动四只LED数码管