畢業(yè)論文--穩(wěn)壓電源的設計

1、摘要穩(wěn)壓電源是各種電子電路的動力源，被人譽為電路的心臟。是電子設備正常 工作的重要部件。隨著現(xiàn)代電子設備應用范圍越來越廣，其電源的應用也越來越 廣泛。本文設計丫一種實驗教學用高精度可調直流穩(wěn)壓電源。電源電壓輸出范圍在 1.530v之間，紋波電壓小于5mv。本設計由電源和顯示兩部分組成。電源部分 由整流橋，濾波電容，線性穩(wěn)壓器電路等組成。顯示部分選用3位半雙積分a/d 轉換器icl7107將電源部分輸出的模擬量轉換為數(shù)字量并通過數(shù)碼管顯示輸出 值。通過實驗驗證，該設計滿足了精度值高，使用方便，成本低廉的設計要求。關鍵詞：直流穩(wěn)壓電源；icl7107；紋波電壓abstractdc power su

2、pply,the source of power for all kinds of circuits，is called the heart of a circuit.lt is also the indispensable part of an normally operating electronic equipments. as the application of mordern equipments is wider and wider,the uses of dc power supply is wider and wider.a high accurancy regulated

3、dc power supply for experiment and teaching is designed in this paper and the characteristics of this power are output voltage value 1.2530v，ripple voltage value vpp<5mv .this power consists of two parts,one part is power supply，the other is display.the part of dc power supply consists of kbp，fil

4、ter capacitor and linear voltage regulated circuit. in the part of display, icl7107, 3double-interating ad converter's chosen to drive led directly. icl7107 can also help to convert analogue value from dc power supply to digital signal，than the signal is shown on leds.it is verified by experimen

5、t that the design of this power supply satisfies the practical requirements.key words: dc power supply icl7107 ripple voltage目錄觀iabstract 11第1章緒論11. 1鵬11.2直流穩(wěn)壓電源的發(fā)展方向11.2.1 電源的發(fā)展趨勢11.2.2國內發(fā)展現(xiàn)狀31.3課題需要解決的主要內容及相關技術41.3.1課題需要解決的主要內容41.3.2 論文的總體結構4第2章穩(wěn)壓電源的設計62.1設計的總體組成62.2直流穩(wěn)壓電源的設計62.2.1 整流電路62.2.2濾波電容9

6、2.2.3線性穩(wěn)壓電路132.2.4直流穩(wěn)壓電源的標準電路142.35v電源的設計16第3章數(shù)字顯示部分的設計173.1 a/d轉換器的選擇173.2 1cl7107的外部結構和管腳功能183.3 icl7107的工作原理203.4數(shù)顯部分的電路組成及測試方法24第4章實驗測試28*吉i侖30 31p付 32第1章緒論1.1概述人類的經濟活動已經到了工業(yè)經濟時代，并正在轉入高新技術產業(yè)迅猛發(fā)展的時期。 電源是位于市電（單和或三相）與負載之間，向負載提供優(yōu)質電能的供電設備，是工業(yè)的基 礎。目前電源技術已逐步發(fā)展成為一門多學科互和滲透的綜合性技術學科，它對現(xiàn)代通訊、 電子儀器、計算機、工業(yè)自動化、

7、電力工程、國防及某些高新技術提供高質量、高效率、 高可靠性的電源起著關鍵作用1。眾所周知，許多科學實驗都離不開電源，并且在這些實驗中經常會對通電時間、電壓 高低、電流大小以及動態(tài)指標有著特殊的要求，然而h前實驗所用的直流穩(wěn)壓電源大多輸 出精度和穩(wěn)定性不高;在測量上，傳統(tǒng)的電源一般采用指針式或數(shù)碼管來顯示電壓或電流， 搭配電位器來調整所要的電壓及電流輸出值;使用上若要調整精確的電壓輸出，須搭配精確 的顯示儀表監(jiān)測，乂因電位器的阻值特性非線性，在調整時，需要花費一定的間，況且還 要當心漂移，使用起來非常不方便。因此，如果直流穩(wěn)壓電源不僅具有良好的輸出質量而 且還具有多功能以及一定的智能化，以精確的

8、微機控制取代許多不精確的人為操作，在實 驗開始之前就對一些參數(shù)進行預設，這將會給各個領域中的實驗研究帶來不同程度的便捷 與高效。因此，直流穩(wěn)壓電源今后的發(fā)展h標之一就是不僅要在性能上做到效率高、噪聲 低、高次諧波低、既節(jié)能乂不干擾環(huán)境，還要在功能上力求實現(xiàn)數(shù)控化、多功能化、智能 化、網絡化。本課題來源于外協(xié)項目，其目的是利用dsp微處理器的高精度數(shù)據(jù)采集能力 和高速數(shù)據(jù)處理能力，實現(xiàn)直流電壓源的穩(wěn)定和微步進，從而提高電壓源的輸出精度。1.2直流穩(wěn)壓電源的發(fā)展方向1.2.1電源的發(fā)展趨勢1. 智能化目前在研制高精度、高性能、多功能的測量控制儀表時，幾乎沒有不考慮采用微處理 器的。以微處理器為主體

9、取代傳統(tǒng)儀器儀表的常規(guī)電子線路，將計算機技術與測量控制技 術結合在一起，組成新一代的所謂“智能化測量控制儀表”。智能儀器川解決了許多傳統(tǒng)儀 表不能或不易解決的難題，同時還能簡化系統(tǒng)電路，提高系統(tǒng)的可靠性，加快產品的殲發(fā) 速度。直流穩(wěn)壓電源一方面為儀器儀表提供電能量，是儀器儀表的“動力源”，另一面它木 身就是儀器儀表，因此，它有可能而且應當智能化。具體地說，智能化的直流穩(wěn)壓電源電 源應當具有以下功能特點： 操作自動化。系統(tǒng)的整個測量過程如鍵盤掃描、量程選擇、開關啟動閉合、數(shù)據(jù)的 采集、傳輸與處理以及顯示打印等都用微控制器來控制操作，實現(xiàn)測量過程的全部自動化。 具有自檢測功能，包括自動調零、自動故

10、障檢測與狀態(tài)檢驗、自動校準、自診斷及 量程自動轉換等。系統(tǒng)能自動檢測出故障的部位甚至故障的原因。這種自測試可以在系統(tǒng) 啟動時運行，同時也可在系統(tǒng)工作中運行，極大地方便了系統(tǒng)的維護。 具有友好的人機對話能力。智能化的直流穩(wěn)壓電源使用鍵盤代替?zhèn)鹘y(tǒng)直流穩(wěn)壓電源 中的切換開關，操作人員只需通過鍵盤輸入命令，就能實現(xiàn)某種測量功能。與此同時，智 能直流穩(wěn)壓電源還通過顯示屏將儀器的運行情況、工作狀態(tài)以及測量數(shù)據(jù)的處理結果及時 告訴操作人員，使系統(tǒng)的操作更加方便直觀。 網絡管理能力。隨著互聯(lián)網技術應用閂益普及和信息處理技術的不斷發(fā)展，直流穩(wěn) 壓電源通過rs232接口實現(xiàn)與上位cp機通信，從而使網絡技術人員可以

11、隨時監(jiān)視電源設 備運行狀態(tài)、各項技術參數(shù);網絡技術人員可通過網絡定時開關電源，實現(xiàn)遠程開關機等功 能2。2. 數(shù)字化在傳統(tǒng)直流穩(wěn)壓電源中，控制部分是按模擬信號來設計和工作的。在六、七十年代， 電力電子技術完全是建立在模擬電路基礎上的。但是，現(xiàn)在數(shù)字式信號、數(shù)字電路顯得越 來越重要，數(shù)字信號處理技術日趨完善成熟，顯示出越來越多的優(yōu)點:便于計算機處理控制、 避免模擬信號的畸變失真、減小雜散信號的干擾(提高抗干擾能力)、便于軟件包調試和遙 感遙測遙調，也便于自診斷、容錯等技術的植入。所以，在八、九十年代，對于各類電路 和系統(tǒng)的設計來說，模擬技術還是有用的，特別是:諸如印制版的布閣、電磁兼容(mec)

12、問 題以及功率因數(shù)修正(pfc)等問題的解決，離不開模擬技術的知識，但是對t智能化的直流 穩(wěn)壓電源電源，需要用計算機控制時，數(shù)字化技術就離不開了。3. 模塊化電源的模塊化有兩方面的含義，其一是指功率器件的模塊化;其二是指電源單元的模塊 化。我們常見的器件模塊含有一單元、兩單元、六單元直至七單元，包括開關器件和與之 反并聯(lián)的續(xù)流二極管，實質上都屬于“標準”功率模塊(spm)。近年，有些公司把開關器 件的驅動保護電路也裝到功率模塊中去，構成了 “智能化”功率模塊(pim)，不但縮小了整 機的體積，更方便了整機的設計制造。實際上，由于頻率的不斷提高，致使引線寄生電感、 寄生電容的影響愈加嚴重，對器件

13、造成更大的電應力(表現(xiàn)為過電壓、過電流毛刺)。為了 提高系統(tǒng)的可靠性，有些制造商開發(fā)了“用戶專用”功率模塊(aspm),它把一臺整機的幾 乎所有硬件都以芯片的形式安裝到一個模塊中，使元器件之間不再有傳統(tǒng)的引線連接，這 樣的模塊經過嚴格、合理的熱、電、機械方面的設計，達到優(yōu)化完美的境地。它類似于微電子中的用戶專用集成電路(asci)3。只耍把控制軟件寫入該模塊中的微處理器芯片，再 把整個模塊閥定在相應的散熱器上，就構成一臺新型的電源裝置。由此可見，模塊化的目 的不僅在于使用方便，縮小整機體積，更重要的是取消傳統(tǒng)連線，把寄生參數(shù)降到最小， 從而把器件承受的電應力降至最低，提高系統(tǒng)的可靠性。另外，大

14、功率的電源，由于器件 容量的限制和增加冗余提高可靠性方面的考慮，一般采用多個獨立的模塊單元并聯(lián)工作， 采用均流技術，所有模塊共同分擔負載電流，一旦其中某個模塊失效，其它模塊再平均分 擔負載電流。這樣，不但提高了功率容量，在有限的器件容量的情況下滿足了大電流輸出 的耍求，而且通過增加相對整個系統(tǒng)來說功率很小的冗余電源模塊，極大的提高系統(tǒng)可靠 性，即使萬一出現(xiàn)單模塊故障，也不會影響系統(tǒng)的止常工作，而且為修復提供充分的時間。4. 綠色化電源系統(tǒng)的綠色化有兩層含義:首先是顯著節(jié)電，這意味著發(fā)電容量的節(jié)約，而發(fā)電是 造成環(huán)境污染的重要原因，所以節(jié)電就可以減少對環(huán)境的污染;其次這些電源不能(或少)對 電網

15、產生污染，國際電工委員會(eic)對此制定了一系列標準，如工ec555、eic917、eic1000 等41。事實上，許多功率電子節(jié)電設備，往往會變成對電網的污染源:向電網注入嚴重的高 次諧波電流，使電網電壓禍合許多毛刺尖峰，甚至出現(xiàn)缺角和畸變。20世紀末，各種有源 濾波器和有源補償器的方案誕生，為21世紀批量生產各種綠色直流穩(wěn)壓電源產品奠定了基 礎。1.2.2國內發(fā)展現(xiàn)狀在我國，以電力電子學為核心技術的電源產業(yè)，從二十世紀60年代中期開始形成，到 了 90年代以來，電源產業(yè)進入快速發(fā)展時期。一方面，電源產業(yè)規(guī)模的發(fā)展在加快;另一 方面，在國家自然科學基金的資助下或創(chuàng)新意識指導下，我國電力電子

16、技術的研究從吸收 消化和一般跟蹤發(fā)展到前沿跟蹤和基礎創(chuàng)新，電源產業(yè)界涌現(xiàn)了一些技術難度較大，具有 國際先進平的產品，而且還產生了一大批具有代表性的研究成果和產品；目前國內還開展 了跟蹤國際多方面前沿性課題的研宄或基礎創(chuàng)新研宄。但是我國電源產業(yè)與發(fā)達國家相比， 存在著很大的差距和不足：在電源產品的質量、可靠性、開發(fā)投入、生產規(guī)模、工藝水平、 先進檢測設備、智能化、網絡化、持續(xù)創(chuàng)新能力等方面的差距為10年，尤其在實現(xiàn)直流穩(wěn) 壓電源的智能化、網絡化方面的研宄不是很多5目前國內在這兩方面研究比較多的是成 都電子科技大學和廣州華南理工大學，主要是利用單片機和可編程系統(tǒng)器件(psd)來控制開 關直流穩(wěn)壓電

17、源或數(shù)制化電壓單元達到數(shù)控的目的，但和國外的比較起來，效果不是很理 想，還有很大的差距。目前，全國的電源及其配件的生產銷售企業(yè)有4000家以上，產值有 300 400億元，但國內企業(yè)(著名的如北京大華、江蘇綠揚等)銷售的數(shù)控直流穩(wěn)壓電源大 多是代理h木和臺灣的產品，國內廠家生產的直流穩(wěn)壓電源雖然也在向數(shù)字化方向發(fā)展， 但多限于對輸出顯示實現(xiàn)數(shù)碼顯示，或實現(xiàn)多組數(shù)值預置?？傮w說來，國內直流穩(wěn)壓電源 技術在實現(xiàn)智能化等方面相對落后，面對激烈的國際競爭，是個嚴重的挑戰(zhàn)。本課題研制 的高精度數(shù)控直流穩(wěn)壓電源就是在直流穩(wěn)壓電源智能化方面一個小的探索。1.3課題需要解決的主要內容及相關技術1.3.1課題需

18、要解決的主要內容本課題需要解決的主要問題是：1. 如何實現(xiàn)對電源的輸出控制系統(tǒng)設計的目的是要用電源來輸出1.25v30v的電壓值，精度要求高，實現(xiàn)輸出電壓 的連續(xù)可調。實現(xiàn)的途徑很多，可以用微處理器來控制，可以用傳統(tǒng)直流穩(wěn)壓電源中手動 旋轉電器，也可以用dac的模擬輸出控制電源的基準電壓或分壓電阻，或者用其它更有 效的方法，因此如何選擇簡單有效的方法是本課題需要解決的首要問題。2. 數(shù)字顯示與電壓輸出值的匹配很明顯，顯示是用來代替電壓表來幫助我們方便，快捷地讀出電源輸出電壓值的。因 此顯示值是否與輸出值匹配成為此部分最重要的問題。這里我們采用通過電位器調節(jié) icl7107的基準電壓的方式將基準

19、電壓調為iv。然后進行一下步驟調試：1.零電壓調試。2. 基準電壓調試。3.顯示筆段的調試。4.負號與溢出功能的檢查。1.3.2論文的總體結構論文的總體結構如圖1-1所示圖1-1論文結構體系第2章穩(wěn)壓電源的設計2. 1設計的總體組成本設計為實驗教學用高精度直流穩(wěn)壓電源，并采用模數(shù)轉換的方法將直流穩(wěn)壓電源的 輸出電壓以數(shù)字的形式顯示出來。它主要由三大部分組成：直流穩(wěn)壓電源部分，a/d轉換 部分，數(shù)字顯示部分6。2.2直流穩(wěn)壓電源的設計直流穩(wěn)壓電源的組成如閣2-1所示。方框中變壓器的作用是把交流電網供給的220v, 50hz交流電變化為合適的數(shù)值；整流橋將交流電轉換為直流脈動電壓；濾波電容將脈動電

20、 壓進行平滑；穩(wěn)壓器能夠把輸出直流電壓定在所希望的數(shù)值上。廠輸入交流電源圖2-1直流電源組成方框圖2.2.1整流電路整流電路是交流電壓轉換為直流電壓的第一步。一個好的整流電路設計冇助于取得更 大范圍的穩(wěn)定穩(wěn)定電壓輸出。整流電路分又為半波整流電路，全波整流電路和橋式整流電 路。半波整流電路簡單，需要的元件少，但它輸出的直流電壓脈動很大變壓器的利用率很 低和半波整流電路相比，在負載相同的情況下，全波整流電路中的電源變壓器冇一個中心 抽頭，把副邊分成匝數(shù)相同的兩個繞組，所以可得到兩個幅值相等，相位相反的電壓，實 際上相當與兩個半波整流電路。與半波整流電路相比，負載上的直流電壓，電流增加，脈 動幅度也

21、減小然而工作時其初級正，負半周都冇電流，而次級兩線圈中每個只冇半波電流 才被整流，因而變壓器的利用率不高，整流管的數(shù)量卻增加了一倍；電流脈動程度減小； 變壓器正，負半周都有對稱的電流流過，記得到充分利用，又不存在單向磁化的問題，但 需要4個整流二級管，線路稍復雜。但在本設計中我們可以采用橋式整流成品元件（全橋 kbp307），它冇4個引腳，其中2個引腳間標有“”的表示接交流電源；另外兩腳分別標 有“+”和“一”，為直流輸出端，接至負載。另外在外殼上還標有額定電流和電壓，使用很方便，與全橋整流電路相比，雖然多用了 2個二級管，但反相耐壓值低了一倍，變壓器 次級少了一半線圈，綜合成本低于全波整流電

22、路，符合本設計要求。整流橋kbp307內部原理閣，及各點波形如下：在1/2正半周，a點電位高于b點電位dp d3導通d2, d4截止，電流自a端經dp 02和03回到電源的b端；在（/2的負半周，b點電位高于a點電位，d2, d4導通，d,， d3截止，電流自b端d2,私和04回到電源的a端?？梢?，在交流電壓17,的整個周期內，負載ri都有電流流過，像普通的變壓器一樣， 所以橋式整流也是全波整流電路。橋式整流電路的電壓和電流可作如下估算。整流元件仍認為是理想的，在純電阻負載 條件下，電壓，電流的瞬時值為：|v2(72sm wtq<wt< 27t= ld3 ll0<wt<

23、7t兀 <wt <2 兀 0<wt<7t(2-1)(2-2)(2-3)(2-4)負載直流電壓平均值為：ltl= 0.9/2負載平均直流電流值為:(2-6)(2-7)每個二極管截止吋的反向電壓相同，為（72幅值，即u=風導通二極管的電流平均值為負載電流平均值的一半，最大值與負載電流最大值相同71。2.2.2濾波電容交流電經整流電流電路后可變?yōu)槊}動直流電。其中含有較大的交流分量，為了使設備 能用上純凈的直流電，還必須用濾波電路濾除脈動電壓中的交流成分。濾波電路一般由電 抗元件組成，如在負載電阻兩端并聯(lián)電容器c,或在負載中串聯(lián)電感器l，或由電容，電 感組合而成的各種復式濾波電

24、路。在工頻整流濾波中，由于電解電容容量大，耐壓值高，故而被廣泛地采用。毋庸置疑, 電容濾波電路是最常見也是最簡單的濾波電路，在整流電路的輸出端并聯(lián)一個電容，機構 成電容濾波電路，如圖2-4所示。電容濾波電路利用電容的充，放電作用，是輸出電壓穩(wěn) 于平滑。-22050hz+1. 電容濾波原理當變壓器副邊電壓r處于正半周且數(shù)值大于電容兩端電壓r時，二極管dp仏導 通，一路流經負載電阻愚，另一路對電容c充電。因為在理想情況丁，變壓器副邊無損耗， 二極管導通電壓為零，所以電容兩端電壓r （%）與r相等，見圖2-5中曲線ab段，當 上升到峰值后開始下降，電容通過負載電阻愚放電，其電壓w也開始i降，趨勢與r

25、 基本相同，見圖2-5屮be段，但是由于電容指數(shù)規(guī)律放電，所以當（/2下降到一定數(shù)值后， w的下降速度小于r的下降速度，使r大于仍，從而導致dp仏反向偏置而變?yōu)榻刂?。此后，電容c繼續(xù)通過ri放電，ue按指數(shù)規(guī)律繼續(xù)丁降，見圖2-5屮曲線的cd段。當t/2的負半周幅值變化到恰好大于時，d2,同加正向電壓變?yōu)閷顟B(tài)，f/2再次對c充電w的上升到的峰值后又開始k降；下降到一定數(shù)值吋d2，d4變?yōu)榻刂? c為恿放電，r按指數(shù)規(guī)律繼續(xù)不降；放電到一定數(shù)值時dp d2變?yōu)閷ㄖ貜蜕鲜鲞^程。從圖2-5所示波形可以看出，經濾波后的輸出電壓不僅變得平滑，而且平均值也得到圖2-5理想情況i的波形提高。若考慮變壓

26、器內阻和二級管的導通電阻，則w的波形如圖2-6所示，陰影部分為整 流電路閃阻的電壓降。圖2-6考慮整流電路內阻時的波形以上分析可知，電容充電吋，冋路電阻為整流電路的內阻，即變壓器內阻和二級管的 導通電阻，其數(shù)值很小，因而時間常數(shù)很小。電容放電吋，冋路電阻為放電吋間常數(shù) rlc,通常遠大于充電吋間常數(shù)。因此濾波效果取決于放電時間。電容愈大，負載電阻愈 大，濾波后輸出電壓愈平滑，并ii平均值愈大，如圖2-7所示。換言之，當濾波電容容量 一定時，若負載電阻減小（即負載電流增大）。則時間常數(shù)減小，放電速度加快，輸出電壓 平均值隨即下降，ii脈動變大。2. 輸出電壓平均值濾波電路輸出電壓波形難于用解析時

27、式來描述，近似估算時間，可將圖2-6所示波形 近似為鋸齒波。如閣2-8所示，閣中t為電網電壓的周期。設整流電路內阻較小而時間常 數(shù)尺lc較大，電容每次充電均可達到r的峰值（即t/,niax = v2f/2）,然后按時間常數(shù)/?£c放電的起始斜率直線下降，經交與橫軸，11在%處的數(shù)值為最小值t4min,則輸出電壓平 均值為：o(av)(2-8)同時按相似三角形關系可得:(2-9)t,rlco(av) + "oinax2o maxu1-了二）4rlc(2-10)因而(av)=v22(l4/?,c(2-11)上式表明，當負載開路，即足=oo吋,(2-12)t(2-13)當&

28、;c = (35)y時，uo(av = i.2u2為了獲得較好的濾波效果，在實際電路中，應選擇濾波電容的容量滿足/?,c = （35）%的 條件，由于采用電解電容，考慮到電網電壓的波動范圍為±10%，電容的耐壓值應大于l.lv2t/2o在半波整流電路中，為獲得較好的濾波效果，電容容量應選得更大些。3. 脈動系數(shù)在圖2-8所示的近似波形中，交流分量的基波的峰-峰值為(max-rmin)，根據(jù)式2-9 可得基波峰值為"x2-ju 4rlc °max(2-14)因此，脈動系數(shù)為丄"4r.c °maxu-t4rlc-t4r,cs(2-15)應當輸出，由

29、于閣2-8所示鋸齒波動所含的交流分量大于濾波電路輸出電壓實際的交流分 量，因而根據(jù)式(2-15)計算出的脈動系數(shù)大于實際數(shù)值81。4. 電容濾波電路的輸出特性和濾波特性當濾波電容c選定后，輸出電壓品均值uo(au)和輸出電流平均么ad的關系稱為濾波特 性，脈動系數(shù)s和輸出電流平均值的關系稱為濾波特性。根據(jù)式2-11和2-15可以畫 出特性如閣2-9 (a)所示，濾波特性如閣2-9 (b)所示。曲線表明c愈大電路帶負載能力 愈強，濾波效果愈好，io(au)愈大(即負載電阻ri/愈小)，uo(au)愈低，s的值愈大。(a)輸出特性(b)濾波特性閣2-9電容濾波電路的輸出特性和濾波特性綜上所述，電容

30、濾波電路簡單易行，輸出電壓平均值高，適用于負載電流較小且變化 也減小的場合。2.2.3線性穩(wěn)壓電路經過整流和濾波后的直流電壓，會由于交流電網的波動以及負載電阻的變動而發(fā)生變 化。在絕大多數(shù)情況下，這種輸出電壓的變化波動顯得太大，仍需要進一步對其穩(wěn)定，這 就需要采用穩(wěn)壓電路。通常，完整的穩(wěn)壓電源電路包括有整流，濾波，穩(wěn)壓，調整等電路。 其中穩(wěn)壓調整電路如果工作在線性狀態(tài)，就稱此穩(wěn)壓電路為線性穩(wěn)壓穩(wěn)壓電路。木設計采 用集成穩(wěn)壓器電路。下面主要介紹這類穩(wěn)壓電路。1. lm317三端可調輸出正電壓穩(wěn)壓器lm317是三端可調輸出正電壓穩(wěn)壓器，在輸出電壓范圍為1.237伏時能夠提供超過 1.5a的電流。此

31、穩(wěn)壓器非常易于使用，只需要兩個外部電阻來設置輸出電壓。此外還是用 內部限流，熱關斷和安全工作區(qū)補償使之基木能防止燒短保險絲9lm317服務于多種應用場合，包括局部穩(wěn)壓，卡上穩(wěn)壓，該器件還可以用來制做一種 可編程的輸出穩(wěn)壓器，或者，通過在調整點和輸出之間接一個固定電附，lm317可用作一 種精密穩(wěn)流器。根據(jù)上述分析，實用的穩(wěn)壓電路至少包含調整管，基準電壓電路，取樣電路和比較放 大電路四個部分組成。此外，為使電路安全工作，還常在電路中加保護電路，穩(wěn)壓電路的 方框圖如圖2-10所示。比較枚大電路保滬電路riun閣2-10穩(wěn)壓電路的方框閣2. lm317的應用基本應用電路如閣2-11所示，當穩(wěn)壓器離電

32、源濾波器有一段距離時c/n是必要的，co 對穩(wěn)定性而言不必需；但可改進瞬態(tài)響應。輸出電壓值如式(2-16)(2-16)因為kdj控制在小于100 u a所以這一項的誤差在多數(shù)應用中可忽略不什。閣2-n lm317標準應用電路2. 2. 4直流穩(wěn)壓電源的標準電路綜上所述，我們便可以得到一個標準的直流穩(wěn)壓電源電路，如圖2-12所示odr3-閣2-12直流穩(wěn)壓電源電路閣閣中穩(wěn)壓器lm317能在最大輸出不超過40v的條件下工作，同定電阻（200/3）。 調節(jié)電位器/?2（05/c/3）,心（100 0）就可以從輸出端獲得從1.5v30v的連續(xù)可調電壓。 電阻r1接在穩(wěn)壓器輸出端（w）到調整端（adj）

33、之間，其兩端電壓為1.25v。由于穩(wěn)壓 器有維持它不變的能力，所以電阻/?/流過的是一個恒定的電流，其值為：ir= - = = 6.25ma（2-17）r r' 200由于穩(wěn)壓器lm317的最小負載電流為5ma,所以的最大值為240 o。電位器r從 穩(wěn)壓器的調整端接往電源地端。r中有兩個電流：一是電阻中的電流令一個是穩(wěn) 壓器調整端輸出的電流zwy。它們在電位器ri上形成電壓降ur為式（2-18）所示：ur=ukiadjr = irr + iadjr（2-18）施加于負載的電壓等于電阻r1和電位器r上的電壓之和。即：u，ur' +ur=uref （1 +吾）+ /層尺（2-19）

34、am/a非常小，故式（2-18）可簡化為式（2-19）。因此將k固定，電位器r就可(2-20)以改變穩(wěn)壓器的輸出電壓。圖中電容32為0.1 uf用于抵消輸入線較長吋的電感效應，以防止電路產生自激振蕩，其電容量較小，一般小于1pf，電容c;為uf起到了減小/?2上的紋波電壓的作用。但是， 在輸出短路時，g將向穩(wěn)壓器調整端放電，并使調整管發(fā)射結反偏。為了保護穩(wěn)壓器，可 加二極管d2,提供一個放電回路，電容g為25 uf用于消除輸出電壓中的高頻噪聲，可 取小于1pf的電容，以便輸出較大的脈沖電流，但若g容量較大，一旦輸入端斷開，g 將從穩(wěn)壓器輸出端向穩(wěn)壓器放電，易使穩(wěn)壓器損壞，因此可在穩(wěn)壓器的輸入端

35、和輸出端之 間跨接一個二極管到保護作用。c/為濾波電容，電路的繼電器起到保護作用，當輸 出電壓值高于1iv時，繼電器內的開關與常開觸點吸和，電路從工作在018v的輸入電壓, 跳至工作在1836v的輸出電壓，這樣繼電器防止了過高的電壓對電路造成損壞。2.3 5v電源的設計icl7107和數(shù)碼管需要5v的直流電源驅動，這樣我們還需要一個固定的5v電源為其 供電。本設計選用l7805三端固定輸出正集成穩(wěn)壓器，其參數(shù)，性能，管腳功能如下：1. 集成穩(wěn)壓器l7805的特點l7805集成穩(wěn)壓器是常見的固定正輸出電壓的集成穩(wěn)壓器。輸出5v電壓最大輸出電流 為1.5a。它的內部含有限流保護，過熱保護和過壓保護

36、電路，采用了噪聲低，溫度漂移小 的棊準源，工作穩(wěn)定可靠。內部還含有功耗限制電路，防止燒毀輸出驅動器品體管1()。2. l7805的引腳及參數(shù)特性l7805的管腳引線如圖2-13所示。引腳1為輸入端，引腳2位接地端，引腳3為輸出 端。使用十分方便。圖2-13l7805引腳示例3. l7805的應用電路l7805集成穩(wěn)壓器的典型應用電路如圖2-14所示，這是一個輸出正5v直流電壓的穩(wěn) 壓電源電路。q，c2分別為輸入端和輸出端濾波電容，心為負載電阻。當輸出電壓較大時， 7805應配上散熱片。由于l7805與前面介紹的lm317的性能基木相同，所以我們便可得到一個5v固定的 供電電源如圖2 14, d

37、:是輸出保護二極管，一旦輸出電壓低于穩(wěn)壓值時，di導通，將輸 出電流旁路，保護7805穩(wěn)壓器輸出端不被損壞。若對輸出電壓值有更高的耍求，在7805 上串聯(lián)穩(wěn)壓二極管。即在穩(wěn)壓器2管腳與地之間，可使輸出電壓得到一定的提高，輸出 電壓u,為7805穩(wěn)壓器輸出電壓與穩(wěn)壓二極管的穩(wěn)壓值之和。圖2-14 5v固定供電電源第3章數(shù)字顯示部分的設計3.1 a/d轉換器的選擇常見a/d轉換器的轉換方式有非積分式和積分式兩類，如逐次逼近比較式a/d轉換、 斜坡電壓式a/d轉換等屬于非積分式，其特點是轉換速度快，但抗干擾能力差。電壓反饋 型v-f變換、雙積分式a/d轉換則屬于積分式，其特點是抗干擾能力強、測量精度

38、高，但 轉換速度低，在轉換速度耍求不太高的情況下，獲得廣泛應用。本設計采用的就是雙積分式a/d轉換器icl7107。icl7107是一塊應用非常廣泛的集成電路。它包含3丄位數(shù)字a/d 2轉換器，可直接驅動led數(shù)碼管，內部設有參考電壓、獨立模擬幵關、邏輯控制、顯示驅 動、自動調零功能等。icl7107還是cmos大規(guī)模集成電路芯片，其片內已經集成了模 擬電路部分和數(shù)字電路部分，所以只要外接少量元件就成了模擬電路和數(shù)字電路部分，所 以只要外接少量元件就可實現(xiàn)a/d轉換。使用簡便，價格低廉，能夠很好地將高精度，低 成木結合起來。3.2icl7107的外部結構和管腳功能圖3-1是icl7107外封電

39、路圖，其引腳功能如下：+u匚140osc1d!239osc2c1匚338 osc3me437 testa1536uref+ft匚635 urergi匚734cref+»1833cref-d2932 comg2匚1031 im+b2匚1130 in-a21229 az1328 bufe拉匚1427 inid3匚1526 -ub3匚1625 g2o匚1724 c3e3匚1923 a31922pal c2021gnd圖3-1icl7107外封裝圖1端：u + =5v,源正端。26端：（7-= - 5v，電源負端。19端：ab4,千位數(shù)筆段驅動輸出端，由于位的計數(shù)滿量程顯示為“1999”，所

40、以 2ab4輸出端應接千位數(shù)顯示器顯示“ 1 ”字的b和c筆段。20端：pol,極性顯示端（負顯示），與千位數(shù)顯示器的g筆段和連接（或另行設罝的負極性筆段）。當輸入信號的電壓極性為負時，負號顯示，如“19.99”；當輸入信號的電 壓極性為正時，極性負號不顯示如“19.99”。21端：bp，液晶顯示器背電極，與正負電源的公共地端相連接。27端：int,積分器輸出端，外接積分電容c （一般取c =0.22/f）。28端：buff,輸入緩沖放大器的輸出端，外接積分電阻/?（一般取/?=47h2）。29端：az,積分器和比較器的反相輸入端，接自校零電容caz （取caz =0.47，）。 30、31端

41、：inlo、inhi,輸入電壓低、高端。由于兩端與高阻抗cmos運算放大器相連接，可以忽略輸入信號的注入電流，輸入信號應經過1m£1電阻和0.01電容組成的 濾波電路輸入，以濾除干擾信號。28端：個位數(shù)顯示器的筆段驅動輸出端，各筆段輸出端分別與個位數(shù)顯示器對應的 筆段ag相連接。914、25端：十位數(shù)顯示器的筆段驅動輸出端，各筆段輸出端分別與十位數(shù)顯示器對 應的筆段ag相連接。1518、2224端：百位數(shù)顯示器的筆段驅動輸出端，各筆段輸出端分別與百位數(shù)顯示 器對應的筆段ag相連接。32端：com,模擬公共電壓設罝端，一般與輸入信號的負端，負基準電壓端相接。 33、34端：cref_、

42、cref+ ,基準電容負壓、正壓端，它被充電的電壓在反相積分時，成為基準電壓，通常取c,. =0.1/f。35、36端：reflo、refhi,外接基準電壓低、高位端，由電源電壓分壓得到。37端：test,數(shù)字地設置端及測試端，經過芯片內部的500d電阻與gnd相連。38、39、40端：osc3,產生時鐘脈沖的振蕩器的引出端，外接rl、c1元件。振蕩器主振頻率的關系為式（3-1）fos(.0.45(3-1)3.3icl7107的工作原理1. a/d轉換的基本原理 icl7107中雙積分式a/d轉換的基本原理是11:在一次測量 過程中，利用同一積分器先后進行兩次積分，即第一次對被測電壓認進行定時

43、積分，第二次對基準電壓進行定值積分，通過兩次積分比較，將轉換成與之成正比的時間間隔。根據(jù)圖3-2所示的icl7107的內部模擬電路結構，可以分析a/d轉換的工作過程。設 其轉換過程分三個階段，即釆樣階段、積分階段和休止階段，各階段的工作過程如下：分*32c0mwdn)24 0 036 crerrefhi refl0cref350 033cref-1.1280 1"2&q |wrc27分rwcazcint7? 02 62v6字理抝s分r2inld圖3-2 icl7107內部模擬電路(1) 采樣階段在邏輯控制電路的作用下，設新的采樣階段開始。參見圖3-2,設開關 int閉合，a-

44、z短開，被測信號認從in+端輸入，經緩沖器進行定時積分，設積分時間(或 稱采樣時間)定為1000個時鐘脈沖，從而可以求出積分器的輸出電壓u。與計數(shù)脈沖的關 系，即式(3-2)當nl=1000時定時積分階段或稱采樣階段結束。(3-2)(2) 積分階段積分階段是指積分器時基準電壓uref進行定值積分。由于在休止階段 基準電容cref已被充電(uref=|uref|)，所以積分階段一開始，對輸入電壓作極性判別后，基 準電容有開關de+和de-接入緩沖放大器，使積分器進行反向定值積分，計數(shù)器開始計數(shù)。 由式(3-2)可求岀定值積分階段內，積分器的輸出電壓與計數(shù)脈沖142的關系，即式(3-3) 當積分器

45、的輸出電壓u?；氐匠跏範顟B(tài)時，定值積分階段結朿，設計數(shù)器的脈沖數(shù)n2=02000 ouo=£.j(3-3)rc fosc(3-5)(3) 休止階段休止階段的任務是使信號輸入端in+與公共模擬端com短接，積分器 和比較器的輸出為零，基準電壓對基準電容充電，這些都是通過控制開關a-z、int、de+、 de-等完成的。設完成該階段的工作所需要的吋間為10003000個吋鐘脈沖。計數(shù)器的時 鐘脈沖fcp是主振頻率fosc-4分頻后得到的，由式(3-3)得式(3-4) icl7107 一次a/d 轉換經過三個階段所需吋鐘脈沖數(shù)為c, 44 r,cn,則一次轉換所需的時間為式(3-5)若取i

46、cl7107的主振頻率fox=45khz.，n _ 4n foe fosc即取rlookloloopenmooo.則一次a/d轉換所需的時間為式(3-6)所示測量速度為士，即+=3/54w _4x4007=45xlo3hz=0.365(3-6)2.積分放大器輸出的波形(1) 對被測電壓定時積分設t=z,時，開關接通被測電壓一心(見閣3-3),反向積分器對一t/v積分，輸出電壓開始線性上升，一旦(>0,則過零比較器a2翻轉，時鐘脈 沖進入計數(shù)器計數(shù)。經過圖3-3雙積分波形規(guī)定時間7；或計數(shù)器預置的數(shù)乂(例如預置3000個脈沖數(shù))后計滿溢出時，(即t=r2) 產生溢出脈沖。這時通過邏輯控制電

47、路使開關接通基準電壓斷開被測電壓一 (7、.。 則定時積分階段宣告結束，對基準電壓的定值積分開始。定時積分階段積分器的輸出(3-7)電壓的表達式力(3-7)定時積分階段結束時，積分器的輸出電壓力式(3-8)(3-8)所示式中，一一計數(shù)脈沖的頻率， 一計數(shù)器的預置數(shù)。om rc 1 rcf,(2) 對基準電壓定值積設t=z2時，接通基準電壓反向積分器對(7.積分，輸 出電壓人開始線性下降。當人下降到人0時(即t3)積分電容c快速放電，使積分器恢復到零狀態(tài)，則定值積分階段結束。在定值積分階段，積分器的輸出電壓的表達式為(3-9)定值積分階段結束時，積分器的輸出電壓7。為式(3-10)所示：式中r2

48、定值積分的時間可以通過計數(shù)器累計的時鐘脈沖數(shù)來計算，即由式(3-10)可得式(3-1)由式(3-8)ud -(3-10)(3-9)t2 = n2/f(3-11)和(3-11)可得式(3-12),由此可見，只要適當選擇(7/%的比值，則被測電壓f/a(3-12)u ref 丁 = u ref .rc 2rc 77ux = ure, = n2(3-13)h八1的值可直接以計數(shù)器的計數(shù)值/v2來顯示。式(3-13)表明：采用雙積分式a/d轉換，其數(shù)字測量結果與積分元件rc無關。因為兩次積分采用了同一個積分器，對rc元件的不穩(wěn) 定性也可以進行補償，所以對rc元件的精度要求不是很高。測量結果與積分器的輸

49、出電 壓也無關,測量結果受電路的不穩(wěn)定性影響較小，因此采用雙積分式a/d轉換方式的數(shù)顯式穩(wěn)壓電源的抗干擾能力較強。此外，因兩次積分采用的是同一計數(shù)時鐘脈沖，所以 測量結果僅與比值72/7；或7v2/'有關，而與時鐘脈沖的頻率值無直接關系，因此對時鐘 脈沖源的頻率精確度的要求也可以降低。3.4數(shù)顯部分的電路組成及測試方法1. 元器件的選擇說明(1) 積分電阻用作積分的電阻阻值必須足夠大，以便使整個輸入信號范圍內的積分電 流都落在這個線性度很好的區(qū)間，這里選用47k的電阻便滿足要求。(2) 積分電容選擇積分電容的要求是漏電電流要小，以減少反轉誤差。較合適的電容 是聚丙烯電容，它的漏電幾乎可

50、以全忽略，而且成本低。(3) 白校零電容自校零電容的人小對系統(tǒng)的噪聲會有些影響。選用0.047f的聚丙烯電 容即可，在噪聲合理的范圍內，同時又能加快過載時的恢復速度。(4) 參考電容在絕大多數(shù)使用場合下，0.1f的電容效果最好。根據(jù)要求本設計也選用 0.1f的電容。0.45rc(5) 震蕩元器件考慮所有的頻率范圍內，選用100k的震蕩電阻，震蕩電容的值可根 據(jù)下式計算：(3-14)當震蕩頻率為48khz時電容的取值為loopfo(6) 電壓轉換器icl7107的26管腳接的-5v電壓，我們可以通過反和器將為顯示供電的5v基準電源轉換為-5v電壓?？紤]到使用的簡單，方便我們選用反相器7660,

51、c1, c2均為10gf。其中7腳接icl7107的38管腳，起到向7107提供脈沖串的作用。其應用 電路如圖3-4所示：輸人+5 vboosth3oscc110uflvc210tf輸出-5 v閣3-4 7660的應用電路(7) 穩(wěn)壓器由于直流穩(wěn)壓電源輸出的電壓值是在1.25v30v之間可調的，故而沒有固 定的基準電壓，所以要接一個穩(wěn)壓管，其作用就是穩(wěn)定輸入電壓并可以在2.5v36v之間 連續(xù)調節(jié)輸出電壓。tl431性能優(yōu)良，使用方便，滿足設計要求。其等效電路如圖3-5所zj o圖3-5tl431的應用電路2. 數(shù)碼管的應用和保護因為芯片icl7107采用雙電源供電，能輸出較大的電流，適合于驅

52、動發(fā)光二極管(led) 數(shù)碼顯示器，并且icl7107芯片內部包括7段譯碼，可以用硬件譯碼的方法直接驅動發(fā)光二極管(led)數(shù)碼顯示器，所以顯示方式采用共陽極數(shù)碼管led顯示數(shù)字顯示部分由四 個數(shù)碼管和四個保護電阻組成，因為數(shù)碼管的外接電壓也是+5v，并且由于數(shù)碼管的載壓 較小，為了保護數(shù)碼管，必須在兩者間接1k電阻12。icl7107沒有專門的小數(shù)點驅動信號，使用時可將共陽極數(shù)碼管的公共陽極接v+,小 數(shù)點接gnd時點亮，接v+時熄滅。如閣36所示：圖3-6數(shù)碼管的應用電路圖3. 數(shù)顯部分電路閣綜上所述，便能得到一個完整的顯示部分的電路圖。如圖3-7所示：4. 數(shù)顯部分的調試方法由7107構

53、成的a/d轉換電路調試比較簡單主要調試工作為基本量程200mv時的基準 電壓t/moonw的調整，調整時，基準電壓=100mv的值要用41的數(shù)字電壓表進 行測量。調試后對電路工作狀態(tài)的檢査步驟為：(1) 零電壓測量將正輸入端與負輸入端短接，即將31、30腳短接，led應顯示“0000”。(2) 基準電壓的測量將u1n+與uref+(31與36腳)短接，讀數(shù)應為“ 100.0± 1 ”。(3) 顯示器筆段的測試將test與v+短接，即將37、1腳短接，led應顯示“ 1888”。(4) 負號與溢出功能的檢查將正輸入端與v-短接，即將31、26腳短接，應顯示負號 和顯示千位的“1”字，而百、十、個位各段均不亮。圖3-7數(shù)顯部分的電路圖第4章實驗測試通過實際的制作，我們得到了一個符合設計要求的數(shù)顯式直流穩(wěn)壓電源。輸出電壓在 1.530v可調。經過實驗可得到以下的數(shù)據(jù)：表4-1實驗數(shù)據(jù)電源輸出值（v）01.34.08.012.016.020.024.028.030.0顯示平均值（v）01.23.97.811.815.719.723.727.729.7相對誤差（）07.962.502.51.671.881.501.251.071.0