可调直流稳压电源及单片机AD显示.docx

串联型直流稳压电源一、 课程设计目的本课程旨在培养学生模拟电子电路知识，解决模拟电子技术方面常见实际问题的能力，促使学生积累实际电子制作经验，准备走向更复杂更实用的应用领域，是参加“全国大学生电子竞赛”前的技能培训课程之一。目的在于巩固基础、注重设计、训练技能、追求创新、走向实用。二、设计任务及要求设计并制作用晶体管和集成运算放大器组成的串联型直流稳压电源。指标：1、输出电压6V、9V两档，同时具备正负极性输出；2、输出电流：额定电流为150mA，最大电流为500mA； 3、在最大输出电流的时候纹波电压峰值Vop-p5mv；三、电路设计及其原理1）方案比较方案一： 先对输入电压进行降压，然后用单相桥式整流电路对其进行整流，整流后利用电容的请充放电作用进行滤波，使用电解电容将脉动的直流电压变为更加平滑的直流电压，之后对其进行稳压，稳压部分由稳压管、电阻和三极管组成（如图1），以稳压管Dz电压作为调整管Q的基准电压，电路引入负反馈，当电网电压波动引起输入电压Ui增大，或负载电阻R2增大时，输出电压Uo将随之增大，即调整管Q的发射极电位UE；稳压管Dz电压基本不变，即调整管基极电位UB基本不变；故调整管的UBE（UB-UE）减小，导致IB（IE）减小，从而使Uo减小；因此而达到稳压的效果。当Ui减小或负载电阻R2减小时，变化与上述过程相反。负电源部分与正电源部分相对称，原理一样。 图1方案二：降压、整流、滤波部分同方案一基本一样，而稳压部分则由以晶体管Q1为调整管、电阻R4与稳压管Dz构成基准电压电路、电阻R1、R2和R3为输出电压的采样电路、集成运放作为比较放大电路、晶体管Q2和R5构成保护电路五个部分组成（如图2所示）。当电网电压波动或负载电阻变化等原因使得输出电压Uo升高时，采样电路将这一变化趋势送到A的反相输入端，并与同相输入端电位Uz进行比较放大；A的输出电压，即调整管的基极电位降低；因为电路采用射极输出形式，所以输出电压Uo必然降低，从而使Uo得到稳定。当Ui减小或负载电阻R2减小时，变化与上述过程相反。负电源部分与正电源部分相对称，原理一样。 图2对以上两种方案进行比较，可以发现方案一为线性稳压电源，具备基本的稳压效果，但是只是基本的调整管电路，输出电压不可调，而且输出电流也不大；而方案二则使用了运放和调整管作稳压电路，输出电压可调，而且功率也较高，可以输出较高的电流，而且稳压效果也比方案一要好，所以选择方案二。2）整体电路整体电路的框架如图3所示，先对电网电压进行降压，降压后再对其进行整流，整流后是高低频的滤波电路，最后是由基准电压电路、比较放大电路和采样电路三个小的单元电路组成的稳压电路，稳压后为了得到进一步得到更加稳定的电压，在稳压电路后再对其进行小小的滤波，最终得到正负输出的稳压电源。输出滤波电路输出滤波电路正极输出端负极输出端共地端正极滤波电路稳压电路比较放大电路基准电压电路调整管保护电路采样电路负极滤波电路稳压电路比较放大电路基准电压电路调整管保护电路采样电路变压电路全波整流 图33）单元电路设计变压电路本次课程设计的要求是输出正负9V和正负6V的双电压电源，输出电压较低，而一般的调整管的饱和管压降在2-3V左右，由UCE=Uimin-Uomax,UCE为调整管饱和压降而Uomax为输出最大电压，Uimin为输入最小电压，按UCE=3V计算，则输入电压Ui最小不能小于12V，又因为电压是正负输出，即正极输入电压最小不能小于12V，负极输入电压最小不能小于12V，故输入正负两极的电压最小不能小于24V。再由P=UI可知，变压器的功率应为0.59=4.5W，并且串联稳压电源工作时产生的热量较大，效率不高，所以变压器的功率应选择相对大些，因此，选择双15V10W变压器。整流电路由于输出电流最大只要求500mA,相对较小，所以整流电路可以选择常见的由四个串并联的二极管组成的单相桥式整流电路（如图4所示）。整流二极管的选择当忽略二极管的开启电压和导通压降，且当负载为纯阻性负载时，我们可以得到二极管的平均电压UO（AV） ： UO（AV）=其中U为变压器次级交流电压的有效值。我们可以求得UO（AV）13.5V。对于全波整流来说，如果两个次级线圈输出电压的有效值均为U，则处于截止状态的二极管承受的最大反向电压为U，即为42.43V。考虑到电网波动（通常波动为10%，为保险起见取30%的波动），可以得到：UO（AV）1.30.9U=17.55V，最大反向电压应大于55.15V。在最大输出电流为500mA的情况下，我们可以选择额定电流为1A，反向耐压为1000V的KBP206。 图4滤波电路当滤波电容C1偏小时，滤波器输出电压脉动系数大；而C1偏大时，整流二极管导通角偏小，整流管峰值电流增大，不仅对整流二极管参数要求较高；另一方面，整流电流波形与正弦电压波形偏离大，谐波失真严重，功率因数低。所以电容的取值应当有一个范围，由前面的计算我们已经得出变压器的次线线圈输出电压为15V，最大输出电流为500mA，我们可以求得负载的电阻R为18，根据滤波电容的计算公式：求出滤波电容的取值范围，其中在电路频率为50Hz的情况下，T=0.02s，则电容的取值范围为1667uF2778uF,从市场的角度我们选取容量为2200uF、额定电压为50V的电解电容。另外，为了改善输入电压波纹，故在C1两边并上容量为0.33uF、额定电压为50V的电解电容。稳压电路稳压电路组要由四部分构成：调整管，基准稳压电路，比较放大电路，采样电路，保护电路。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（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。由于输出电流较大，达到500mA，为防止电流过大烧坏调整管，需要选择功率中等或者较大的三极管，调整管的击穿电流必须大于500mA，又由于三极管CE间的承受的最大管压降应该大于15-6=9V，考虑到30%的电网波动，我们的调整管所能承受的最大管压降应该大于13.5V，最小功率应该达到=6.75W。我们可以选择适合这些参数，并且在市场上容易买到的中功率三极管TIP41，它的最大功率为60W,最大电流超过6A，所能承受的最大管压降为100V，远远满足调整管的条件。保护电路采用过流保护电路，由TIP41和阻值为1.2（UBE2/Iomax）的电流采样电阻组成。负极的调整管则选择与之相对应的的中功率三极管TIP42。基准电路由3.6V的稳压管和1K的保护电阻组成。由于输出电压要求为6伏和9伏，如果采样电路取固定值则容易造成误差，所以采样电阻最好应该做成可调的，固采样电路由两个电阻和一个可调电阻组成，根据公式：求出。其中为运放正反相输入端的电阻，为输出端正极（负极）与共地端之间的电阻 ，为稳压管的稳压值。故可以取两个1K的固定电阻置于1k的滑阻两旁避免当滑为0.所以根据此公式可求的电路的输出电压为5.4-10.8V。可以输出6V和9V的电压，运放选用工作电压在15V左右前对电压稳定性要求不是很高的运放，由于uA741的工作电压为正负12V-正负22V，范围较大，可以用其作为运放，因为整流后的电压波动不是很大，所以运放的工作电源可以利用整流后的电压来对其进行供电。正稳压电路的正极和负极分别如下图 正极 负极输出滤波电路由于实际电阻或电路中可能存在寄生电感和寄生电容等因素，电路中极有可能产生高频信号，为了使输出电压更稳定，输出纹波更小，需要对输出端进行再次滤波，在输出端接一个10uf的电解电容和一个103的陶瓷电容(如图5所示)，这样电源不容易受到负载的干扰。使得电源的性质更好，电压更稳定。 图5可调电源系统电路总图电路仿真正负输出的最大值和最小值电压仿真结果如下图： 图6 电压正负输出最值调节滑动变阻器，可得到6V和9V的电压值，仿真结果如下图： 图7 6V和9V的电压值输出电流：额定电流为150mA，最大电流为500mA，仿真结果如下图：在最大输出电流的时候纹波电压峰值Vop-p5mv，仿真结果如下图：5V稳压电源一、 设计任务设计一稳定输出+5V的直流电源给STC12C5A60S2单片机供电二、 工作原理将220V的市电经过变压器进行降压后，用整流桥堆对交流电源进行整流，再用电容进行滤波使电源电压变得更加平滑，最后通过三端稳压管LM7805稳压后，成为5V直流输出，供给单片机使用。三、 电路设计及原理1） 采用方案 由于本方案中采用三端稳压管LM7805进行稳压，为使三端稳压管LM7805输出电压稳定，要求输入电压应高于输出电压4V-7V，即要求LM7805的输入电压为9-12V，而串联型直流稳压电源采用的是双220-15V变压器，经整流后输出电压大约为18V，则在输出电压与LM7805的输入电压之间应串上一个稳压二极管进行降压，在本方案中采用1N4737稳压管，其稳压值为7.5V，因此LM7805的输入电压10.5V左右，符合9-12V的范围。5V稳压电源总电路如下图所示电路仿真 变压整流后的电压 LM7805的输入电压LM7805的输出电压与波形仿真效果如下图所示电压检测一、设计任务 将串联型稳压直流电源的输出电压值通过四位数码管进行显示。二、工作原理 将串联型稳压直流电源的输出电压进行A/D转换，然后将转换得到的电压值送到四位数码管上进行显示。三、电路设计及原理 由于方案需要用到A/D转换芯片和单片机这两个器件的功能，考虑到价格及市场方面，选取自带A/D的STC12C5A60S2单片机，以经由三端稳压管LM7805稳压后稳定输出的5V电源为单片机的驱动电源VCC，待测电压接在P1.1口，为使单片机工作，须给单片机加上复位电路和时钟电路，经A/D转换后的电压值通过P0口输出，由74HC573锁存器、74HC138芯片将数据送到四位数码管上进行显示（原理图见附件）。由于待测电压的范围为-10.8V到+10.8V，而STC12C5A60S2的采样输入电压不得高于单片机的参考电压，即单片机的内部工作电压5V，故需将待测电压进行降压，因此使用电阻分压的形式将输入电压降为原来的1/3；即输入的待测电压范围为-3.6V到+3.6V，而且因为STC12C5A60S2的内部A/D无法采样负电压，故使用反相器将负电压变成正电压后，再送到A/D内部进行转换。STC12C5A60S2是STC Micro公司推出的完全集成的混合信号片上系统MCU。1个时钟/机器周期低成本、高可靠性、高速A/D转换，10位精度ADC，带8通道模拟多路开关，转换速度250K/S（250万次/秒），具有可编程数据更新方式；60KB系统编程的Flash内存，1280字节的片内RAM，可寻址64KB地址空间的外部存储器接口，硬件实现的ISP/IPA在线系统可编程/在线应用可编程，可通过串口（P3.0/P3.1）直接下载用户程序；6个通用的16位定时器，兼容普通8051的定时器T0/T1,4路PCA也是4个定时器；2通道捕获比较单元（PWM2路/PCA可编程计数器阵列4路/CCU）可用来当2路D/A使用、用来再实现2个定时器或2个外部中断。STC12C5A60S2是真正能独立工作的片上系统。STC12C5A60S2的功能均可由用户进行设置使能/禁止。Flash存储器具有在线系统重新编程能力。P1口可配置为8位拨码开关的输入，用8位拨码开关实现10位高速A/D的数据采样。本内容则运用到STC12C5A60S2内部的10位A/D。反相器电路输入电压Ui通过电阻R作用于集成运放的反相输入端，故输出电压Uo与Ui反相。同相输入端通过电阻R1接地，R1为补偿电阻，以保证集成运放输入级差分放大电路的对称性；其值为Ui=0（即将输入端接地）时反相输入端总等效电阻。由于只是将负电压变为正电压输出，故放大倍数为1，因此，选取Rf和R同时为1K的电阻，则R1=Rf/R=1；下图即为反相器的电路由于待测电压大于单片机的参考电压，故使用2个电阻串联的方式对输入电压进行分压，考虑到将电压缩小为原先的1/3，则选取用1K和2K的电阻。下图为反相器与分压电路仿真效果当输入-6V时，输出电压为 当输入-12V时，输出电压为 调试过程在可调电源的仿真过程中，负极一直无法正常地输出电压值，电压数值与理论值相差甚远，且调整管ce端的电压极大，因此猜测是运放无法正常工作，将运放的几个管脚的功能进行确认后发现并无接错，后来经过长时间的检测，发现原来是运放的负电源供电接到1欧的电阻后，电压值只有3.12V，达不到运放的工作电压，因此运放无法正常工作，电压基本加在调整管的ce端，因此输出电压很小且与理论值不符。将运放的负电源供电引脚接到经过变压滤波后的电压，结果数值与理论值基本一致。在A/D的采样过程中，由于对一些基本知识并不了解，导致走了不少弯路，将高于单片机工作电压的待测输入电压直接接到单片机的引脚上去，结果一直无法正常工作，后来经过查找资料和向一些师兄请教，才知道单片机的待测电压不能高于单片机的参考电压，而且对单片机内部A/D无法检测负电压也完全不知道，后来经过查资料知道了，原先是采用电阻和电压将负电压抬高，但是由于抬高电压的电路和降压电路互相影响，导致输出电压无法通过计算精确地显示出来，经过查资料和向师兄请教，最终只能放弃用电阻来抬高电压，而改用反相器将负电压变成正电压后再进行降压。实物图串联型可调直流稳压电源正面串联型可调直流稳压电源背面单片机A/D转换、数码管显示（正面）单片机A/D转换、数码管显示（背面）反相器、待测电压分压电路（正面）反相器、待测电压分压电路（背面）系统总电路电源输出-9.08V时数码管显示电源输出6.01V时数码管显示元件清单名称及标号型号及大小封装形式数量变压器220V-15V无1个整流桥KBP206DIP1个电容类电解电容2200ufRB.3/.62个10ufRB.2/.43个330nfRB.2/.42个瓷介电容10nfRAD-0.12个50pfRAD-0.12个30pfRAD-0.12个电阻类电阻1AXIAL-0.33个1kAXIAL-0.311个2kAXIAL-0.34个10kAXIAL-0.31个电位器1kSip31个9脚排阻1kSip91个三极管TIP41TO2201个TIP42TO2201个运放uA741DIP82个稳压二极管1N4729/3.6VDO-411个1N4741/11VDO-412个三端稳压器LM7805TO-2201个开关轻触开关rad0.21个单刀双掷开关DIP31个IC74HC138DIP161个74HC573DIP201个IC卡座16脚DIP161个20脚DIP201个四位共阴数码管3461ASDIP121个无源晶振11.0592MHzDIP21个单片机STC12C5A60S2DIP401个单片机锁座40脚DIP401个结论串联型可调直流稳压电压原先的目的是输出正负5.4V到10.8V，但实际电压的输出则是正负5.53到11.90，通过对元件的检测，主要原因是元件的参数无法达到理想的数值。A/D转换显示通过程序的调试，数码管上的数值基本与输出电压能够相对应，但是最后一位总是无法稳定显示，通过对单片机的工作电压的检测，发现是工作电压不太稳定，无法稳定在一定的电压值上，因此造成数码管最后一位的闪烁。负极的数码管显示与数字万用表测出来的电压数值相差较大，经过对待测电压的检测和经反相器输出的电压进行检测，发现是反相器电路中中元件的电阻值无法达到1：1，因此反相器电路有微小的放大作用，因此经反相器电路与分压电路输出的电压比实际待测电压值要大一些，故数码管显示数值偏大。问题与讨论关于焊接的技巧：在最先开始焊接可调直流稳压电源的电路时，由于之前并没有过多地焊接一些电路，对于焊接的技巧并不熟悉，因此焊接电源部分效果并不理想，后来经过一些练习以及了解一些关于焊接的技巧，在焊接其他两部分的电路时焊接技巧有了明显的提高。可调直流稳压电源：在查找关于这部分的资料时，大多是在网上和书本上查找的，在将各部分的电路的原理基本搞清后才开始弄自己的电路，但基本结构与书上的电路结构基本一样，因此，在这基本之上就加上了单片机控制A/D转换，将电压值送到数码管上进行显示。反相器与分压电路：由于被之前的一些错的思路给影响到了，导致加上正极输入的分压电路，实际上正负极输入的分压电路可以共用一个。而反相器也无法较为准备地将负电压变为正电压，因为之前忽略了电阻的阻值并不是十分精确，因此使得反相器有了微小的放大作用。所以在选择两个1K的电阻时应该尽可能选取实测阻值较为相近的两个。单片机控制A/D转换显示：在这部分电路中，由于之前对于单片机的A/D外围电路还并不是很了解，加上对单片机也并不是能够熟练地掌握，因此走了不少弯路，设计中加上了74HC573和74HC138这两块芯片，导致电路的连接复杂了不少，后来经过向师兄请教才知道那两块芯片完全可以不加上去，只用单片机和数码管就可以实现显示的这一功能。总结从这课程设计的任务开始到现在为止已经过了四个星期左右，在这段时间内，通过通过理论来实践，的确让我感觉学到了很多东西，尤其是平时学习容易忽视的一些内容，在实践中，这些在我们平时学习并不以为然的东西和容易忽视的事物，反而成为我的最大阻碍，往往一遇到就需要花费我很多时间去解决。在确定了选题后，我就开始在网上和书本上找相关的资料，通过查找和比较，发现设计的方案基本结构思路都是一样的，因此，我先将相关的知识重新看了一下，然后去了解电路各部分的功能，不过这内容虽然之前上模电课上有涉及到一些，但是现在重新来看