《簡易直流穩(wěn)壓電源》課程設(shè)計報告

1、 目 錄摘要.2設(shè)計要求.2第一章 系統(tǒng)概述3第二章 單元電路設(shè)計與分析11第三章 系統(tǒng)綜述、總體電路圖19第四章 結(jié)束語23參考文獻(xiàn).23元器件明細(xì)表.24附圖.25鳴謝.26收獲與體會，存在的問題等.26評語.27簡易直流穩(wěn)壓電源摘要：直流穩(wěn)壓電源是能為負(fù)載提供穩(wěn)定直流電源的電子裝置。直流穩(wěn)壓電源的供電電源大都是交流電源，當(dāng)交流供電電源的電壓或負(fù)載電阻變化時，穩(wěn)壓器的直流輸出電壓都會保持穩(wěn)定。 直流穩(wěn)壓電源隨著電子設(shè)備向高精度、高穩(wěn)定性和高可靠性的方向發(fā)展，對電子設(shè)備的供電電源提出了高的要求。本次課程設(shè)計題目為簡易直流穩(wěn)壓電源，此設(shè)計的系統(tǒng)由 直流穩(wěn)壓電源部分、數(shù)控部分及顯示部分組成。本文

2、設(shè)計的是量程為12v且在012v可調(diào)的直流穩(wěn)壓電源，其最大輸出電流為400ma，并具有數(shù)字顯示電壓功能。并且利用a/d轉(zhuǎn)化，將輸出的連續(xù)電壓信號變?yōu)殡x散的數(shù)字信號實現(xiàn)輸出電壓的控制。另外核心部分為：采用數(shù)字電路實現(xiàn)輸出電壓的控制，通過加減鍵實現(xiàn)加計數(shù)或減計數(shù)。同時通過計數(shù)器和譯碼-驅(qū)動器，最終將電壓值顯示到數(shù)碼管組上。該穩(wěn)壓電源具有性能穩(wěn)定.結(jié)構(gòu)簡單.電壓、電流指標(biāo)精度高.調(diào)節(jié)方便等優(yōu)點(diǎn)。同時通過計數(shù)器和譯碼-驅(qū)動器，最終電壓值顯示到數(shù)碼管組上。該穩(wěn)壓電源具有性能穩(wěn)定.結(jié)構(gòu)簡單.電壓、電流指標(biāo)精度高.調(diào)節(jié)方便等優(yōu)點(diǎn)。關(guān)鍵字：整流；濾波；穩(wěn)壓；數(shù)控；可調(diào)；數(shù)碼管；設(shè)計要求主要技術(shù)指標(biāo)與要求1.

3、輸出電壓12v；2. 輸出電流400ma；3. 輸出電壓數(shù)字顯示，顯示精度優(yōu)于0.1。4. 輸出電壓在012v之間連續(xù)可調(diào)。第一章 系統(tǒng)概述1設(shè)計思路1.1整體電路：直流穩(wěn)壓電源一般由電源變壓器、整流濾波電路、及穩(wěn)壓電路組成，其基本原理框圖如下圖（圖1.1）所示。（1）首先選用合適的電源變壓器將電網(wǎng)電壓降到所需要的交流電源。（2）降壓后的交流電壓，通過整流電路整流變成單項脈動直流電壓。直流脈動電壓經(jīng)過濾波電路變成平滑的、脈動小的直流電壓，即濾除交流成分，保留直流成分，濾波電路一般有電容組成，其作用是把脈動直流電壓中的大部分紋波加以濾除，以得到較平滑的直流電壓。（3）穩(wěn)壓電路：穩(wěn)壓電路的作用適當(dāng)

4、外界因素（電網(wǎng)電壓、負(fù)載、環(huán)境溫度）發(fā)生變化時，能是輸出直流電壓不受影響而維持穩(wěn)定的輸出。圖1.1直流穩(wěn)壓電源基本原理框圖1.2總體方案的設(shè)計該系統(tǒng)總體方案設(shè)計主要在可調(diào)電壓輸出部分，其要求是輸出電壓從0v開始連續(xù)可調(diào)。由于時間、個人能力有限，固根據(jù)數(shù)字電子技術(shù)與模擬電子技術(shù)所學(xué)知識，設(shè)計出如下簡單，方便，易懂的設(shè)計方案。首先將220v交流電壓，通過變壓器，降低電壓值。然后交流電壓經(jīng)過整流濾波后,得到平滑的直流電壓,作為穩(wěn)壓電路的輸入電源從ui輸入。由于平穩(wěn)后的直流電壓達(dá)不到所需12v直流電壓，通過運(yùn)用了比較放大電路,將電壓放大，通過計算，將其放大至所需值。它的核心是調(diào)整管,輸出電壓的穩(wěn)定是管

5、的壓降相應(yīng)改變,使輸出電壓保持穩(wěn)定。穩(wěn)壓電路整流電路變壓器變壓取樣電壓輸出電壓比較反饋 方案總體框圖2整流電路模塊與濾波電路模塊 降壓后的交流電壓，通過整流電路整流變成單項脈動直流電壓。直流脈動電壓經(jīng)過濾波電路變成平滑的、脈動小的直流電壓，即濾除交流成分，保留直流成分，濾波電路一般有電容組成，其作用是把脈動直流電壓中的大部分紋波加以濾除，以得到較平滑的直流電壓。 如下，做整流電路模塊方案和濾波電路模塊的選擇與論證2.1整流電路模塊方案的選擇與論證該模塊主要利用二極管的單向?qū)щ娦越M成整流電路，將交流電壓變換為單方向脈動電壓。實現(xiàn)方法主要有以下三種。方案一：單相半波整流電路（a）電路圖 u2 u0

6、 ud （b）波形圖圖2.1單相半波整流電路 在變壓器次級電壓u2為正的半個周期內(nèi)（如圖2.1（a）中所示上正下負(fù)），二極管導(dǎo)通，在rl上得到一個極性為上正下負(fù)的電壓；而在u2為負(fù)的半個周期內(nèi)，二極管反向偏置，電流基本上等于0。所以在負(fù)載上的電壓的極性是單方向的（如圖2.1（b）所示）。正半周內(nèi)uo=u2，ud=0；負(fù)半周內(nèi)uo=0。ud=u2。由此可見，由于二極管的單向?qū)щ娮饔?，把變壓器次級的交流電壓變換為單向脈動電壓，達(dá)到了整流的目的。其優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單，使用的元件少，但也有明顯的缺點(diǎn)：輸出電壓脈動大，直流成分比較低；變壓器有半個周期不導(dǎo)電，利用率低；變壓器含有直流部分，容易飽和。只能用于輸

7、出功率較小，負(fù)載要求不高的場合。方案二：單相全波整流 (a)電路圖u2iouoo totot(b)波形圖圖2.2全波整流電路全波是利用具有中心抽頭的變壓器與兩個二極管配合，使兩個二極管在正、負(fù)半周輪流導(dǎo)電，而且二者流過rl的電流保持同一方向，從而使正、負(fù)半周在負(fù)載上均有輸出電壓。電路如圖2.2（a）所示。正半周內(nèi)d1導(dǎo)通，d2截止，在負(fù)載rl上得到的電壓極性為上正下負(fù)；負(fù)半周內(nèi)，d1截止，d2導(dǎo)通，在負(fù)載上得到的電壓仍為上正下負(fù)，與正半周相同。全波整流波形如圖2.2（b）。全波整流的輸出電壓時半波整流的兩倍，輸出波形的脈動成分比半波整流時有所下降。全波整流電路在負(fù)半周時二極管承受的反向電壓較高

8、，其最大值等于，且電路中每個線圈只有一半時間通過電流，所以變壓器利用率不高。方案三：單相橋式整流單相橋式整流電路如圖2.3（a）。由圖可見，u2正半周時d1、d4導(dǎo)通，d3、d2截止，在負(fù)載電阻rl上形成上正下負(fù)的脈動電壓；而在u2負(fù)半周時，d2、d3導(dǎo)通，d1、d4截止，在rl上仍形成上正下負(fù)的脈動電壓。如果忽略二極管內(nèi)阻，有uou2。橋式整流電路波形如圖2.3（b）所示。正負(fù)半周均有電流流過負(fù)載，而且電路方向是一致的，因而輸出電壓的直流成分提高，脈動成分降低。單相橋式整流電路主要參數(shù)：輸出直流電壓,脈動系數(shù)s，二極管正向平均電流i,二極管最大反向峰值電壓u。橋式整流電路解決了單相整流電路存

9、在的缺點(diǎn)，用一次級線圈的變壓器，達(dá)到了全波整流的目的。(a) 電路圖 u2 io uo o 0 0 (b)波形圖 圖2.3單相橋式整流電路通過三組方案的對比，由于橋式整流電路解決了單相整流電路存在的缺點(diǎn)，用一次級線圈的變壓器，達(dá)到了全波整流的目的。而方案一、二有明顯不足之處。因此選用方案三單相橋式整流。2.2濾波電路模塊方案的選擇與論證該模塊實現(xiàn)降低輸出電壓的脈動成分，盡量保留直流成分的功能。利用電容和電感的濾波作用達(dá)到降低交流保留直流成分的目的。方案一：電容濾波（a）電路圖 （b）濾波后輸出的波形 圖2.4單相橋式整流電容濾波電路如圖2.4所示為單相橋式整流電容濾波電路。利用電容的儲能特性，

10、使波形平滑，提高直流分量，減小輸出波紋，其輸出波形如圖2.4（b）所示。電容濾波有以下特點(diǎn)：一、加入濾波電容后，輸出電壓的直流成分提高，脈動成分減小。二、電容濾波放電時間常數(shù)（）越大，放電過程越慢，輸出直流電壓越高，紋波越小，效果越好。為了獲得較好的濾波效果，一般選擇電容值滿足5) ，此時，輸出電壓的平均值。三、電容濾波電路的輸出電壓隨輸出電流的增大而減小，所以電容濾波適合于負(fù)載電流變化不大的場合。 方案二：電感濾波單相橋式整流電感濾波電路如圖5，利用電感不能突變的特性，使輸出電流波形平滑，從而使輸出電壓波形也平滑，提高直流分量，減小輸出紋波。（a） 電路濾波前濾波后 t(a) 濾波后的輸出波

11、形圖2.5單相橋式整流電感電路u 方案三：復(fù)式濾波復(fù)式濾波電路由電阻和電容，電阻和電感或電感和電容組合成的濾波。幾種常見的復(fù)式濾波電路如圖2.6所示。圖2.6（a）所示為型濾波電路，這種電路的缺點(diǎn)是在r上有壓降，因而需要提高變壓器次級電壓；同時，整流管的沖擊電流仍然較大，這種電路知識和小電流負(fù)載的場合。（b）所示為型濾波電路，這種濾波電路的優(yōu)點(diǎn)是：簡單經(jīng)濟(jì)，能兼起限制浪涌電流的作用，濾波效果較好。其缺點(diǎn)是帶負(fù)載能力差，濾波電路有功率損耗。它適合負(fù)載電流小，紋波系數(shù)小的場合。（c）所示為倒l型濾波電路，整流后輸出的脈動直流經(jīng)過電感，交流成分被削弱，再經(jīng)過c濾波后，可在負(fù)載上獲得更加平滑的直流電壓

12、。這種濾波電路的優(yōu)點(diǎn)是：濾波效果好，幾乎沒有直流損耗。其缺點(diǎn)是低頻時電感體積大，成本高。(a) 型濾波 (b) 型濾波 (c) 倒l型濾波 圖2.6 常見復(fù)式濾波電路綜合考慮，由于在小功率電源中電容濾波最為常見，滿足本設(shè)計要求，故選擇方案一。第二章 單元電路設(shè)計與分析2.1 12v直流穩(wěn)壓電源的設(shè)計首先通過變壓器將電壓為220v的交流電壓降到所需值，以供穩(wěn)壓電源電路所用。該穩(wěn)壓電源電路，由整流橋ibq40（d1）進(jìn)行整流、c1和r1平滑濾波，輸出至電壓調(diào)整管q1的集電極，通過電路中個原件的作用功能，發(fā)揮作用，最終得到012v可調(diào)直流電壓。電路中，d2選擇穩(wěn)壓值為3.3v的穩(wěn)壓管，使從整流、濾波

13、輸出的直流電壓穩(wěn)定在3.3v左右，并接入u3，由于r2、r3阻值相等，通過u3運(yùn)算放大器，將電壓放大兩倍（a=（r2+r3）/r3=2），使得其輸出電壓約為6.6v左右。通過增加一滑動變阻器r4，與運(yùn)算放大器u4連接，可調(diào)節(jié)輸入u4的電壓值，而接入的r5=5k，r6=5.44k，因此計算得出u4放大倍數(shù)a=（r5+r6）/r5=1.92。因此調(diào)節(jié)r6就可得到012v連續(xù)可調(diào)直流電壓。（通過計算，可得出電路圖中各原件的值。）下圖為所設(shè)計直流穩(wěn)壓電源電路圖。圖2.1電路圖2.2輸出-12v不可調(diào)部分由lm7912 芯片、電容組成。電路如圖4.2圖2.2 穩(wěn)壓不可調(diào)電路lm7912是固定式的三端集成

14、穩(wěn)壓器，輸出電壓為-12v，輸出電流為1.5a，符合題目要求，故選用該穩(wěn)壓器。輸入端的電容c8用以抵消較長接線的電感效應(yīng)，防止產(chǎn)生自激震蕩，取值一般選在（0.11）nf;輸出端電容c9用來改善暫態(tài)響應(yīng)，使瞬時增減負(fù)載電流時不致引起輸出電壓有較大的波動，c9選用100nf。2.3 a/d轉(zhuǎn)化模塊如圖8。當(dāng)連續(xù)可調(diào)的穩(wěn)壓電路產(chǎn)生一個電壓后，由一個8位輸出的a/d轉(zhuǎn)化器轉(zhuǎn)化成一個固定的8位二進(jìn)制數(shù)，比較部分共由六片十進(jìn)制計數(shù)芯片74ls160完成。同時由cp脈沖給兩片74ls160計數(shù)，也得到一個八位的二進(jìn)制數(shù)，兩個數(shù)經(jīng)過比較，如果相等則給右邊級聯(lián)的四片74ls160置數(shù)。因為六片160由同一個cp

15、脈沖觸發(fā)，所以能夠保證兩者級聯(lián)后的芯片計數(shù)相等。圖2.3a/d轉(zhuǎn)化電路圖2.4 顯示電路顯示電路主要用來產(chǎn)生電壓控制碼。輸出電壓的可調(diào)部分從012.00以0.1步徑調(diào)節(jié)，至少需要121個狀態(tài)。2.4.1脈沖產(chǎn)生電路的設(shè)計 脈沖通過控制按鍵開關(guān)的開與閉實現(xiàn)高低電平的瞬間轉(zhuǎn)換來產(chǎn)生。為了防止按鈕開關(guān)過程中出現(xiàn)振鈴現(xiàn)象，在加減計數(shù)按鈕與計數(shù)器計數(shù)時鐘脈沖端之間接入74ls14，可以消除振鈴現(xiàn)象。如圖2.4。圖2.3 a/d轉(zhuǎn)化模塊電路圖。圖2.4 脈沖產(chǎn)生電路2.5計數(shù)器計數(shù)電路的設(shè)計計數(shù)器應(yīng)選擇十進(jìn)制加減可逆，擇74ls192。計數(shù)電路用三片74ls192十進(jìn)制計數(shù)器用進(jìn)位方式級聯(lián)而成，如圖2.5

16、所示。其中，最高位的那片74ls192用十進(jìn)制計數(shù)器異步清零法，構(gòu)成二進(jìn)制計數(shù)器。這四片74ls192計數(shù)器輸出的狀態(tài)通過控制t型網(wǎng)絡(luò)電阻的選用情況，來實現(xiàn)分別控制輸出電壓的百分位，十分位，個位，十位的值。計數(shù)方式：1，加計數(shù)時，當(dāng)百分位計數(shù)器由9復(fù)位到0時，其發(fā)出一個負(fù)脈沖作為十分位計數(shù)器加計數(shù)的時鐘信號，使十分位計數(shù)器加1計數(shù)。依此類推，十分位，個位，十位都由低位向高位進(jìn)位。2，減計數(shù)時，則當(dāng)某位減小至0時，向次高位借1。圖2.5 計數(shù)器計數(shù)電路2.6防止加減電路計數(shù)溢出電路的設(shè)計電路設(shè)置了對0v和11.9v的鎖定，有以下兩個原因。一是，使級聯(lián)后的計數(shù)器剛好產(chǎn)生121個狀態(tài)。二是，出于電源

17、安全供電要求，計數(shù)器不允許從0v到12.0v的跳變和從12.0v到0v的跳變。因此設(shè)置了鎖定，即狀態(tài)12.0只能減法記數(shù)，0只能加法計數(shù)，以確保安全。為了防止加減計數(shù)的溢出，需要設(shè)置防止加減計數(shù)溢出的電路?；舅悸肥且坏┯嫈?shù)器輸出出現(xiàn)1 0010 0000，應(yīng)禁止繼續(xù)加計數(shù)；同樣出現(xiàn)0 0000 0000 ，應(yīng)禁止繼續(xù)減計數(shù)。電路圖如圖（b）是防止減計數(shù)溢出控制電路。當(dāng)計數(shù)器的輸出狀態(tài)為0 0000 0000 時，防止減計數(shù)溢出的電路的全部輸入為0 0000 0000 。經(jīng)過反向器后，在二極管邏輯電路的二極管輸入端為高電位，9個二極管全部關(guān)斷。為了提高輸出驅(qū)動能力，降低對前級負(fù)載效應(yīng)，二極管邏

18、輯輸出接晶體管射極跟隨器。當(dāng)跟隨器輸出高電位時，經(jīng)過反向器轉(zhuǎn)換為低電位送到減計數(shù)控制邏輯控制的“與非門”，封鎖減計數(shù)控制邏輯控制的“與非門”，實現(xiàn)減計數(shù)溢出的防止。同理，圖（a）是防止加計數(shù)溢出控制電路。當(dāng)計數(shù)器的輸出狀態(tài)為1 0010 0000 時，繼續(xù)按加計數(shù)控制開關(guān)，計數(shù)器的輸出狀態(tài)不改變。(a) (b) 圖2.6 防止加減溢出電路2.7置數(shù)控制電路的設(shè)計考慮到實用，能夠盡快得到想要的電壓值，因而設(shè)置了置數(shù)電路。如果沒有置數(shù)電路，則想得到任何一個輸出電壓值必須從0v開始，以0.1v為步進(jìn)向上加，這樣很慢，不符合實用要求。置數(shù)電路由被置數(shù)控制電路和置數(shù)開關(guān)組成。被置數(shù)控制電路用一片74ls

19、192十進(jìn)制計數(shù)器來計數(shù)輸出端接在個位計數(shù)器的置數(shù)端。由此可實現(xiàn)被置數(shù)從0000到1001的變化。通過脈沖開關(guān)來實現(xiàn)被置數(shù)的確切數(shù)值。這里僅對個位計數(shù)器的進(jìn)行置數(shù)，使個位能從0v 到9v變化。需要置數(shù)時，按一下置數(shù)開關(guān)，即可。個位計數(shù)器的置數(shù)端在不工作時接高電位，工作時接低電位，并將置數(shù)端的數(shù)置入，使計數(shù)器輸出端的輸出狀態(tài)為被置數(shù)。原理圖如下，圖2.7。前面的加減開關(guān)以及74ls14是為了產(chǎn)生穩(wěn)定的脈沖，使后面的計數(shù)器正常計數(shù)。圖 2.7 2.8數(shù)顯電路的設(shè)計數(shù)顯電路采用數(shù)碼管顯示輸出電壓的大小。如圖2.8。圖2.8.1 單塊數(shù)顯電路因為顯示電壓范圍是0v到12.0v。為了使電路簡單方便，固不

20、設(shè)計小數(shù)點(diǎn)顯示。圖2.8.2.數(shù)顯模塊電路附圖。置數(shù)電路和控制電路及計數(shù)電路及顯示電路連在一起置數(shù)電路和控制電路及計數(shù)電路及顯示電路連在一起第三章 系統(tǒng)綜述、總體電路圖3.1系統(tǒng)綜述3.1.1 對電路部分仿真multisim 是eda眾多優(yōu)秀軟件中較為突出的軟件之一，它可以完成電路原理圖的輸入，電路分析，仿真等全套自動化工序。此次設(shè)計，用multisim對所設(shè)計的電路進(jìn)行仿真。1.電源變壓器仿真結(jié)果如圖3.1所示：通過變壓器后的輸出電壓約為19v，符合要求。圖3.12.通過整流、濾波、穩(wěn)壓管穩(wěn)壓后在穩(wěn)壓管兩端所得電壓仿真、如圖3.2圖3.2 穩(wěn)壓管兩端的電壓3.運(yùn)算放大器放大后所得直流電壓仿真

21、，如圖3.3圖3.34. 012v可調(diào)。如圖3.4圖3.45.輸出-12v仿真，如圖3.5圖3.53.2數(shù)字模塊電路仿真3.2.1加減功能鍵仿真 如圖3.6圖3.63.2.2置數(shù)電路的仿真 如圖3.73圖3.73.2.3置數(shù)電路和控制電路及計數(shù)電路及顯示電路連在一起的仿真。如圖3.8圖3.8第四章 結(jié)束語本設(shè)計介紹的數(shù)控式直流穩(wěn)壓電源，有機(jī)地將數(shù)字技術(shù)和模擬技術(shù)結(jié)合起來，它主要由整流濾波部分，十進(jìn)制計數(shù)器，顯示譯碼驅(qū)動器，數(shù)碼管顯示器等所組成，實現(xiàn)功能為通過按鍵使輸出電壓在012v內(nèi)以0.01v步進(jìn)加減可調(diào)電壓和-12v不可調(diào)電壓。該電路具有精度高，操作方便，成本低，性能可靠，實用性強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)。

22、并通過multisim軟件對電路進(jìn)行連接、仿真。但是由于缺乏經(jīng)驗，電路設(shè)計仍有不足，如存在微小誤差。設(shè)計電路的過程中對數(shù)電，模電的知識進(jìn)行更深一步的了解和學(xué)習(xí)，提高了我們的電子設(shè)計與創(chuàng)造能力，培養(yǎng)了我們認(rèn)真嚴(yán)謹(jǐn)，勤于探索的學(xué)習(xí)態(tài)度。參考文獻(xiàn)李金平 沈明山 姜余祥電子系統(tǒng)設(shè)計電子工業(yè)出版社2007.8全國大學(xué)生電子設(shè)計競賽試題精解選電子工業(yè)出版社林濤 黃志超模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)重慶大學(xué)出版社2003.3新型常用集成電路速查手冊人民郵電出版社常用集成電路簡明速查手冊國防工業(yè)出版社虞益彬數(shù)字式穩(wěn)壓電源的multisim仿真與實現(xiàn) 科技廣場2008.8元器件明細(xì)表序 號名 稱 型號參數(shù)數(shù)量備注1 變壓器220v/15v1功率3050w 2 整流管vd1vd4in4001 4組成橋式整流3 運(yùn)算放大器a74124 電阻若干 5 比較器ina105_cmp26 穩(wěn)壓管1n4728a1穩(wěn)壓7 調(diào)整管tis9918可逆計數(shù)器74ls19