简易直流稳压电源--课程设计.doc

简易直流稳压电源

目录
1 设计要求………………………………………………………………………………………………….1
2 摘要…………………………………………………………………………1
3 关键词………………………………………………………………………1
4 方案论证与选择…………………………………………………………2
(1) 直流稳压电源部分…………………………………………………2
(2) 输出电压数字显示部分……………………………………………7
5 总体方案设计及计算………………………………………………………7
（1） 总体设计方案…………………………………………………………7
（2） 直流稳压电源部分电路设计及计算……………………………8
（3） 数字显示电路计算…………………………………………………10
6 总体电路图，接线图及其说明…………………………………………11
7 所用元件介绍………………………………………………………………12
8 结果分析与存在问题………………………………………………………15
9 收获与体会…………………………………………………………………16
10 参考文献……………………………………………………………………17
11 补充电路图…………………………………………………………………17
设计要求
（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
摘要
几乎所有的电子设备都需要有稳衡的电压供给，才能使其处于良好的工作状态。家用电器中的电视机、音响、电脑尤其是这样。电网电压时高时低，电子设备本身耗电忽大忽小，都给供电造成不稳定因素。解决这个不稳定因素的办法是在电子设备的前端进行稳压。直流稳压电源一般由变压器，整流器和稳压器三大部分组成。变压器把市电交流电压变为所需要低压交流电。整流器把交流电变为直流电。经滤波后，稳压器再把不稳定的直流电压变成稳定的电压输出。直流稳压电源是电子制作中不可缺少的设备。本次设计的简易直流稳压电源，根据技术要求可以分为两部分：模拟部分和数字部分。模拟部分实现12V的正负固定电压输出，同时实现0-12v电压连续可调。数字部分实现0-12V连续可调电压的数字输出。
关键词
整流; 滤波; 稳压; 数字显示; 连续可调

引言：随着人们生活水平的不断提高,数字化控制无疑是人们追求的目标之一,它所给人带来的方便也是不可否定的,其中数控直流稳压电源就是一个很好的典型例子,但人们对它的要求也越来越高,要为现代人工作、科研，生活、提供更好的，更方便的设施就需要从数字电子技术入手，一切向数字化，智能化方向发展.
本文所介绍的数控直流稳压电源与传统的稳压电源相比，具有操作方便，电压稳定度高的特点，其输出电压大小采用数字显示，此设计没有用到单片机，只用到了数字技术中的可逆计数器，D/A 转换器，译码显示等电路，具有控制精度高，制作比较容易等优点。
方案论证与选择
因总体设计分为两部分，即直流稳压电源部分和输出电压数字显示部分，最后再将两部分组合，故分别进行分析与论证。
（1） 直流稳压电源部分：
1首先对变压器部分进行选择
方案一：采用带中心抽头的变压器。电路如图一所示，显然该电路只能输出+12v的电压，而设计要求同时输出+12v和-12v电压，在后续的数字显示电路中还需要+5v的电压为芯片供电，因此选用此电路并不合适。

图表 1
方案二：不带中心抽头的变压器。此时只用一个桥式整流电路，电路较前一种简单，而且输出12V电压，同时可以得到+5V电压，其基本原理如图二所示：

图表 2
注：由于仿真时没有变比可调的变压器，因此直接用一17v交流电压源代替变压器，实际中应为一变压器。
方案三：同样是带中心抽头的变压器，其电路原理图如图三所示
图表 3
此电路较前两个方案要复杂一些，用到了两个桥式整流电路，对应分别输出+5v电压和12V电压，满足设计要求，但成本相对较高。
方案选择：综合评定三种方案可知，方案二电路简单易于实现，而采用带中心抽头的电路复杂，所需变压器容量大，功耗大，因此采用不带中心抽头的变压器作为交流-交流变压部分。
2．整流电路部分的选择与论证：
方案一：桥式整流电路。电路图如图四所示

图表 4
桥式整流电路是使用最多的一种整流电路。这种电路，只要增加两只二极管口连接成"桥"式结构，便具有全波整流电路的优点，而同时在一定程度上克服了它的缺点。桥式整流电路是利用四个二极管制作成一个整体，引出四个脚，两个作为交流电源输入端，另两个作为输出端。
方案二：半波整流电路。电路图如图五所示，

图表 5
半波整流电路是一种最简单的整流电路。它由电源变压器 、整流二极管D 和负载电阻Rfz ，组成。变压器把市电电压变换为所需要的交变电压E2 ， 再把交流电变换为脉动直流电。该电路联接简单，但输出脉动大。
方案选择：通过比较可知，半波整流电路简单，易于联接，但输出脉动大。而桥式整流电路在实际中应用较多，变压器负极线圈在一周内均有电流通过。采用桥式整流电路比较好。
3滤波电路方案选择 ：滤波电路常用于滤去整流输出电压中的纹波，一般由电抗元件组成，如在负载电阻两端并联电容器C，或图表 6
与负载串联电感器L，以及由电容，电感组成而成的各种复式滤波电路。由于电抗元件在电路中有储能作用，并联的电容
器C在电源供给的电压升高时，能把部分能量储存起来，而当电源电压降低时，就把能量释放出来，使负载电压比较平滑，即电容C具有平波的作用；与负载串联的电感L,当电源供给的电流增加时，它把能量储存起来，而当电流减小时，又把能量释放出来，使负载电流比较平滑，即电感L也有平波作用。
方案选择：电感滤波输出电流较为平滑，同时电感负载有延长整流二极管导通角的趋势，因此输出电流比较平滑，避免了过大的冲击电流。但电感滤波后输出电压较低。滤波电路结合了电容滤波和电感滤波的优点，但电路较复杂，参数选择比较困难。电容滤波电路输出电压与时间常数的大小有关，因此电容滤波电路适合在大负载场合下运用。在滤波电容的容量较大的情况下，电路刚接通的瞬间，整流二极管将承受很大的浪涌电流，很可能因过流而烧毁，因此，在选用二极管时，应注意挑选电流大一点的，最好采用比锗管更经得起电流冲击的硅管。还可以采取一些保护整流二极管的措施，使通过整流二极管的最大电流不超过规定的浪涌电流。同时，电容滤波电路的外特性比较软。综合分析此次设计采用电容滤波电路。

4稳压电路部分方案选择：
本次设计选择集成三端稳压器LM7812,LM7912,LM7805为了满足稳压电源最大输出电流400mA的要求,可调稳压电路选用集成三端稳压器LM7805组成,该电路的优点是电路设计简单，输出电压稳定，可同时输出+12v，-12v以及+5v电压。可作为辅助电源在后续电路中使用。该电路缺点是输出电压不可调。这也就决定了数字显示电路的选择。
（2） 输出电压数字显示部分：
方案一：采用模数转换电路。
可以采用ADC0809将模拟电压信号转换成数字信号。ADC0809是采样频率为8位的、以逐次逼近原理进行模—数转换的器件。其内部有一个8通道多路开关，它可以根据地址码锁存译码后的信号，只选通8个单断模拟输入信号中的一个进行A/D转换。其精度可精确到(1/255)*12=0.05V。但是需要模拟输出电压连续变化，而本设计的直流稳压电源输出是恒定的12V及+5v，必须通过其他方法解决。
方案二：采用数模转换电路，通过 “+”, -”按键控制调节输出电压变化，同时显示电压值，本次设计选用此方案。
总体方案设计及计算
（1） 总体设计方案：
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七所示.主要包括三大部分: 数字控部分、D/A 变换器及可调稳压电源. 数字控制部分用+、- 按键控制一个可逆二进制计数器, 二进制计数器的输出输入到D/A 变换器, 经D/A 变换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 的步进值增和减。

图表 7
（2） 直流稳压电源部分电路设计及计算
（一） 桥式整流、电容滤波电路计算。为了方便稳压电源能够正常工作, 滤波电路的输出电压应满足下式:
UI≥Uomax+( UI- UO)min+URIP+ΔUI
式中, Uomax—稳压电源输出最大值
Uomax=12v
( UI- UO)min—集成稳压器输入输出最小电压差，对于集成三端稳压器, 当( UI- UO) min =2～10V 时具有较好的稳压输出特性.
( UI- UO)min=3v
URIP—滤波器输出电压的纹波电压值( 一般取UO,( UI- UO) min 之和的10%)
URIP =（12+3）×0.1=1.5v
ΔUI—电网波动引起的输入电压的变化( 一般取UO,( UI- UO) min, URIP 之和的10%) . ΔUI=（12+1.5+3）×0.1=1.65v 所以
UI≥12+3+1.5+1.65≥19( V)
取UI =19V.根据UI 可确定变压器次级电U2.
U2=UI/(1.1～1.2)=19 /1.1≈17V
在桥式整流电路中, 变压器次级电流与滤波器输出电流的关系为:
I2 =( 1.5～2) I1≈1.5x0.4=0.6A.
流过桥式电路中每只二极管的电流为ID=0.5IImax=0.5I0max=0.5×0.4 = 0.2(A).每只整流二极管承受的最大反向电压为URM=1.414U2max= 1.414×17×(1+10%)≈26 (V). 选用二极管IN4001, 其参数为: ID=1A,URM=100V.可见能满足要求.
一般滤波电路的设计原则是, 取其放电时间常数RLC 是其充电时间常数的2～5 倍. 对于桥式整流电路,滤波容C的充电周期等于交流电源周期的一半,
即RLC≥( 2～5)T/2=( 2～5) /2f,
由于ω=2πf, 故ωRLC≥( 2～5) π, 取ωRLC=3Π, 且RL=UI/II, 则C=3ΠII /2IIf UI=3I×0.5/(2×50×19) =632uF, 取C=1000 uF.电容耐压值应考率电网电压最高、负载电流最小时的情况
.VCmax =1.1×1.414U2max≈26 (V),
综合考虑滤波电容可选择C=1000 uF, 50V 的电解电容。
（二）稳压电路计算。由于输出电压为12V以及+5v,因此只需选取三端集成稳压器LM7812，LM7805和输出负电压的LM7912。电路图如下

图表 8
（3） 数字显示电路计算：
数模转换电路，采用两块DAC0832 集成块，它是一个 8 位数/模转换电路，这里使用全部8 位数字量输入端。由于 DAC0832 不包含运算放大器，所以需要外接两个运算放大器相配，才构成完整的 D/A转换器，运放将其转换成与数字端输入的数值成正比的模拟输出电压，运放采用具有调零的低噪声高速优质运放NE5534。
调整输出级采用运放作射极跟随器，使调整管的输出电压精确地与 D/A转换器输出电压保持一致。调整管采用大功率达林顿管，确保电路的输出电流值达到设计要求。输出电压的调整，主要是运用射极输出器发射极上所接的 4.7K电阻来完成的，此反馈电阻的主要作用是，把输出电压反馈到 NE5534 的输入级的反向输入端，当同相输入 IN+和反向输入端IN-有差别是，调整输出电压使之趋于稳定，从而达到调整输出电压的目的。

电压输出控制：通过两个开关J1和J2，J1控制增，J2控制减，输入数字000，短接电位器R10，R11调运放调零电位器R5, 用数字万用表检测，使输出电压 Uo=0V。
输入数字120，调整R9，R5,R11使输出电压 Uo 达到预定的满量程 12.0V。这样每增一或减一就可以控制输出电压步进或步减，每次增减0.1v，同时可以显示输出电压。电路图如下
U0

图表 9
该电路可实现对电压的数字控制与显示，输出直流电压能步进调节, 步进值为0.1V，输出电流400mA，符合设计要求。
总体电路图，接线图及其说明
如图所示，直流稳压电源为数字电路提供辅助电源，+5v可为两个74LS192提供电源，同时DAC0832的ILE管脚也需接+5v电源以工作在直通工作方式。+12v电压接DAC0832Vref管脚作为比较电压，通过数模转换器输出步进电压。
U0

总电路图
所用元件介绍
lm7812
（1）集成三端稳压器LM7812：
主要用途：适用于各种电源稳压电路。
主要特点：输出稳定性好、使用方便、输出过流、过热自动保护
电特性： ( Tc=25 ℃ )
参数名称
符号
测试条件
最小值
典型值
最大值
单位
输出电压
VO
T =25 ℃
11.5
12
12.5
V
输出电压
VO
14.5V≤V ≤27V；I =5mA～1A
11.4

12.6
V
输入电压
VI
I O ≤ 1.5A
12.5

35
V

（2）集成三段稳压器LM7805：
功能框图
7805 系列为 3 端正稳压电路,TO-220 封装，能提供多 种固定的输出电压，应用范围广。内含过流、过热和过载保 护电路。带散热片时，
输出电流可达 1A。虽然是固定稳压电路，但使用外接元件，可获得不同的电压和电流。
主要特点：输出电流可达1A；输出电压有5V；过热保护；短路保护；输出晶体管；SOA 保护。
应用电路：

DC参数测试 可调整输出稳压器

（3）74LS192: 74LS192 是双时钟，可预置数，异步复位，十进制（BCD 码）可逆计数器。芯片及功能如图所示。

图十
PL是低电平有效的预置数允许端，PL=0 时，预置数输入端 P0~P3 上的数据被置入计数器。
MR是高电平有效的复位端，MR=1 时，计数器被复位，所有输出端都为低电平。CPU是加计数时钟，CPD 是减计数时钟，当 CPU=CPD=1 时，计数器处于保持状态，不计数。当 CPD=1，CPU 由0变为1时，计数器的计数值加1；当 CPU=1，CPD 由0变1时，计数器的计数值减1。
TCU 是进位输出端，当加计数器达到最大计数值时，即达到 9 时，TCU 在后半个时钟周期（CPU=0）内变成低电平，其他情况均为高电平。TCD是借位输出端，当减计数器计到零时，TCD在时钟的后半个周期（CPD=0）内变成低电平，其他情况下均为高电平。
本次设计是利用两片74LS192级联构成1000进制计数功能的，但实际中只用到了120进制，这也是本设计的一个缺陷，对元件的利用率不高。
（4） DAC0832：

结果分析与存在问题
本次设计的直流稳压电源基本满足设计要求，但也存在一些问题，以下作简要分析。
1直流稳压电源可以输出稳定的12V电压，但是不可以调整输出电压值大小，因此想直接利用数模转换器显示可调连续电压比较困难，因而造成了后面的数显电路复杂。可以对该电路稍作改进，使输出电压连续可调，就可以简化显示电路。
2对各种元件的了解程度还不够，虽然查阅了很多资料，对于一些功能和管脚的应用还不清楚。
收获与体会
本次课程设计我收获颇丰，一方面是对所有电子知识的综合与应用，另一方面对一些应用软件诸如MULTISIM,WORD,PPT等软件有了一定了解和实际应用的机会，我选的设计课题是模数电结合的课题，课程设计虽然很难，但也充满了乐趣与挑战。
刚拿到课题的时候就赶紧查阅资料，了解一下课程设计的大概流程。首先想到的就是课本，数电，模电，微机，找到了一些可以利用的芯片。但是书上只是介绍了一下芯片的原理和简单的应用，要想应用到设计当中还是远远不够的。于是我又到网上和图书馆查阅了一些资料，找到了一些设计范例，对于芯片的应用部分也有了进一步了解，才对总体电路有了一个初步的构想。开始清楚要先做什么,怎样一步步的完成设计的各个部分。准备工作做完就开始正式设计与方案选择。本次设计最大的特点就是各部分电路分得很清出，模电部分，数电部分，其中数电部分又分为好几块。因此在方案论证与选择的时候要一步一步来，使我对各部分的电路原理有了一个系统的复习与应用，最后再来一个大综合。这次设计让我熟练掌握了课本上的一些理论知识，例如元件的选择,之前在书本上看的各元器件有什么特性,有什么优点缺点,设计中得以将这些知识用于实践。在选择器件的时候,都充分考虑周全,根据电路所要达到的功能状态和可实性来选择器件。这次课程设计锻炼了我各方面的能力，包括综合运用所学知识，如何合理的查找资料，利用资料的能力。
两个星期的时间让我明白，学是一回事，应用是另一回事，要把所学知识应用到实际生活中并不是想象中那么简单，必须要自己亲身去体会去做，才会发现问题，想办法去解决。书本上的知识远远不够，一定要学会查资料，利用资料，才能有更广阔的思路与解决问题的方法。
参考文献
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补充：数控电路图和总电路图

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