课程设计（论文）数控直流稳压电源

1、引 言随着电子技术的高速发展，电子系统的应用领域越来越广泛，电子设备的种类也越来越多，电子设备与人们的工作、生活的关系益密切。任何电子设备都离不开可靠的电源，它们对电源的要求也越来越高。特别是随着小型电子设备的应用越来越广泛，也要求能够提供稳定的电源，以满足小型电子设备的用电需要。本文基于这个思想，设计和制作了符合指标要求的开关稳压电源。开关电源具有高频率、高功率密度、高效率等优点, 被称作高效节能电源。由于开关稳压电源具有这些优点，基于这个思想设计了一个-512v可调的低功率开关稳压电源，以满足小型电子设备的供电需要。本文以开关电源的发展历史、发展现状以及发展趋势为线索，介绍了开关电源的一些

2、新技术，技术指标，分类标准等。并根据这些标准设计了一种满足小型电子设备供电需要的开关稳压电源。电源设计的主要指标是：输入电压为ac220v，输入频率为50hz，输入电压范围为ac165v265v，输出电压为直流-512v可调，输出最大电流为1a，输出最大功率为12w。最后在完成基本指标的基础上，本文还增加了防浪涌电流的附属功能，使电路更加满足小型电子设备的用电需要。数控直流稳压源就是能用数字来控制电源输出电压的大小，而且能使输出的直流电压能保持稳定、精确的直流电压源；本文介绍了利用数/模转换电路、辅助电源电路、去抖电路等组成的数控直流稳压电源电路，详述了电源的基本电路结构和控制策略；它与传统的

3、稳压电源相比，具有操作方便、电压稳定度高的特点，其结构简单、制作方便、成本低，输出电压在15v之间连续可调，其输出电压大小以1v步进，输出电压的大小调节是通过“” “”两键操作的，而且可根据实际要求组成具有不同输出电压值的稳压源电路。该电源控制电路选用89c51单片机控制主电路采用串联调整稳压技术具有线路简单、响应迅速、稳定性好、效率高等特点。详细分析了电源的拓朴图及工作原理。 目录1 绪论32 方案的论证与比较42.1几种数控直流稳压电源设计方案比较42.1.1几种设计方案电路原理42.1.2 方案的比较与论证63 本设计方案思路83.1稳压源的技术指标与要求83.2总体设计框图94 单元电

4、路设计104.1稳压电源部分104.2显示部分104.3模数转换部分114.4 数字控制部分125 系统软件设计136 制作与调试146.1 硬件电路的布线与焊接156.2 调试157 分析与心得16参考文献17致 谢18附录19相关程序：201 绪论 随着电子技术的高速发展，电子系统的应用领域越来越广泛，电子设备的种类也越来越多，电子设备与人们的工作、生活的关系益密切。任何电子设备都离不开可靠的电源，它们对电源的要求也越来越高。电源是电子设备的心脏部分,其质量的好坏直接影响着电子设备的可靠性，而且电子设备的故障60%来自源，因此，电源越来越受到人们的重视。电子设备的小型化和低成本化使电源以轻

5、、薄、小和高效率为发展方向。20世纪50年代，美国宇航局以小型化、重量轻为目标，为搭载火箭开发了开关电源。在近半个世纪的发展过程中，开关电源因具有体积小、重量轻、效率高、发热量低、性能稳定等优点而逐步取代传统技术制造的连续工作电源，并广泛应用于电子整机与设备中。20世纪80年代，计算机全面实现了开关电源化，率先完成计算机的电源换代。20世纪90年代，开关电源在电子、电器设备、家用领域得到了广泛的应用，开关电源技术进入快速发展期。到21世纪小型电子设备的发展更加迅速和更加普及，但是现在很多的小型电子设备都是依靠电池来供电的，所以开发一种新型的开关电源应用于小型电子设备中就显得非常重要了！开关稳压

6、电源（以下简称开关电源）取代晶体管线性稳压电源（以下简称线性电源）已有30多年历史，最早出现的是串联型开关电源，其主电路拓扑与线性电源相仿，但功率晶体管了作于开关状态后，脉宽调制（pwm）控制技术有了发展，用以控制开关变换器，得到pwm开关电源，它的特点是用20khz脉冲频率或脉冲宽度调制pwm开关电源效率可达 6570，而线性电源的效率只有3040。在发生世界性能源危机的年代，引起了人们的广泛关往。线性电源工作于工频，因此用工作频率为20khz的pwm开关电源替代，可大幅度节约能源，在电源技术发展史上誉为20khz革命。 随着ulsi芯片尺寸不断减小，电源的尺寸与微处理器相比要大得多；航天，

7、潜艇，军用开关电源以及用电池的便携式电子设备（如手提计算机，移动电话等）更需要小型化，轻量化的电源。因此对开关电源提出了小型轻量要求，包括磁性元件和电容的体积重量要小。此外要求开关电源效率要更高，性能更好，可靠性更高等。2 方案的论证与比较2.1几种数控直流稳压电源设计方案比较2.1.1几种设计方案电路原理方案 1 : 采用模拟的分立元件，利用纯硬件来实现功能，通过电源变压器、整流滤波电路以及稳压电路，实现稳压电源稳定输出5 v、 12 v、15 v并能可调输出 0 30 v电压，见图 2.1所示。但由于模拟分立元件的分散性较大，各电阻电容之间的影响较大，因此所设计的指标不高、不符合设计要求、

8、且使用的器件较多、连接复杂、灵活性差、功耗也大，同时焊点和线路较多，使成品的稳定性和精度受到影响。 图 2.1 方案 1电路原理方案 2 : 此方案采用传统的调整管方案，主要特点在于使用一套双计数器完成系统的控制功能，其中二进制计数器的输出经过 d /a 变换后去控制误差放大的基准电压，以控制输出步进。十进制计数器通过译码后驱动数码管显示输出电压值，为了使系统工作正常，必须保证双计数器同步工作。 图 2.2 方案 2电路原理方案 3 : 此方案不同于方案 1之处在于使用一套十进制计数器，一方面完成电压的译码显示，另一方面其输出作为 eprom的地址输入，而由 eprom 的输出经 d /a变换

9、后控制误差放大同步的问题，但由于控制数据烧录在 eprom中，使系统设计灵活性降低。 图 2.3 方案 3电路原理方案 4 : 此方案采用 51系列单片机作为整机的控制单元，通过改变输入数字量来改变输出电压值，从而使开关控制电源输出电压发生变化，间接地改变输出电压的大小。为了能够使系统具备检测实际输出电压值的大小，经过 adc0809进行模数转换，间接用单片机实时对电压进行采样，然后进行数据处理。利用单片机程控输出数字信号，经过 d /a 转换器( da0830)输出模拟量，再经开关电源控制电路，使得输出电压达到稳压的目的。单片机系统还兼顾对恒压源进行实时监控，输出电压经过电流 /电压转变后,

10、通过 a /d转换芯片，实时把模拟量转化为数据量,经单片机分析处理，经过数据形式的反馈环节，使电压更加稳定，构成稳定的压控电压源。而且采用pwm 控制的开关电源，该电源具有高集成度、高性价比、最简外围电路、最佳性能指标、能构成高效率无工频变压器的隔离式开关电源等优点。而且在成本上与同等功率的线性稳压电源相当，而电源效率显著提高，体积和重量则大为减小。 图 2.4 方案 4电路原理2.1.2 方案的比较与论证( 1)输出模块方案 1：采用线性调压电源，以改变其基准电压的方式使输出不仅增加 /减少，这样不能不考虑整流滤波后的纹波对输出地影响，此输出只能是用万用表量出。而方案 2、方案 3中使用运算

11、放大器做前级的运算放大器，由于运算放大器具有很大的电源电压抑制比，可以减少输出端的纹波电压。在方案 1中，为抑制纹波而在线性调压电源输出端并联的大电容降低了系统的响应速度，这样输出的电压难以跟踪快变的输入，方案 4中的输出电压波形与 d /a 变换输出波形相同，不仅可以输出直流电平，而且只要预先生成波形的量化数据，就可以产生多种波形输出，使系统有一定驱动能力的信号源。( 2)数控模块方案 1利用纯硬件来控制电压的输出，其中最基本的电路原理分析，需要计算负载的大小，稳压管的选择有关，方案 2、方案 3中采用中、小规模器件实现系统的数控部分，使用的芯片很多，造成电路内部接口信号繁琐，中间相互关联多

12、，抗干扰能力差，如方案 1中的双计数器一旦出现计数不同步时，会导致显示电压与输出电压不一致。在方案 4 中采用at89c51单片机完成整个数控部分的功能，同时,at89c51作为一个智能化的可编程器件，便于系统功能的扩展。 图 2.5 方案 5数控模块( 3)控制模块在该系统中，采用具有 d /a转换功能的 pwm 调节电路、斩波电路、阔流器和可调稳压管 ( lm317)去控制输出参考电压，在利用 a /d转换采样，使输出更准确，且纹波小，电流亦可扩展，容易保护电路。( 4)显示模块方案 2、方案 3中的显示输出地对电压的量化值直接进行译码显示输出，显示值为 d /a变换的输入量，由于 d /

13、a变换与功率驱动电路引入的误差，显示值与电源实际输出值之间可能出现较大偏差。方案4中采用 a /d转换电路，通过对输出电压的采样，经过单片机的分析处理，通过数据的反馈环节，使电压更加稳定，这样使得显示值与实际输出之间的偏差减为最小。方案 4采用 4位数字电压表直接对输出电压采样并显示输出实际电压值，一旦系统工作异常，出现预制值与输出值偏差过大，用户可以根据该信息予以处理，还采用了键盘 /显示器的查询时间，提高了cpu的利用率。如前所述，虽然方案 3比前两者有许多优点，但方案 1、方案 2对于完成设计要求并非不可行，而且在某些方面还具有优势，之所以采用方案 4 ，一个很重要的考虑是系统使用了单片

14、机，使得进一步的功能扩展较为方便。3 本设计方案思路根据设计任务要求，数控直流稳压电源的工作原理框图如图3.1所示。主要包括三大部分：数字控制部分、模拟/数字转换部分（d/a变换器）及可调稳压电源。数字控制部分用+、- 按键控制一可逆二进制计数器，二进制计数器的输出输入到d/a变换器，经d/a器转换成相应的电压，此电压经过放大到合适的电压值后，去控制稳压电源的输出，使稳压电源的输出电压以0.1v的步进值增或减。图3.13.1稳压源的技术指标与要求 设计并制作有一定输出电压调节范围和功能的数控直流稳压电源。基本要求如下：(1)、四路输出电压的额定值分别为：-5v,+5v,-12v,+12v. 输

15、出额定电流小于等于1a.(2)、输出直流电压能步进调节，步进值为0.1v。(3)、由+、-两键分别控制输出电压步进增和减。(4)、输出电压类型可选：三角波、方波、直流电压。3.2总体设计框图图3.24 单元电路设计4.1稳压电源部分图4.1在图4.1中，该部分主要是由三端稳压器lm7812、lm7912、lm7805和若干个电容、二极管元器件组成，220 v市电经220 v12 v变压器降压后得到的双12 v交流电压，经三端稳压器lm7812和lm7912得到+12 v和-12v，再经过lm7805得到+5 v的电压。4.2显示部分 在图4.2中，显示部分比较简单，主要是由两个数码管和若干电阻

16、组成，两个数码管分别显示电压的个位和十分位，该部分是单片机完成的，数码管的各端口以依次连到at89s51的p1.0、p1.1、p1.2、p1.3、p1.4、p1.5、p1.6、p1.7口，完成对电压的显示功能。图4.24.3模数转换部分图5和6不清楚，重新画图4.3本系统中的数模转换电路如图10所示。它由dac0832、两级低漂移的运放a714及vref电路组成。dac0832和运放u3a将cpu发出的8位二进制数据转换成0-5 v的电压，然后经运放u3b反向放大2倍，以得到010 v电压。因此，该dac的转换分辨率为10(28-1)=0.04 v，即cpu输出给dac的数据变化为1 bit，

17、dac输出电压的变化为0.04 v。vref电路为dac提供基准电压，调节r5a，可使基准电压保持为5 v。4.4 数字控制部分图4.4数字部分主要是有at89c51控制，它通过控制按键来达到对数字的控制，我们可以通过按键对电压进行调整，按照实际需要可以通过按键得到所需的电压，调节范围是010 v。5 系统软件设计 图5.1主程序流程如图5.1所示。本电路采用51系列单片机作为整机的控制单元，通过改变输入数字量来改变输出电压值，从而使输出功率管的基极电压发生变化，间接地改变输出电压的大小。为了能够使系统具备检测实际输出电压值的大小，可以经过adc0809进行模数转换，间接用单片机实时对电压进行

18、采样，然后进行数据处理及显示。采用软件方法来解决数据的预置以及电流的步进控制，使系统硬件更加简洁，各类功能易于实现本系统以直流电源为核心，利用51系列单片机为主控制器，通过键盘来设置直流电源的输出电流，设置步进等级可达0.1v，并可由数码管显示实际输出电压值和电压设定值。利用单片机程控输出数字信号，经过d/a转换器（da0832）输出模拟量，再经过运算放大器隔离放大，控制输出功率管的基极，随着功率管基极电电流的变化而输出不同的电压。单片机系统还兼顾对恒压源进行实时监控，输出电压经过电流/电压转变后，通过a/d转换芯片，实时把模拟量转化为数据量，经单片机分析处理， 通过数据形式的反馈环节，使电压

19、更加稳定，构成稳定的压控电压源。6 制作与调试6.1 硬件电路的布线与焊接电路图经过我们在protel中的自动排线和手动排线产生pcb原理图，我们将原理图打印在热印纸上，然后在经过高温，将墨覆到铜板上，产生清晰的电路布线图。由于打印或人为的原因很可能出现断线的结果，所以我们要认真检查，如出现断线我们可用油漆涂上，使断口再次被连在一起。为了能使那些墨都能覆在覆铜板上我们最好把覆铜板在压印机上过两遍。元器件的焊接：焊件必须具有良好的可焊性.不是所有的金属都就有良好的可焊性.焊接时,由于高温是焊件的表面产生氧化膜,影响焊件的可焊性.为了提高焊件的可焊性,一般采用表面镀锡,镀银等措施来防御表面的氧化。

20、为了使焊件和焊锡之间有良好的接触,焊件表面必须保持清洁.在焊接前必须把氧化膜清除干净,否则将无法保证焊接质量。要使用合适的助焊剂.不同的焊接工艺应使用不同的助焊剂.在焊接电子线路板等精密电子产品的时候,卫士焊接可靠稳定,通常采用松香助焊剂.一般使用酒精将松香溶解成松香水使用。焊件加热到适当的温度.需要强调的是,需要强调的是,不但焊锡要加热到熔化,而且应当同时将焊件加热到能够熔化焊锡的温度。 图6.1 实际电路图6.2 调试在电路组装过程中，遇到的最大问题是，起初考虑不周全，芯片分布不够合理，出现了许多特长线。不但影响布线速度，而且也会给后来的调试带来不必要的麻烦。当时已经布线不少，不可能重新开

21、始，再三权衡，最后只移动了一个芯片，问题就得到了很大改善。其次就是布线，因为要求不准交叉，且横平竖直，所以在保证连通的情况下，在布线上也下了不少工夫。 调试过程中，第一轮用万用表欧姆档测试，就遇了实验板上有插孔不通的情况，导致芯片不能正常工作。相对于别的办法，我选择了导线显式连通，因为其更明晰，更易实现。对于高阻导线则只能换掉。第二轮接电后，用万用表的电压档测试单元电路的状态。如：经过每一级三端稳压器后输出的电压否为稳定电压，并且与所需电压偏差会不会很大，根据测试结果对电路进行必要的改进，从而达到设计的目的。在输出电压作为稳压输出电路的参考电压。稳压输出电路的输出与参考电压成比例。8位字长的d

22、/a转换器具有256种状态。当电压控制字从0，1，2，到256时，电源输出电压为0.0，0.06，15.0。其时序图如图14：图6.2clk为时钟端，data为输入数据，load为输入控制信号。7 分析与心得在本次设计的过程中，我发现很多的问题，给我的感觉就是很难，很不顺手，看似很简单的电路，要动手把它给设计出来，是很难的一件事，主要原因是我们没有经常动手设计过电路，还有资料的查找也是一大难题，这就要求我们在以后的学习中，应该注意到这一点，更重要的是我们要学会把从书本中学到的知识和实际的电路联系起来，这不论是对我们以后就业还是学习，都会起到很大的促进和帮助，我相信，通过这次的课程设计，在以后的

23、学习中我会更加努力，力争把这门课学好，学精。同时，通过本次课程设计，巩固了我们学习过的专业知识，也使我们把理论与实践从真正意义。在本次设计过程中,对纹波也没有提出严格要求,所以常用的稳压集成电路就可以满足要求。在电路中采用了模拟器件和数字器件所以需要+5v、和-15v 电源供电。本设计输出的电压稳压精度高，可以用在对直流电压要求较高的设备上，或在科研实验室中当作实验电源使用。同时，通过本次课程设计，巩固了我们学习过的专业知识，也使我们把理论与实践从真正意义上相结合了起来；考验了我们借助互联网络搜集、查阅相关文献资料和组织材料的综合能力；从中可以自我测验，认识到自己哪方面有欠缺、不足，以便于在日

24、后的学习中得以改进、提高；通过使用电路cad 软件multisim , 也让我们了解到计算机辅助设计(cad)的智能化,有利于提高工作效率。题目是非常重要的，要选择一个好的题目，就要满足适合我们这组制作，并且也要考虑到自身能力，还有就是容易找到相关的参考资料等条件。只有符合以上所说的条件才能做出一个好的设计，所以我们就选择了数控直流稳压电源的设计课程。我们查找了大量这方面的相关参考资料，如电子电路实验及仿真，电路与电子技术实验教程等，还查阅了各种所需芯片的管脚资料。在这些参考资料的基础上构想了几个设计方案，并且确定了最后的设计方案。当确定了最终的设计方向以后，我们就开始着手完善它的理论方案。根

25、据设计方案的内容我们画出了具体的原理图，进行逻辑分析和理论计算，然后去电子市场根据设计要求购买了大量所需的原器件，准备好了设计所需的一切材料。在焊接问题上，我们也出了很多问题。首先，你必须知道那个电路版哪几条线是通的，这样对布线和摆放都有好处。再者，焊接的时候，注意焊锡焊接的逻辑对不对，这里我们犯了很多错误，比方说2个触点本来是不连的，但是不小心就会焊接起来，花了我们很多时间找错误。最后一定要仔细地检查一翻焊点，导线以及芯片的管脚的连线，这一点是相当重要的！有了这次难忘的经历，我觉得自己充实了许多，学到了很多东西，更重要的是我们学会了如何协同合作，学会了遇到问题应该如何解决。这将在我们以后的学

26、习和工作中起着重要的作用。参考文献1唐竞新.数字电子电路m.第1版.北京：清华大学出版社，20032康华光.电子技术基础m.数字部分.第4版.北京：高等教育出版社,19983电子工程手册编委会等.中外集成电路简明速查手册m-ttl,cmos.北京电子工业出版社,19914杨长春.论数字技术j.电子报合订本.成都：四川科学技术出版社，2002.125全国大学生电子设计竞赛获奖作品精选 北京理工大学出版社6电路与电子技术实验教程 中国计量学院出版社7电子电路实验及仿真 清华大学 北方交通大学出版社8数字电子技术基础分册 中国计量学院出版社9系统设计 华中科技大学出版社致 谢经过一段时间的忙碌，本次课程设计已经接近尾声，由于经验的匮乏，难免有许多考虑不周全的地方，如果没有老师的督促指导，想要