数控电源课设报告马海春

沈阳航空航天大学课程设计〔说明书〕数控式电源的设计班级/学号14060403/115学生姓名马海春指导教师赵雪莹

沈阳航空航天大学课程设计任务书课程名称模拟与数字电子技术课程设计【1】课程设计题目数控式电源的设计课程设计的内容及要求：一、设计说明与技术指标设计一个可控制的且具有LED显示的可调电源，输出电压有3V、6V、9V……24V及熄灭等九档，其步进值为3V。技术指标如下：①完成220V市电的整流滤波，输出电路中所需的所有直流电压。②主要由直流电源的输出电路，数控电压选择电路和数字显示电路三局部组成。③利用编译码电路及LED数码管完成数字显示功能，要求至少含有8个数字及熄灭等九个显示状态。二、设计要求1．根据技术指标，通过分析计算确定电路和元器件参数。2．画出电路原理图〔元器件标准化，电路图标准化〕。三、实验要求1．根据技术指标制定实验方案；验证所设计的电路，用软件仿真。2．进行实验数据处理和分析。四、推荐参考资料1．全新实用电路集粹编辑委员会著.全新实用电路集粹〔下册〕.[M]北京：机械工业出版社，2006年2.卿太全，李萧，郭明琼.常用数字集成电路原理与应用.[M]北京：人民邮电出版社，2006年五、按照要求撰写课程设计报告成绩指导教师日期一、概述当今社会一切都朝着简捷与方便开展，电源技术在效劳于各行各业上发挥着重要作用。集成与数控技术的开展，为数控电源技术提供了广阔的开展前景，同时也也提出了更高的要求。随着数控电源在电子装置中的普遍使用，普通电源在工作时产生的误差，会影响整个系统的精确度。数控电源的向前开展有着重大的意义，该技术可以使人类的工作、学习、生活以及科研带来更大的便捷，让人类社会可以更快的朝着数控化与智能化迈进。本次模拟与数字电子技术课程设计的题目为数控式电源的设计。本次课程设计的目的为设计一个可控制的且具有LED显示的可调电源，输出电压有3V、6V、9V……24V及熄灭等九档，其步进值为3V。通过设计的过程来进一步的了解与深化课本所学的稳压电源与逻辑电路的等相关的知识，从而到达学以致用的效果。二、工作原理设计一个可控制的且具有LED显示的可调电源，输出电压有3V、6V、9V……24V及熄灭等九档，其步进值为3V。交流电压源220V，50Hz数字显示电路数控电压选择电路直流稳压电源输出电路交流电压源220V，50Hz数字显示电路数控电压选择电路直流稳压电源输出电路图1数控式稳压电源原理图由图1可以看出，因为国家电网的输送电为220V，50Hz的交流电压，所以我需要利用变压器将高电压变成符合需要的交流电压，并输送给整流电路，变压器的变比由变压器的副边电压确定。将得到的低压交流电输入到整流电路中，将交流电变为直流电，但是该电流还含有交流成分，再利用电容滤波电路滤除交流局部，因为电网会有10%到20%的波动，所以我们需要稳压电路使输出电压稳定。数控电压选择电路设计比拟简单，直接利用八个等值电阻的串联分压即可，再利用八个开关来控制输出电压。数字选择电路需要用到七端显示译码器与七端数码显示器，这就需要我们将八个输入电压信号进行BCD码的编译，然后根据逻辑关系将电路连接即可。电路设计根据设计任务，本设计电路主要包括三大模块，直流稳压电源输出电路，数控电压选择电路以及数字显示电路。直流稳压电源输出电路的设计主要是设计实现把220V交流市电变换成所需要的直流电。根据下一级数控电压选择电路的需求，直流稳压电路输出应为24V直流电。首先，电网供电电压交流为220V(有效值)50Hz，要获得低压直流输出，就必须采用电压变压器将电网电压变成低压电，获得所需要交流电压。降压后的交流电压，其幅值正反交替，还不是直流电，所以通过整流电路变成单向直流电，但其幅度变化大〔即脉动大〕。脉动大的直流电压须经过滤波电路变成平滑，变成脉动小的直流电，即将交流成份滤掉，保存其直流成份。滤波后的直流电压，还不够稳定，再通过稳压电路稳压，便可得到根本不受外界影响的稳定直流电压输出，提供应后面的电路使用。根据直流稳压电源原理，直流稳压电源是一种将220V工频交流电转换成稳压输出的直流电压的装置，它需要变压、整流、滤波、稳压四个环节才能完成，如图2所示。图2直流稳压电源输出电路首先，利用电源变压器，将电网220V交流电压变换成符合需要的交流电压，并送给整流电路，变压器的变比由变压器的副边电压确定。我们选择MC7824三端稳压器，这就要求经整流后的电压要高于三端集成稳压器的输出电压2-3V,但不宜过大。那么变压器副边电压为27V，那么变压比=220/27=8。其次，变压过后得到的还是交流电，只是幅度减小，我们可以通过单向全波桥式整流电路把交流电变换成直流电。该电路由四个整流二极管组成，在输入交流电的正半周期内，二极管D1、D3导通，D2、D4截止；在输入交流电的负半周期内，D2、D4导通，D1、D3截止。正负半周内部都有电流流过的负载，且方向是一致的。在桥式整流电路中，每个二极管都只在半个周期内导电，所以流过每个二极管的平均电流等于输出电流的平均值的一半。整流电路输出的电压〔电流〕还是含有很大的交流成分，不能够作为电子电路的直流电源。这时候我们需要将交流局部滤掉。我们可以电容滤波电路来完成。C1采用电解电容，以减少电源引入的低频干扰对输出电压的影响，C2、C3用于频率补偿，防止自激振荡和抑制高频干扰。D5是保护二极管，当输入端短路时，给一个放电的通路，防止两端电压激穿，调整管的发射结。图3数控电压选择电路数控电压选择电路该局部是将直流稳压电源输出的24V电压分成8个档输出即3V、6V、9V、12V、15V、18V、21V和24V。将八个分档电压进行选择输出需要八个阻值大小相同的电阻和八个控制其输出的开关。然后将八个电阻串联，使每个电阻分得的电压为3V，即步进电压为3V。然后再选择适宜的逻辑门联成逻辑电路，使八个档的输出电压可以实现选择输出。由此可得电路如图3所示。从图中可以看出选用八个阻值为150Ω的电阻R1-R8和八个相同的开关J1-J8相连。八个电阻串联，每个电压分压3V,电阻R8的另一端接地。这样，R8的两端电压为3V，R7的两端电压为6V,以此类推。这样使得J8控制R8两端电压，J7控制R8、R7两端电压，以此类推。 最后对八个分档电压进行BCD编码。然后选择适宜的逻辑门，将八端输出电压按照逻辑关系进行连接。图三电路中使用了两个三输入或非门74LS27，一个两输入或门74LS32，两个非门74LS04。将3V、6V、9V、12V、15V、18V、21V和24V八档电压输出通过逻辑电路翻译成BCD码如下表1所示。表1八档电压输出值的编译BCD码真值表编译BCD码3V0000116V0001109V00100112V01001015V01010018V01100021V10010024V1001003、数字显示电路该局部选用两个七段显示译码器74LS48，和两个七端数码显示器。该局部现在只需要一个驱动芯片将逻辑电路的编译码通过该芯片驱动数码管显示数字即所选择的输出电压值，这样就实现了数码管分别显示了八个档输出电压值的八个状态。由于要求除了八个分压档输出值的显示还有一个全灭状态，这里只需一个开关将芯片的使能端在上下电平之间转换即可。这样就实现了九种状态。电路如图4所示。从图4可以看到，电路选用7448七端显示译码器，且LB与RBI同时连高电平，同时对逻辑电路的编译进行译码，从而使数码管分别显示八个档的不同输出电压值。而全灭状态那么采用J9改变7448的使能端RBO在上下点平之间的转换来实现。这样就可以实现所要求的九种状态。另外，数字显示管一个数字可由7段笔划组成，如果用发光二极管替代这7段笔划，那就只需接通不同笔段中发光二极管的电源，便可以显示数字了。例如数字2，用了a、b、g、e、d五个笔段；数字4，用了b、c、f、g四个笔段。由7段发光二极管如所组成的数码管如图5所示。图4数字显示电路图5七端数码管性能的测试1、首先测试直流稳压电路输出电压。直流稳压电路如图6所示。测试结果如图7所示。图6直流电压测试电路图7直流输出稳压电源测试结果可见实际输出电压值为23.956V，与设计电压24V相差0.044，相对误差为：[〔23.956-24〕/24]*100%=-0.18%误差在允许范围内，此电路可行。数控选择电压的测试。6V直流电源的测试如图8。测量直流电源结果如图9所示。可见实际输出电压值为6.038V，与设计电压6V相差0.038，那么相对误差为：[(6.038-6)/6]*100%=0.63%误差在允许范围内，此电路可行。图86V直流电压测试电路图96V直流电压测试结果3、12V直流电源的测试电路如图10。12V直流电源的测试结果如图11所示。可见实际输出电压值为12.075V，与设计电压12V相差0.075，那么相对误差为：[(12.075-12)/12]*100%=0.625%误差在允许范围内，此电路可行。图1012V直流电压测试电路图1112V直流电压测试结果4、18V直流电压的测试电路如图12。18V直流电压的测试结果如图13所示。可见实际输出电压值为18.112V，与设计电压相差0.012V，那么相对误差为：[(18.112-18)/18]*100%=0.622%误差在允许范围内，此电路可行。图1218V直流电压测试结果图1318V直流电压测试电路5、24V直流电源的测试电路如图14所示。24V直流电源的测试结果如图15所示。可见实际输出电压值为24.151V，与设计电路24V相差0.151，那么相对误差为：[(24.151-24)/24]*100%=0.629%误差在允许范围内，此电路可行。图1424直流电压测试电路图1524V直流电压测试电路其他各电压测试数据结果如表2所示。表2各电压测试结果直流电压档3V6V9V12V15V18V21V24V实际测试读数相对误差0.4%0.63%0.71%0.63%0.55%0.62%0.54%0.63%表2各电压测试结果全灭状态如图16所示。当开关J9与地相连时，数码显示管将全灭。图16全灭状态电路图五、结论通过表2可以看出，电路在各个电压档运行得到的结果与设计结果的相对误差很小，其平均值为〔0.4%+0.63%+0.71%+0.63%+0.55%+0.62%+0.54%+0.63%〕/8=0.59%。精度比拟高，而且通过开关J1至J8的开与关，在七端数码显示管上可以完全正确的显示3V至24V的显示，根本上实现了课设所提出的要求，所以可以得出结论，该设计电路可以实现稳定输出电压以及正确显示当前输出电压值。六、性价比在该电路中，各元器件本钱很低，如三端集成稳压器平均价格为0.2元，480μF电解电容价格在1到2元之间，以及各个逻辑门、译码器和数码显示管价格也很低廉。所以整个电路本钱很低，而且电路应用简单，连接方便，性价比很高。七、课设体会及合理化建议这次设计的这个直流稳压电源电路采用桥式整流进行整流，采用有极性的电容对整流输出电压滤波，使输出直流电更加平滑，再利用MC7824三端集成稳压器进行稳压，从而大大提高了输出电压的稳定性，实现了设计任务的要求。通过本次设计,让我们更进一步的了解到直流稳压电源的工作原理以及它的要求和性能指标。也让我们认识到在此次设计电路中所存在的问题，比方，在仿真时，接不同的开关，仿真结果会有非常大的不同，造成的测试误差大小也不同。我认为是由于仿真的电路与实际的硬件电路还是有一定的区别的。但现在回过头来看，还是挺有成就感的。我的分析能力与独立思考能力又有了进