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可编程直流电源课程设计

可编程直流电源课程设计

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摘 要

本次工程设计对一个可编程直流电源系统进行设计与实现。通过整流滤波电路对电流进行处理，输出的直流电压不稳定，再通过稳压电路采用三端稳压器LM317与采样电阻组成的输出电压可调的稳压电路，在三端稳压器的调整端加晶体三极管9013作为电子开关，通过译码器74LS138对74LS161的计数输出进行译码，利用输出电平信号控制晶体三极管的工作状态，从而达到接通不同反馈电阻的要求。另外，利用译码器4511与数码管组成显示电路，显示当前输出电压的状态。

关键词：LM317；晶体三极管9013；译码器4511

Abstract

This paper introduces the design can be programmed and dc power supply system. Through the rectifier filter circuit of current processing, the output of the dc voltage instability, again through the voltage regulator circuit using three-terminal regulator LM317 and sampling resistance of output voltage adjustable voltage regulator circuit, in three end voltage regulator adjustment end and crystal triode 9013 as electronic switch, through the decoder ls138 74 to 74 ls161 count output decoding, using the output level signal control crystal triode working condition, in order to connect different feedback resistance requirements. In addition, the use of decoder 4511 with digital tube display circuit, display the current of the output voltage of the state.

Key words: LM317;transistor 9013;translator4511

目 录

第一部分 系统设计-------------------------------------------------6
1.1 设计题目及要求 ---------------------------------------------6
1.2 总体设计方案------------------------------------------------6
第二部分 单元电路设计---------------------------------------------7
2.1 整流滤波电路------------------------------------------------7
2.1.1 电路形式-----------------------------------------------8
2.1.2 单元电路图---------------------------------------------8
2.1.3 功能与工作原理-----------------------------------------8
2.1.4 参数计算-----------------------------------------------8
2.2 程序控制稳压电路--------------------------------------------9
2.2.1 电路形式----------------------------------------------9
2.2.2 单元电路图----------------------------------------9
2.2.3 功能与工作原理-----------------------------------------10
2.2.4 参数计算-------------------------------------------10
2.3 IC辅助电源-------------------------------------------------10
2.3.1 电路形式----------------------------------------------10
2.3.2 单元电路图--------------------------------------------10
2.3.3 功能与工作原理----------------------------------------11
2.3.4 参数计算----------------------------------------------11
2.4 周期信号发生器----------------------------------------------11
2.4.1 电路形式----------------------------------------------11
2.4.2 单元电路图--------------------------------------------11
2.4.3 功能与工作原理----------------------------------------12
2.4.4 参数计算----------------------------------------------12
2.4.5 器件说明----------------------------------------------12
2.5 延时信号发生器-----------------------------------------------12
2.5.1 电路形式----------------------------------------------12
2.5.2 单元电路图--------------------------------------------12
2.5.3 功能与工作原理----------------------------------------13
2.5.4 参数计算----------------------------------------------13
2.6 译码控制电路-------------------------------------------------13
2.6.1 电路形式---------------------------------------------13
2.6.2 单元电路图-------------------------------------------13
2.6.3 功能与工作原理-----------------------------------------13
2.6.4 器件说明----------------------------------------------14
2.7 反馈电阻接入控制电路------------------------------------------14
2.7.1 电路形式----------------------------------------------14
2.7.2 单元电路图--------------------------------------------14
2.7.3 功能与工作原理----------------------------------------15
2.7.4 器件说明-----------------------------------------------15
2.8 数码管显示电路------------------------------------------------16
2.8.1 电路形式-----------------------------------------------16
2.8.2 单元电路图---------------------------------------------16
2.8.3 功能与工作原理-----------------------------------------17
2.8.4 器件说明-----------------------------------------------17
第三部分 整机电路------------------------------------------------18
3.1 整机电路图----------------------------------------------------18
3.2 元件清单------------------------------------------------------18
第四部分 性能测量------------------------------------------------19
4.1 电路调试--------------------------------------------------19
4.1.1 调试使用的仪器----------------------------------------19
4.1.2 指标测试步骤及测量数据--------------------------------19
4.1.3 故障分析及处理----------------------------------------19
4.2 电路实现的功能和系统使用说明------------------------------20
4.2.1电路实现功能--------------------------------------------20

4.2.2系统使用说明------------------------------------------------20
第五部分 课程设计总结--------------------------------------------20
第六部分 参考文献------------------------------------------------21

第一部分 系统设计

1.1设计题目及要求

设计任务:
设计制作一个简易的可编程直流稳压电源。
设计要求
（1）基本功能
a、可实现9v、12v和15v的可编程直流稳压电源；
b、负载电流：IO=500mA;
c、纹波电压：VO<10mV;
（2）发挥部分
a、可以随机对当前电压进行保持，保持时间为4S，保持完后继续巡回状态。

1.2 总体设计方案

设计的关键在于实现不同的电压增益，根据实验室能提供的条件结合所学知识，可将变压器输出整流滤波以获得直流电源。使用三端稳压器或者运算放大器与调整管结合构成串联型稳压电路可获得稳定的直流电源。接入不同的反馈电阻可获得不同的电压增益。为方便使用还应该为IC设计供电电源，可采用7805设计为其提供+5V电源。
电源要求具有可编程性，反馈电阻的接入控制由数字电路完成。电路要求能自动巡回切换电压，可考虑采用555构成多谐振荡器产生时钟信号，以控制计数器产生位选信号，位选信号经译码后可控制模拟开关接入不同的反馈电阻。采用555构成单稳态触发器产生延时信号控制芯片使能端可实现延时效果。
总体方案框图如下：

变压器
整流滤波电路
程序控制稳压电路
IC辅助电源
反馈电阻接入控制电路
周期信号发生电路
延时信号发生器
译码控制电路
数码管显示电路

按照以上设计思想先提出如下设计方案：
通过整流滤波电路对市电进行处理，输出的直流电压不稳定，再通过三端稳压器LM317与采样电阻组成的输出电压可调的稳压电路，在三端稳压器的调整端加晶体三极管9013作为电子开关，通过译码器74LS138对74LS161的计数输出进行译码，利用输出电平信号控制晶体三极管的工作状态，从而达到接通不同反馈电阻的要求。另外，计数器74LS161改接为异步清零方式。
利用555定时器接成多谐振荡器，为计数器74LS161提供计数脉冲，计数器采用同步置零法接成3进制计数器，计数输出接入模拟开关4052以接通不同的反馈电阻。同时，利用另一555定时器接成单稳态触发器，将其输出端反相接入计数器的使能端，使单稳态触发器在暂稳态阶段控制计数器保持计数值，以保持电路输出电压。另外，利用译码器4511与数码管组成显示电路，显示当前输出电压的状态。所有的IC供电则模电部分提供。

第二部分 单元电路设计

2.1 整流滤波电路

2.1.1 电路形式
直流电源的输入为220V的市电，通过电源变压器进行降压，变压器副边电压通过单向桥式整流电路从交流电压转换为直流电压，也即转换为单一方向的脉动电压，再通过电容滤波电路，使输出电压平滑。
2.1.2 单元电路图

2.1.3 功能与工作原理
一般情况下，直流电源的输出电压数值比电网电压有效值小很多，变压器对市电进行降压，再对交流电压进行处理。通过变压器降压后，当U2为正半周时，电流留经D1，最后通过D4流回；当U2为负半周时，电流流经D3，最后通过D2流回。这样，经过二极管的交替工作，使得输出电压变为单个方向的脉动电压，即直流电压。整流电路的输出电压虽是单一方向的，但含有较大的交流部分，再通过电容滤波电路，将脉动的直流电压变为平滑的直流电压。
2.1.4 参数计算
设计要求Uomin=9V，Uomax=15V
输出电压U1应满足:U1≥Uomax+(U1-Uo)min+△U1
其中，(U1-Uo)min为集成稳压器输入输出最小电压差，查表取3V。
设电网波动±10%，则△U1≈[Uomax+(U1-Uo)min]*10%=1.8V
所以，U1≥15+3+1.8=19.8V，可取U1=20V。
由此可确定 变压器次级电压U2≈U1/1.2=16.7V，可选用次级电压为18V的电源变压器，即U2=18V，U1≈1.2*U2=21.6V。
在桥式整流电路中，每只二极管只在变压器副边电压的半个周期通过电流，考虑电网电压波动范围为±10%，实际选用二极管时应至少有10%的余量。
所以，最大整流电流IF>Iomax*1.1/2=0.275A，
最高反向工作电压
选用二极管1N4001，其参数为：ID=1A，URM=100V，满足要求。
一般滤波电容的设计原则是，取其放电时间常数RLC0是其充电周期的确2～5倍。对于桥式整流电路，滤波电容C0的充电周期等于交流周期的一半，即RLC0≥（2～5）T/2=2～5/2f,由于ω＝2πf,故ωRLC0≥(2～5)π,取ωRLC0＝3π则C0=3π/ωRL。其中RL=UI/II，所以滤波电容容量为C0＝3πII/2πfUI＝(3π×0.5)/ 2π×50×21.6＝694(μF)，取C0=1000µF。电容耐压值应考虑电网电压最高、负载电流最小时的情况。
综合考虑波电容可选择C0=1000µF，50V的电解电容。另外为了滤除高频干扰和改善电源的动态特性，可在滤波电容两端并联一个0.1µF的瓷片电容。

2.2 程序控制稳压电路

2.2.1 电路形式
使用三端稳压器LM317构成的输出电压可调的稳压电路，在调整端加控制电路实现程序控制稳压电路。
2.2.2 单元电路图

2.3.3功能与工作原理
在LM317典型电路基础上，为了减少纹波电压，在调整端与地之间并上一个10μF电容C3，同时为了保护稳压器，加上二极管D7、D6，提供放电回路。晶体管9013（NPN）作为电子开关，当基极加高电平时，晶体管饱和导通，相对开关闭合；当基极加低电平时，晶体管截止，相对于开关断开。
2.3.4参数计算
LM317的输出端与调整端之间的电压是稳定的1.25V，输出电流可达1.5A。R0为泄放电阻，设电流为0.5A，则R0=1.25/0.005=250Ω，可取R0=220Ω。由于调整端的电流可以忽略不计，输出电压Uo=(1+Rx/R0)*1.25V，其中Rx为调整端与地之间的电阻值。根据Uo=9V/12V/15V，可算出Rx=1.36kΩ/1.9kΩ/2.4kΩ，即可取图中所示电阻阻值。

2.3 IC辅助电源

2.3.1 电路形式
三段稳压器7805组成的基本稳压电路
2.3.2 单元电路图

2.3.3 功能与工作原理
固定输出+5V电压，为IC供电。
2.3.4 参数计算
为了消除输出电压中的高频噪声，在输出端与地之间连上一个电容C2=1µF，同时为了保护稳压器，在其输入端与输出端跨接了一个二极管。

2.4 周期信号发生器

2.4.1 电路形式
由555定时器构成的多谐振荡器
2.4.2 单元电路图

2.4.3 功能与工作原理
提供一个周期性信号，作为计数器的触发信号。
2.4.4 参数计算
利用公式，振荡周期T=0.7*(R8+2R9)C5，取T=0.55s，C5=10µF，计算得R8+2R9≈78kΩ,可取R8=4.3kΩ,R9=36kΩ。
2.4.5 器件说明

2.5 延时信号发生器

2.5.1 电路形式
由555定时器构成的单稳态触发器
2.5.2 单元电路图

2.5.3 功能与工作原理
在触发信号的作用下，触发器翻转到暂稳态，暂稳态停留一段时间后回到稳态。输出脉冲的宽度tw等于暂稳态持续时间，而暂稳态持续时间取决于外接电阻R和电容C的大小。另外，触发信号是低电平有效，利用图示接法，闭合开关时，输入端由高电平变为低电平，
2.5.4 参数计算
脉冲宽度tw=1.1(R10+Rw)C7
取tw=4s，C7=47µF，计算得R10+Rw≈78kΩ，可取R10=36 kΩ与电位器Rw串联。

2.6 译码控制电路

2.6.1 电路形式
利用74LS161接成三进制计数器，采用异步清零。
2.6.2 单元电路图

2.6.3 功能与工作原理
将555多谐振荡器的输出端接到74LS161的计数输入端，74LS161计数到QDQCQBQA=0011时，QBQA通过与非门接到异步清零端，实现异步清零，计数输出00,01,10的信号。另外，可通过555单稳态输出脉冲反向接到74LS161的使能端EP，当EP变为低电平时来保持计数值。
2.6.4 器件说明

2.7 反馈电阻接入控制电路

2.7.1 电路形式
利用译码器74LS138对计数器输出信号进行译码。
2.7.2 单元电路图

2.7.3 功能与工作原理
将计数器输出信号译成3线电平输出信号，分别接入程序控制稳压电路的晶体管基极，模拟开关控制。
2.7.4 器件说明

2.8 数码管显示电路

2.8.1 电路形式
7段译码器4511将输入信号进行译码，驱动共阴数码管。
2.8.2 单元电路图

2.8.3 功能与工作原理
HEF4511 是一片 CMOS BCD—锁存/7 段译码/驱动器，将输入信号对应的BCD码进行译码，输出高电平，驱动共阴极数码管，另外在数码管公共端与地之间串联一个300Ω的保护电阻。
2.8.4 器件说明

第三部分 整机电路

3.1 整机电路图（附）
3.2元件清单
名称
型号、参数
数量
位号
电阻
220Ω
1
R0
910Ω
1
R1
470Ω
1
R2
1kΩ
4
R3,R5,R6,R7
1.5kΩ
2
R4,R11
4.3kΩ
1
R8
36kΩ
2
R9,R10
300Ω
1
R12
电位器
100kΩ
1
Rw
二极管
1N4001
7
D1~D7
电解电容
1000μF/50V
1
C0
47μF/25V
1
C7
10μF/25V
2
C3,C5
瓷片电容
103
2
C6,C8
104
1
C1
105
2
C2,C4
晶体三极管
9013
3
Q0,Q1,Q2
变压器
18V
1

集成稳压器
LM317
1

W7805
1

IC
NE555
2

74LS161
1

74LS138
1

HEF4511BP
1

74LS00
1

其他
共阴数码管
1

开关
1

导线
若干

第四部分 性能测量

4.1 电路调试

4.1.1 测试使用的仪器
数字万用表、示波器、交流毫伏表

4.1.2 指标测试步骤及测量数据
测试步骤：
一、 输出电压Uo测试
二、 负载电流Io测试
三、 纹波电压Vo测试
测量数据：
序号
Uo/V
Io/mA
Vo/mV
1
9.086
337
0.173
2
12.088
446
0.164
3
14.886
553
0.170

4.1.3 故障分析及处理
1、 电路输出+15V的状态没法保持。
故障原因：74LS161采用同步置零方式，当计数状态信号通过门电路对同步置数端作用时，计数器下一个时钟周期置数，即使此时计数器处在计数值保持状态。
解决方法：将计数器改接为异步清零方式。
2、 使用HEF4052作为稳压控制电路的开关，3个状态的输出电压与理论设计值相差甚大。
故障原因：模拟开关4052存在导通电阻，不可简单充当普通开关接入电路。
解决方法：利用三极管作为电子开关，利用模拟开关4052的电平信号驱动三极管；或者用译码器74LS138代替模拟开关4052，将计数器计数状态进行译码，利用电平信号驱动三极管。
3、 三极管无法正常工作。
故障原因：没有合适的静态工作点。
解决方法：在三极管的基极串联一个电阻。
4.2 电路实现的功能和系统使用说明

4.2.1 电路实现功能
将220V的交流电压转换为稳定的直流电压，通过数字电路可控制输出电压在+9V、+12V、+15V之间切换与保持，数码管对应输出电压从低到高分别显示0、1、2。按下按键可对当前电压值稳定保持4S。
4.2.2 系统使用说明
接通电源，输出端输出的直流电压在+9V、+12V、+15V之间切换，按下开关键后，保持当前输出电压值4s。

第五部分 课程设计总结

此次课程设计历时一个星期，其中收集资料整理出待选方案花近两天，初布测试并确定最终方案耗时两天，最终调整并测量相关参数耗时一天。从成品最终测得参数看来，此次课程设计任务基本功能顺利完成，唯一不足之处在于为IC供电的部分，由于IC仅需要+5V电压，故大部分管压降落在7805两端，造成发热量较大的同时浪费能源，然而受于时间因素限制，并未就该缺陷进行优化。通过此次课程设计，亦获得不少心得体会。
在系统设计方面，
在模拟电路方面，设计电路应该根据设计要求确定方案，元件的选择要根据所要求的参数计算确定，既要参数符合要求保证能正常工作，又要确保所选元件常见易得且价格合理，以节约成本，提高效率。如整流二极管的型号和滤波电容器大小的择取。其次，对电路设计追求完美的同时也不能忽略细节问题，比如此次设计中我们只想到在电路输出端加上滤波电容可以进一步消除纹波电压，却未考虑到断开电源时电容将对稳压管放电而可能损坏稳压管，后来参照了教科书的方法在输出端与输入端之间接上一反向二极管，为断电时电容提供放电回路，从而保护稳压管。还有元件的选择具有一定程度的不随意性，现实的常用元件并不能保证总有自己设计时需要用到的值，尤其是电阻的选取，就好比这次遇到的问题：有3.9KΩ有4.3KΩ却就是没有计算得的4KΩ，解决办法是使用其它阻值的元件组合，或者重新计算同步换用其它阻值的电阻。另外，电路各参数理论计算值与电路实际参数值的区别有时候是不可忽略的，估计主要原因是理想化建模的计算与实际电路存在区别，其次是元件的标称值与实际值也存在一定误差。
数字电路方面，最深的感受来自模拟开关4052，第一方案直接把4052当普通开关接入模拟电路失败做法让我们深刻体会到，数字电路与实际模拟电路存在巨大的区别，在今后的设计中一旦用到数控芯片一定要事先了解其性能参数及正确用法。其次在于数字电路高低电平的判别，不同的芯片存在不同标准，如此次使用的74138译码芯片和4511数码管驱动显示芯片。在设计中为便于观察调试曾在74161计数器输出端与地之间接上两个LED用万用表测得其导通时端电压为2V左右（未接LED时高电平输出应为VCC5V左右），该电平值对74138而言是高电平，因此能正常译码，而对于4511而言则未被认为高电平，导致74138译码器有正常译码，数码管却一直显示为“0”，后来去除了两个LED4511才正常工作，今后的设计要注意这一问题。 还有就是芯片未用到管脚的接地悬空问题，此次设计中由于一开始想当然，连接74138线路时未把未使用的译码输入管脚（第三只输入管脚）接地，结果无法正常工作，查阅资料方得知74138为TTL电路，其悬空管脚为高电平，以后的设计也要多注意这一细节。当然从此次设计中学到的还有电子设计的基本思路、数字电路对模拟电路的交接控制方法等。

第六部分 参考文献
【1】 阎石.数学电子技术基础.清华大学.高等教育出版社.2006
【2】 马全喜.电子元器件与电子实习.机械工业出版社.2006
【3】 华成英、童诗白。模拟电子技术基础. 高等教育出版社.
【4】 李志健. 数字电子技术基础实验任务书.西安电子科技大学出版社.2007
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