可调步进数字稳压电源.docx
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电子课程设计
厦门大学
电子技术课程设计报告
设计课题:
数字稳压电源设计
专业班级:
学生姓名:
学生学号:
指导教师:
二○一零年七月五日
数字稳压电源设计
目录
一、概述 3
二、设计目的 3
三、设计要求 3
四、方案设计与论证 3
五、设计原理及电路图 5
六、元器件清单 13
七、硬件制作与调试 14
八、结论与心得 15
九、参考文献 16
-9-
2
数字稳压电源设计
一、概述
稳压电源是用电器必不可少的能源动力,其要求有较高的稳定性和实用性。
通常中,一种用电器相对于一定值电源电压,在相对于多种用电器中,一种多级供电电源可以用来备接交替使用,会方便经济很多。
在满足稳压电源的基本性能上,利用数字电路的快捷传输特性,将数字技术应用到稳压电源中,实现其控制可调性。
能在较宽的电源波动范围内稳定使用,适用于多种电压范围调控,可设计有多种输出接口。
该电源优点在于方便实用,且成本低廉,在低压用电器中可以取代多种电源即一源多用,也适用于旅行携带。
二、设计目的
1.了解和巩固所学的理论知识,训练应用已经学过的理论知识分析解决工程实际问题的能力。
2.进一步提高同学们动手能力。
3.能根据要求设计电路,并对经计算机仿真成功后的电路进行焊接调试。
三、设计要求
设计并制作有一定输出电压调节范围的数控直流稳压电源 。
基本要求如下
1.输出直流电压调节范围2~9V,纹波小于10mV
2.输出电流为止500mA
3.稳压系数小于0.2
4.直流电源内阻小于5Ω
5.输出直流电压能步进调节,步进值为1V
6.由“+”、“-”两键分别控制输出电压步进增的减
7.由一个8段数码管显示当前设置的电压值
四、方案设计论证
根据要求提出两个方案
方案一采用分立元件实现:
串联反馈式直流稳压电源
方案二采用三端集成稳压电源实现两方案的比较与论证
方案一论证:
由电源变压器将电网220V的交流电压变换成整流滤波电路所需要的交流电压,整流二极管组成单相桥式整流电路将交流电压变成脉动的直流电压,再经滤波电容滤除纹波。
通过Rf的阻值变化调节输出电压值,当稳压器的输出负载变化时,输出电压UO应保持不变,原理图如图1
图1分立元件串联反馈式稳压电源
这种方案所示电路结构简单,可用常用分立元器件,容易实现,技术成熟,完全能够达到技术参数的要求,造价成本低。
方案二:
采用LM317可调式三端稳压器电源能够连续输出可调的直流电压.原理图如图2,它能输出连续可调的正电压,稳压器内部含有过流,过热保护电路;由一个电阻(R)和一个可变电位器(RP)组成电压输出调节电路,输出电压为:
Vo=1.25(1+RP/R).由此可见此稳压器的性能和稳压稳定都比上一个三端稳压电源要好。
图2基于lm317的三端稳压电源
综合考虑,采用第二种方案。
根据设计任务要求及方案二,数控直流稳压电源的工作原理框图如图3所示。
主要包括三大部分:
数字控制部分、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1V的步进值增或减。
图3数控直流稳压电路工作原理
五、设计原理及电路图
(一)设计及原理图1.整流、滤波电路设计
首先确定整流电路结构为桥式电路;滤波选用电容滤波。
电路如图4所示。
图4整流滤波电路
设Uomax为稳压电源输出最大值,即9v;(UI-UO)min为集成稳压器输入输出最小电压差;URIP为滤波器输出电压的纹波电压值(一般取UO、(UI-UO)min之和的确良10%);△UI为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%)(【1】李凯简易数控直流电源设计)
,则输出电压应满足下式:
U≥Uomax+(UI-UO)min+△UI
对于集成三端稳压器,当(UI-UO)min=2~10V时,具有较好的稳压特性。
故滤波器输出电压值:
UI≥9+3+1.2+1.32≥15(V),取UI=15V.
根据UI可确定变压器次级电压U2。
U2=UI/ 1.1~1.2≈(13V)(【2】童诗白华成英.模拟电子技术基础)
在桥式整流电路中,变压器,变压器次级电流与滤波器输出 电流的关系为:
I
2=(1.5~2)II≈(1.5~2)IO=1.5×0.5=0.75(A).取变压器的效率η=0.8,则变压器的容量
为
P=U2I2/η=13×0.75/0.8=12.1875(W)
选择容量为20W的变压器。
一般滤波电容的设计原则是,取其放电时间常数RLC是其充电周期的确2~5倍。
对于
桥式整流电路,滤波电容C的充电周期等于交流周期的一半,即
RLC≥(2~5)T/2=2~5/2f,
由于ω=2πf,故ωRLC≥(2~5)π,取ωRLC=3π则 C=3π/ωRL
其中RL=UI/II,所以滤波电容容量为C=3πII/2πfUI=(3π×0.5)/2π×50×15=1.0
×103(μF)
取C=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。
2
UCmax=1.1×
U2max=1.1×
×13≈20.2(V)
2
综合考虑波电容可选择C=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,一般在滤波电容两端并联一个0.01~0.1µF的高频瓷片电容。
(【3】傅光祖
发挥并联电容补偿装置的滤波效益 《电力电容器》1992年04期)整流滤波后电压图大致情况如图5所示。
图5整流滤波后电压图
2.可调稳压电路设计
为了满足稳压电源最大输出电流500mA的要求,可调稳压电路选用三端集成稳压器LM317,该稳压器的最大输出电流可达1.5A,稳压系数、输出电阻、纹波大小等性能指标均能满足设计要求。
要使稳压电源能在2~9V之间调节,电路如下图所示。
图6可调稳压电路设计
LM317的输出电压范围为2~9V,步进电压1V,分为8挡输出,采用数码管显示挡位,各挡输出电压可按公式
计算
RX为R1~R8,R0取205Ω,R1取120Ω,R2~R8取160Ω,RX数值的变
化就使输出电压发生改变,输出电压范围是2~9V,步进值为1V
输出直流电压档位与电阻的关系
三极管导通
T1
T2
T3
T4
T5
T6
T7
T8
输入电阻
120
280
440
600
760
920
1080
1240
档位
1
2
3
4
5
6
7
8
输出电压(V)
2.0
3.0
4.0
5.0
6.0
7.0
8.0
9.0
表1输出直流电压档位与电阻关系
对应的电阻电路如下图
图7输入电阻设计
3.数字控制电路设计
数字控制电路的核心是可逆二进制计数器。
74LS193就是双时钟4位二进制同步可逆计数器。
计数器数字输出的加/减控制是由“+”、“-”按键组成,按下“+”或“-”键,产生的输入脉冲输入到处74LS193的CP+或CP-端,以便控制74LS193的输出是作加计数还是作减计数。
图8数字控制电路设计
由上图可知,74LS193输出端四个管脚。
在本设计中,由于我们要求电压输出2~9V,步进值为1V,即输入电阻的选通有八个选择。
我们仅选用输出四位状态的低三位。
将低三位输入一路接三八译码器,选通对应电阻,一路接加法器,用以输入至七段数码管显示。
数字稳压电源设计
图9数码管显示部分设计
4.辅助电源设计
要完成D/A转换及可调稳压器的正常工作,需要设计一个辅助电源可以输出5V电压,供各芯片使用。
现选择±15V供电电源。
数字控制电路要求5V电源,可选择CW7805集成三端稳压器实现。
辅助电源原理图如图所示。
图10 辅助电源部分设计
(二)电路仿真
-11-
10
1.辅助电源的仿真
在安装元件之前,尤其要注意电容元件的极性,注意三端稳压器的各端子的功能及电路的连接。
检查正确无误后,加入交流电源,测量各输出端直流电压值。
辅助电源输出电压如图11所示。
由调试结果可知,稳定后电压为5.008V左右,误差为0.016%
图11辅助电源输出电压截图
2.数码显示管仿真
按下“+”或“-”键,产生的输入脉冲输入到处74LS193的CP+或CP-端,控制数码管显示输出,有仿真得,数码管可以在2~9V间步进显示。
3.三八译码器调试
按下“+”或“-”键,产生的输入脉冲输入到处74LS193的CP+或CP-端,控制三八译码器选通,由多路示波器测得输出八个端口的电平高低,如下图所示
4.可调稳压电源部分仿真
将电路联接好,按下“+”或“-”键,产生的输入脉冲输入到处74LS193的CP+或CP-端,观察输出稳压值的变化情况。
数字稳压电源设计
-15-
12
图12对应各档位电压输出值
将上述各部分电路调节器试好后,将整个系统连接起来进行仿真。
电压连续变化图如下图
图13 电压连续变化图
整体电路图如下:
图14 整体电路仿真图
六、元器件清单
元器件清单
元器件序号
型号
主要参数
数量
备注
T1
NLT_PQ_4_16
1
D3
3N259
1
U4
LM317AH
2
三端稳压管
D1,D2
1N1202C
2
二极管
C1
1mF
1
电容
C2
1uF
1
电容
C3
100nF
1
电容
C4,C5
10uF
2
电容
R4
144Ω
8
电阻
Q1~Q8
1GH62
8
三极管
D4~D12
U11
1
二极管
U8A~U15A
74LS04D
8
非门
U3
74LS193D
1
U5
7483N
1
加法器
U16
74LS138N
1
译码器
J1,J2
开关
七、硬件制作与调试
焊接后实物图如下图所示
图15焊接实物图
经过几天的焊接,电路板终于完成了,但是在通电调试时不能工作,后来在老师的帮助下,进行断电和通电检测,发现了一些问题。
最终输出电压可以按要求步进,但数码显示始终不能同步显示,后经老师分析可能是数
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