课程设计报告-直流稳压电源(0-12v连续可调)

Abstract:

This

article

is

designed

to

scale

for

the

12V

and

adjustable

at

0

~

12V

DC

power

supply,the

maximum

output

current

of

500mA,and

has

a

digital

display

voltage

function.

And

use

A

/

D

conversion,the

output

voltage

signal

into

a

discrete

continuous

digital

signal

to

control

the

output

voltage.

In

addition

to

the

core:

a

digital

circuit

output

voltage

control,achieved

through

the

addition

and

subtraction

key

count

plus

or

minus

count.

At

the

same

time

through

the

counter

and

decoding

-

the

drive

will

eventually

be

displayed

on

the

digital

voltage

value

on

the

group.

The

regulated

power

supply

with

stable

performance.

structure

is

simple.

voltage,current

indicators

of

accuracy.

?

easy

adjustment.

Keywords:

rectifier,regulator,NC,adjustable.

1

设计要求

主要技术指标与要求

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0～12V之间连续可调。

发挥部分：电压调节方式为：以0.1V为步进加或减；

2整体方案设计

2.1设计思路

直流稳压电源一般由电源变压器、整流滤波电路、稳压电路组成，其基本原理框图如图1所示。

（1）首先选用合适的电源变压器将电网电压降到所需要的交流电源。（2）降压后的交流电压，通过整流电路整流变成单项脉动直流电压。直流脉动电压经过滤波电路变成平滑的、脉动小的直流电压，即滤除交流成分，保留直流成分，滤波电路一般有电容组成，其作用是把脉动直流电压中的大部分纹波加以滤除，以得到较平滑的直流电压。（3）稳压电路：稳压电路的作用适当外界因素（电网电压、负载、环境温度）发生变化时，能是输出直流电压不受影响而维持稳定的输出。

稳压电路

整流电路

滤波电路

图1直流稳压电源基本原理框图

2.2总体方案论证与选择

该系统总体方案设计主要在可调电压输出部分，其要求是输出电压从0V开始连续可调。因此，以下主要对三种方案进行论证与选择。

◆方案1：

晶体管串联式直流稳压电路。交流电压经整流滤波后,得到平滑的直流电压,作为稳压电路的输入电源从UI输入。同时运用了比较放大电路,它的核心是调整管,输出电压的稳定是管的压降相应改变,使输出电压保持稳定。

稳压电路

整流电路

变压器变压

输出电压

比较反馈

取样电压

图2.

1方案1的框图

◆方案2：采用三端可调集成稳压器电路。它采用输出电压可调且内部有过载保护的三端集成稳压器，输出电压调整范围宽，此稳压器的基准电压是1.25V，而要求电压从0V起连续可调，因此需要设计电压补偿电路才可实现输出。

电压补偿电路

可调式集成稳压器

整流滤波电路

输出电压

图2.

2

方案2的框图

◆方案3：此方案的控制部分采用单片机，输出部分不再采用调整管或稳压方式，二十载D/A转换之后，经过问低昂的功率放大得到输出电压。采用单片机编程，一定程度上增加了系统的灵活性。该电源稳定性好、精度高，且能够输出可调的直流电压，其性能由于传统的可调直流稳压电源，此方案框图如图2.3所示。

显示

键盘

键盘显示接口

RAM

单

片

机

A/D

ROM

D/A

功放

图2.3

方案3的框图

分析：方案二虽然有三端集成稳压器，但是需要引入一个直流源来抵消其基准电压；方案三电路比较复杂，成本较高，适用于要求较高的场合。在实际中，多为对电路要求不太高的情况，故采用第一种设计方案。

3单元电路的方案选择与论证

3.1整流电路模块

该模块主要利用二极管的单向导电性组成整流电路，将交流电压变换为单方向脉动电压。实现方法主要有以下三种。

◆方案一：单相半波整流电路

（a）电路图

U2

U0

Ud

（b）波形图

图1单相半波整流电路

在变压器次级电压u2为正的半个周期内（如图1（a）中所示上正下负），二极管导通，在RL上得到一个极性为上正下负的电压；而在u2为负的半个周期内，二极管反向偏置，电流基本上等于0。所以在负载上的电压的极性是单方向的（如图1（b）所示）。正半周内Uo=U2，Ud=0；负半周内Uo=0。Ud=U2。由此可见，由于二极管的单向导电作用，把变压器次级的交流电压变换为单向脉动电压，达到了整流的目的。其优点是结构简单，使用的元件少，但也有明显的缺点：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；变压器含有直流部分，容易饱和。只能用于输出功率较小，负载要求不高的场合。

◆方案二：单相全波整流

(a)电路图

U2IoUo

O

tOtOt

(b)波形图

图2全波整流电路

全波是利用具有中心抽头的变压器与两个二极管配合，使两个二极管在正、负半周轮流导电，而且二者流过RL的电流保持同一方向，从而使正、负半周在负载上均有输出电压。电路如图2（a）所示。正半周内D1导通，D2截止，在负载RL上得到的电压极性为上正下负；负半周内，D1截止，D2导通，在负载上得到的电压仍为上正下负，与正半周相同。全波整流波形如图2（b）。全波整流的输出电压时半波整流的两倍，输出波形的脉动成分比半波整流时有所下降。全波整流电路在负半周时二极管承受的反向电压较高，其最大值等于，且电路中每个线圈只有一半时间通过电流，所以变压器利用率不高。

◆方案三：单相桥式整流

单相桥式整流电路如图3（a）。由图可见，U2正半周时D1、D4导通，D3、D2截止，在负载电阻RL上形成上正下负的脉动电压；而在U2负半周时，D2、D3导通，D1、D4截止，在RL上仍形成上正下负的脉动电压。如果忽略二极管内阻，有Uo≈U2。桥式整流电路波形如图3（b）所示。正负半周均有电流流过负载，而且电路方向是一致的，因而输出电压的直流成分提高，脉动成分降低。单相桥式整流电路主要参数：输出直流电压,脉动系数S，二极管正向平均电流I,二极管最大反向峰值电压U。桥式整流电路解决了单相整流电路存在的缺点，用一次级线圈的变压器，达到了全波整流的目的。因此选用方案三单相桥式整流。

(a)

电路图

U2

Io

Uo

O

0

0

(b)波形图

图3单相桥式整流电路

3.2滤波电路模块

该模块实现降低输出电压的脉动成分，尽量保留直流成分的功能。利用电容和电感的滤波作用达到降低交流保留直流成分的目的。

◆方案一：电容滤波

(a)

电路图

(b)

滤波后输出的波形

图4单相桥式整流电容滤波电路

如图4所示为单相桥式整流电容滤波电路。利用电容的储能特性，使波形平滑，提高直流分量，减小输出波纹，其输出波形如图4（b）所示。

电容滤波有以下特点：

①

加入滤波电容后，输出电压的直流成分提高，脉动成分减小。

②

电容滤波放电时间常数（）越大，放电过程越慢，输出直流电压越高，纹波越小，效果越好。为了获得较好的滤波效果，一般选择电容值满足～5)

，此时，输出电压的平均值。

③

电容滤波电路的输出电压随输出电流的增大而减小，所以电容滤波适合于负载电流变化不大的场合。

◆方案二：电感滤波

单相桥式整流电感滤波电路如图5，利用电感不能突变的特性，使输出电流波形平滑，从而使输出电压波形也平滑，提高直流分量，减小输出纹波。

（a）

电路

滤波前滤波后

t

(c)

滤波后的输出波形

图5单相桥式整流电感电路

u

方案三：复式滤波

复式滤波电路由电阻和电容，电阻和电感或电感和电容组合成的滤波。几种常见的复式滤波电路如图6所示。

图6（a）所示为型滤波电路，这种电路的缺点是在R上有压降，因而需要提高变压器次级电压；同时，整流管的冲击电流仍然较大，这种电路知识和小电流负载的场合。（b）所示为型滤波电路，这种滤波电路的优点是：简单经济，能兼起限制浪涌电流的作用，滤波效果较好。其缺点是带负载能力差，滤波电路有功率损耗。它适合负载电流小，纹波系数小的场合。（c）所示为倒L型滤波电路，整流后输出的脉动直流经过电感，交流成分被削弱，再经过C滤波后，可在负载上获得更加平滑的直流电压。这种滤波电路的优点是：滤波效果好，几乎没有直流损耗。其缺点是低频时电感体积大，成本高。

(a)

型滤波

(b)

型滤波

(c)

倒L型滤波

图6

常见复式滤波电路

综合考虑，由于在小功率电源中电容滤波最为常见，，满足本设计要求，故选择方案一。

4系统的硬件设计与实现

4.1连续可调电压部分具体设计

1.取样电路:它是检测输出电压Vo的变化,把Vo的全部或部分取出来和基准电压比较并放大后来控制调整管的调整作用,使输出电压稳定.

2.基准电压电路:为了检测取样电路取得的Vo值究竟是升高还是降低?升高了多少降低了多少?这就需要把Vo值与恒定的电压值比较,此恒定电压的作用是作为一种基准,也称基准电压.提供恒定电压的电路就是基准电压电路.

3.比较放大电路:有了Vo的取样电压和基准电压,把取样电压和基准电压相比较,由基准电压减去取样电压,所得的差值电压的大小反映越强.输出电压Vo也就越稳定.电路的稳定系数和输出电阻就越小.

4.过载短路保护电路:串联调整型的稳压电源,调整管和负载是串联的,当负载电流过大或短路时,大的负载电流或短路电流全部流过调整管,此时负载端的压降小,几乎全部整流电压加在调整管的c极和e极之间,因此在过载或短路时,调整管Vce.Ie和允许功耗超过正常值,调整管在此情况下会很快烧坏,所以在过载或短路时应对调整管采取保护,保护电路设计时应保证当负载电流在额定值内,保护电路对电源不起作用,但过载或短路时,保护电路控制调整管使其截止,输出电流为零,对负载和电源均起保护作用.

综合以上因素，设计如下：

设计的主要内容是:根据性能指标要求选择元器件(变压器集成稳压器.整流二极管及滤波电容)和对稳压电路作散热设计。

如图1，市电通过220V/15V变压器，连接到稳压电源电路，由整流桥IBQ40整流、C1和R8平滑滤波，输出至电压调整管Q1的集电极。这个电路具有不同于其他电源的特点。电源的基准电压用一个固定增益的运算放大器U2跟一个可调电阻R6提供，它实现了电压可以从零可调，D1选用稳压值3.6V的稳压管。接通电源后运放U2的输出电压增加到使D1导通，通过R5稳定在3.6V附近，因为R3等于R1，所以U1的放大倍数为2，其输出电压是6.6V。U2的放大倍数约为2倍，根据公式A=（R2+R3）/R2，5.4V的基准电压大约能放大到超过12V，调节电位器R6可实现它的输出电压能从0~12V可调。电路另一个特征就是用三极管的射极输出可以大幅增大输出电流。直流可调稳压电路图如下。

图7连续可调直流稳压电路

当调节滑动变阻器的阻值，在输出端就可以得到0到12v连续的电压。至于题目要求的-12v到0范围的取值,只需要把万用表的正负极反接即可得到所要求的0到12V的任意电压。

4.2

A/D转化模块

如图8。当连续可调的稳压电路产生一个电压后，由一个8位输出的A/D转化器转化成一个固定的8位二进制数，比较部分共由六片十进制计数芯片74LS160完成。同时由CP脉冲给两片74LS160计数，也得到一个八位的二进制数，两个数经过比较，如果相等则给右边级联的四片74LS160置数。因为六片160由同一个CP脉冲触发，所以能够保证两者级联后的芯片计数相等。

图8

A/D转化电路图

图8

A/D转化模块电路图

4.3

显示电路

显示电路主要用来产生电压控制码。输出电压的可调部分从0~12.00以0.1步径调节，至少需要121个状态。

4.3.1脉冲产生电路的设计

脉冲通过控制按键开关的开与闭实现高低电平的瞬间转换来产生。为了防止按钮开关过程中出现振铃现象，在加减计数按钮与计数器计数时钟脉冲端之间接入74LS14，可以消除振铃现象。如图9。

。

图9

脉冲产生电路

4.3.2计数器计数电路的设计

计数器应选择十进制加减可逆，择74LS194。计数电路用四片74LS192十进制计数器用进位方式级联而成，如图10所示。其中，最高位的那片74LS192用十进制计数器异步清零法，构成二进制计数器。这四片74LS192计数器输出的状态通过控制T型网络电阻的选用情况，来实现分别控制输出电压的百分位，十分位，个位，十位的值。计数方式：1，加计数时，当百分位计数器由9复位到0时，其发出一个负脉冲作为十分位计数器加计数的时钟信号，使十分位计数器加1计数。依此类推，十分位，个位，十位都由低位向高位进位。2，减计数时，则当某位减小至0时，向次高位借1。

图10

计数器计数电路

4.3.3防止加减电路计数溢出电路的设计

电路设置了对0V和11.9V的锁定，有以下两个原因。一是，使级联后的计数器刚好产生121个状态。二是，出于电源安全供电要求，计数器不允许从0V到12.0V的跳变和从12.0V到0V的跳变。因此设置了锁定，即状态12.0只能减法记数，0只能加法计数，以确保安全。

为了防止加减计数的溢出，需要设置防止加减计数溢出的电路。基本思路是一旦计数器输出出现1

0010

0000，应禁止继续加计数；同样出现0

0000

0000

，应禁止继续减计数。

电路图如图（b）是防止减计数溢出控制电路。当计数器的输出状态为0

0000

0000

时，防止减计数溢出的电路的全部输入为0

0000

0000

。经过反向器后，在二极管逻辑电路的二极管输入端为高电位，9个二极管全部关断。为了提高输出驱动能力，降低对前级负载效应，二极管逻辑输出接晶体管射极跟随器。当跟随器输出高电位时，经过反向器转换为低电位送到减计数控制逻辑控制的“与非门”，封锁减计数控制逻辑控制的“与非门”，实现减计数溢出的防止。同理，图（a）是防止加计数溢出控制电路。当计数器的输出状态为1

0010

0000

时，继续按加计数控制开关，计数器的输出状态不改变。

(a)

(b)

图11

防止加减溢出电路

4.3.4发挥部分：置数控制电路的设计

考虑到实用，能够尽快得到想要的电压值，因而设置了置数电路。如果没有置数电路，则想得到任何一个输出电压值必须从0V开始，以0.01V为步进向上加，这样很慢，不符合实用要求。

置数电路由被置数控制电路和置数开关组成。被置数控制电路用一片74LS192十进制计数器来计数输出端接在个位计数器的置数端。由此可实现被置数从0000到1001的变化。通过脉冲开关来实现被置数的确切数值。这里仅对个位计数器的进行置数，使个位能从0V

到9V变化。需要置数时，按一下置数开关，即可。个位计数器的置数端在不工作时接高电位，工作时接低电位，并将置数端的数置入，使计数器输出端的输出状态为被置数。原理图如下，图12。前面的加减开关以及74LS14是为了产生稳定的脉冲，使后面的计数器正常计数。

图12

发挥部分电路

4.4数显电路的设计

数显电路采用数码管显示输出电压的大小，用74LS47，74LS248为段译码/驱动器。其中，74LS47可用来驱动共阳极的发光二极管的显示器；而74LS248则用来驱动共阴极的发光二极管的显示器。74LS47为集成极开路输出，使用时要外接电阻；而74LS248的内部有升压电阻，可以直接与显示器相连接。本电路中选用的74LS248驱动器，显示器小数点接电源可常亮，CK端接地，如图13。

图13

单块数显电路

因为显示电压范围是0V到12.00V，所以只需要个位的显示器小数点常亮，接高电位。其他接地。如下图14。

，

图14数显模块电路

5

电路的Multisim仿真与调试

Multisim

是EDA众多优秀软件中较为突出的软件之一，它可以完成电路原理图的输入，电路分析，仿真等全套自动化工序。

5.1可调直流稳压电源部分仿真结果如图所示：

图15

稳压管两端的电压

图16输出端电压为0V

说明：此时存在微小误差，但可以忽略不计。

图17

0-12V连续可调

图18

12V电压图

5.2数字电路控制模块

①

加减键功能仿真

如图所示，采用“+”和“—”两个按键，用来调节设定电压，可以以0.1V的步进增加或者减少。按下“+”或者“—”，产生的脉冲输入到74LS192的CP+和CP—端来控制74LS192的输出是加计数还是减计数。

②

置数电路和控制电路及计数电路及显示电路连在一起的仿真

通过置数电路较快的得到所需要的电压值，下图仅对个位实现了置数。通过加2，减2，和置数开关先对个位置一个数。然后可以通过拨动加1减1开关来使计数器计数，使电压以0.1V的步进加减。下图是对个位置了1V，然后按了1下加1数开关的结果：01.1V。

③

防溢出电路，显示电路，计数电路，控制电路连在一起的仿真

④

总电路图

6

总结

本设计介绍的数控式直流稳压电源，有机地将数字技术和模拟技术结合起来，它主要由整流滤波部分，十进制计数器，显示译码驱动器，数码管显示器等所组成，实现功能为通过按键使输出电压在0～12V内以0.01V步进加减可调电压和-12V不可调电压。该电路具有精度高，操作方便，成本低，性能可靠，实用性强的优点。但是由于缺乏经验，电路设计仍有不足，如存在微小误差。设计电路的过程中对数电，模电的知识进行更深一步的了解和学习，提高了我们的电子设计与创造能力，培养了我们认真严谨，勤于探索的学习态度。

7鸣谢

这次设计我们最应感谢的人就是各位指导老师，是你们指出我们方案中存在的问题、给了我们非常有建设性的启示，使我们的设计才得以顺利完成。我还要感谢我的队友，正是由于我们之间很好的合作才能使我们成功解决设计中存在的问题。最后我还要感谢所有给过我帮助和支持的同学们，是他们在我有疑难和不解时给了我启示，从而让我完成了这次课程设计。

元器件明细表

序

号

名

称

型号参数

数量

备注

1

变压器

220V/15V

1

功率30～50W

2

整流管VD1~VD4

IN4001

4

组成桥式整流

3

运算放大器

μA741

2

4

电阻

若干

5

比较器

INA105_CMP

2

6

稳压管

1N4728A

1

稳压

7

调整管

TIS99

1

8

可逆计数器

74LS192N

4

9

数码显示管

5

10

8位A/D器

1

11

加法计数器

74LS160N

6

12

消除振铃

74LS14N

1

13

可逆计数器

74LS192N

4

14

二极管

若干

15

按键开关

单刀单掷

若干

参考文献：

1.林涛??数字电子技术?清华大学出版社?2006

2.林涛?数字系统原理与应用?电子工业出版社?2005

3.李哲英?电子技术及其应用基础?高等教育出版社?2003

4.潘松?EDA实用教程?科学出版社?2002

5.林涛?模拟电子技术基础?重庆大学出版社?2001

6.杨欣?电子设计从零开始?清华大学出版社?2005

7.邱关源·电路·高等教育出版社·1999

8.崔瑞雪·电子技术动手实践北京航天航空大学出版社·2007

收获与体会

收获不知怎么说，体会还是有一点的。这次课设我本想一个人能完整的设计一个方案但是还是不行。看似简单的问题真做起来不容易。我主要做了前面0-12v电压的产生，不用多想整流自然用单桥，而这滤波看资料好像用的越复杂效果越好但是想想好像也不需要，就用电容挺好只要值大一点就好。稳压管稳压常用的稳压值好像不大再说那电压还要可调所以用两级放大，之间用电位器可调而后的输出要使电流小于400ma则当负载为0时电流不大于400，为此输出采用分压调节电阻值使其满足要求。至此电压可调并满足量程之后考虑数字显示输出电压是个模拟量则需要将其转换成数字量。则需要用道A|D转换器但是没学，查书，问人知一点妄图设计出来。简单一点精确度低一点八位，得到的是一个八位二进制数但要数码管显示要有是8421BCD码表示的十进制数。再查好不容易找到但那图不清晰，自己想用两个计数器一个是二进制一个十进制给相同脉冲当二进制计数器和A|D转换过来的是一样是停止计数则是进制计数器得到的结果则是转换过来的ＢＣＤ码可用于数码管显示。但是不工作未想到办法。我想我的理论是没有问题的，但是出不了结果而我想就算出结果了，要用器件实现也不会简单，所以可见经验确实重要实践不容忽视。

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语

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