直流稳压课程设计.doc

1、长 安 大 学电 子 技 术 课 程 设 计简易直流稳压电源专 业 电气工程及其自动化班 级 28040602姓 名指导教师田莉娟日 期 2008-6-20简易直流稳压电源- 1 -前言简易直流稳压电源- 2 -目录第一章系统概述-11.1 系统设计思路与总体方案简易直流稳压电源- 3 -摘要本次试验设计的是一个输出电压为-12 伏12 伏的直流稳压电源，电源 012 伏连续可调，输出电压可数字显示。该电源电路由直流稳压电源电路，信号衰减电路，模数转换电路， ，显示电路四部分组成。电源电路由电源变压器，整流电路，滤波电路，稳压电路四部分组成。其功能是实现将电网的交流电转换成输出电压幅值稳定的直

2、流电。信号衰减电路将直流稳压电源输出的直流电压信号进行衰减，以符合模数转换器的要求。模数转换电路利用集成芯片在规定时间内把衰减后的电压信号在某时刻 t 的幅度值转换为一个相应的数字量。显示电路将经模数转换后的数字量进行译码，由驱动器驱动显示器进行显示。本电源因其连续可调，且可数字显示，所以用途广泛，可用作随身听，收音机，简易照明工具，简易加热工具等工具的电源。AbstractThis experimental design is a regular DC power whose output voltage ranges from-12 volts to 12 volts , it can b

3、e adjusted consecutivelyfrom 0 volts to 12 volts , and the output volts can be can be shown on by LED. The power circuit consist of the DC power supply circuits, signal attenuation circuit, A / D converter circuit, display circuit. The power transformer, rectifier circuit filter circuitand 简易直流稳压电源-

4、 4 -the regulator circuit constitute theDC power supply circuits. Its function is to convert the AC into aDC which can output stable voltage. The function of thesignal attenuation circuit is to attenuate the DC signal, to meet the requirements of ADC. Analog-digital conversion circuit use chips to c

5、onvert the attenuated signal of the voltage whose special rate at moment t to a corresponding value of the digital. display circuit translate the value of the digital which was converted by the analog-digital circuit to the digital decoder, driven by the drive display monitors. The power ,because of

6、 its continuous-tuning, and the figures can be shown , so it was widely used.It can be used as power by music players, radios, lighting tools, simple heating tools and so on .关键字：简易直流稳压电源- 5 -第一章 系统概述1.1 系统设计思路与总体方案简易直流稳压电源的设计要求如下：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 012V 之间连续可调

7、。通过对设计要求的分析，可将要求设计的简易直流稳压电源划分为以下几个模块：直 流 稳 压 电 源信 号 衰 减 电 路 A D 转 换 电 路 显 示 电 路各模块的功能如下：直流稳压电路将电网提供的 50Hz 正弦交流电转换成稳定的直流电。要求直流电输出电压幅值稳定（即当电网电压或负载电流波动时它能基本保持不变） ，直流输出电压平滑，脉动成分小，交流电变换成直流电的转换效率高。信号衰减电路：将直流稳压电源输出的直流电压信号进行衰减，以符合模数转换器的要求。AD 转换电路：利用集成芯片在规定时间内把衰减后的电压信号在某时刻 t 的幅度值转换为一个相应的数字量。显示电路：将经模数转换后的数字量进

8、行译码，驱动显示器进行显示。简易直流稳压电源- 6 -第二章单元电路的设计和总体分析2.1 直流稳压电路2.1.1 直流稳压电路的组成直流稳压电路的结构框图如下：电 网 电 压负 载电 源 变 压 器 整 流 电 路 滤 波 电 路 稳 压 电 路u 2u 1u 3 u 4u otu 4oou 1w tou 2w tw tou 3tou o图 1 直流电源的组成1） 电源变压器将电网提供的有效值为 220V 的交流电经过电源变压器进行变换，使变压器次级电压的有效值与所需直流电压接近，以便整流、滤波和稳压等后续电路处理。2）整流电路整流电路的作用是利用具有单向导电性能的整流元件（如整流二简易直流

9、稳压电源- 7 -极管、晶闸管） ，将正弦交流电变换成单项脉动的直流电。但这种单向脉动电压含有很大的纹波成分，距离理想的直流电压还差的很远，一般不能直接作为电子电路的电源使用。3）滤波电路滤波电路有电容、电感等除能源间组成。它的作用是尽可能地将单向脉动电压中的脉动成分滤掉，使输出电压成为比较平滑的直流电压。但是，当电网电压或负载电流发生变化时，滤波器输出直流电压的幅值也将随之变化，在要求比较高的电子设备中，这种情况时不符合要求的。4） 稳压电路稳压电路的作用是采取某些措施，使输出的直流电压在电网电压或负载电流发生变化时保持稳定。2.1.2 整流电路整流电路有单向半波整流电路、单向全波整流电路、

10、单向桥式整流电路和倍压整流电路。由于单向半波整流电路有输出电压脉动大、直流成分比较低、变压器有半个周期不导电、利用率低等明显缺点，故不予采用。单向全波整流电路每个线圈只有一半时间通过电流，变压器的利用率也不高，故也不予采用。倍压整流电路一般用于电压较高而负载电流很小（10mA）的情况，要求设计的直流稳压电路输出电压不高，倍压整流电路的输出电流亦不符合要求，所以也不采用。整流电路最终采用单项桥式整流电路。简易直流稳压电源- 8 -2.1.3 滤波电路滤波电路种类比较多，可分为电容滤波电路、电感滤波电路、复式滤波电路，复式滤波电路中又包括 LC 滤波电路、LC 型滤波电路、RC 型滤波电路。各种滤

11、波器的主要性能如下表：性 能类 型电 容 滤 波 器R C 型 滤 波 器L C 型 滤 波 器电 感 滤 波 器L C 滤 波 器输 出 电 压U O滤 波 效 果对 整 流 管 的冲 击 电 流对 外 性带 负 载 能 力1 . 2 U 21 . 2 U 21 . 2 U 20 . 9 U 20 . 9 U 2小 电 流 较 好小 电 流 较 好适 应 性 较 强大 电 流 较 好适 应 性 较 强大大大小小软软较 软硬硬差很 差很 差强强表中的电感滤波器都有体积大成本高，不易集成的缺点。而且由表知，电感滤波电路适用于负载电流比较大的场合，不符合输出电流的要求。LC 型滤波器它常用于负载电

12、路较大或者电源频率较高的场合，不符合输出电流和频率的要求。RC 型滤波器在 R 上有直流压降，因而必须提高变压器的次级电压，而且外特性很软。所以采用电容滤波电路。2.1.4 稳压电路稳压电路用集成稳压电路实现。集成稳压器有三端固定输出电压式、三端可调输出电压式。它们内部都有过电流、过热等各种保护功能。由于要求设计的简易直流稳压电源要求电压从零开始连续可调，而由三端固定输出电压式集成稳压器组成的电压可以调节的简易直流稳压电源- 9 -稳压电路很难实现从零起调，所以采用三端可调输出稳压器。三端可调输出稳压器典型产品有 CW117、CW217、CW317 系列（正压输出） ，负电源系列有 CW137

13、、CW237、CW337 等，同一系列内部电路和工作原理基本相同，只是工作温度不同。如CW117、CW217、CW317 的工作温度分别为（-55150）、 （-25150） 、 （0125 ） 。根据输出电流的大小，每个系列又分为L 系列 IO0.1A 、M 型系列 IO0.5A。如果不标 M 或 L 的则表示该器件 IO1.5A。根据工作温度和输出电流的要求，选择CW317L、CW337L。CW317L 系列组成框图如图所示：输入端U I调整管保护电路基准电源误差放大偏置电路启动电路I A D J调 整 端U O输出端图 2 CW317L 系列组成框图它的电路符号如下图所示：C W 3 1

14、 7 LA D JU IU O简易直流稳压电源- 10 -由于输入电流大部分从输出端流出，所以没有专门引出接地端。2.1.5 直流稳压电路由 CW317L 组成的电压连续可调稳压电路如图所示：C W 3 1 7 L+C 1C 21 0 F+I A D JD 1U ID ZI Q+R1 2 0 +C 3I RI R P3 K R PU O图中 UO表达式为：UO=1.25(1+RpR)D1 用于防止输入短路时 C3 上存储的电荷产生很大的电流反向流入稳压器使之损坏。D2 用于防止输出短路时 C2 通过调整端放电而损坏稳压器。该电路有两个问题没有解决： 从零起调问题; 没有负的输出。无法从零起调是

15、由于当 Rp=0 时，调整端电位不为零，可通过运算放大器的运算功能予以解决。没有负的输出可采用跟踪的办法予以解决。简易直流稳压电源- 11 -由单向桥式整流电路、电容滤波电容以及 CW317L 组成的直流稳压电源如图所示：I C 1C W 3 1 7 LIC3IC4I C 2C W 3 3 7 L2 2 0 V / A CT1 . 5 V / A C1 . 5 A * 2+2 2 0 0 F / 2 5VC 1C 3123R 32 4 0R P 12 K 2R 64 7 KR 5 4 7 K672+-43R 44 7 KR 96 8 KC 71 0 0 F / 1 6 V+C 51 0 0 F

16、+R 74 7 KD 7 I N 4 0 0 1+C 22 2 0 0 F / 2 5V12D 8 I N 4 0 0 13R 82 4 067342R 1 06 8 K+C 81 0 0 F / 1 6 VD 1 D 4I N 4 0 0 1 * 4C 4 A 7 4 1+ V O- V OR 1 13 3 K A 7 4 1图 3 直流稳压电源简易直流稳压电源- 12 -当 Rp=0 时，运算放大器 IC3 有：V+=0.5(Vo-1.25)V_=Vo由于 IC3 接有负反馈，所以有i+=i_=0V+=V_所以(V6-V_)/(V_-V0)=R5/R4因为 R5=R4解得 V6=-1.25

17、V稳压器 IC1 输出电压+Vo=1.25(1+Rp/R)-1.25V运算放大器 IC4 同样具有负反馈，所以同样有i+=i_=0V+=V_因为 V+=0，所以 V_=0.即（R10Vo/(R9+R10)+R9(-Vo)/(R9+R10)）=0(叠加定理)解得-Vo=-（+Vo）这样就实现了电压从+12V 到-12V 连续可调。2.1.6 参数计算简易直流稳压电源- 13 -RL= max0IV= A12=120由 RLC(35) ,得2TC250416.67 F这里取 C=500F为保证稳压器在电网量低时仍处于稳压状态，要求UIU 0MAX+(UI-U0)MIN其中 U 0MAX=12V,U

18、 I15V式中， （U I-U0）MIN 是稳压器的最小输出压差，典型值为 3 伏。在单向桥式整流电路中，有：UI=0.9U2U2 为变压器次级线圈有效值。U 2= 17V,变压器比为 k= = =13.9.0I 2U170二极管承受的最大反向电压UM= U2=24.04V可选型号 IN4001 的二极管，该型号整流电流 I=1A。变压器功率为 P=2U2I=34W可选择功率为 3540W 变压器。21.7 元器件选择简易直流稳压电源- 14 -本电路均为通用元器件，无特殊规格。IC3、IC4 为通用型运放，也可由 OP-07 代用。电阻全部选用 1/4W 金属膜电阻，其中R4、R5、R6、R

19、7、R9、R10 精度要求为 1。RP1 应选用线绕电位器。桥式整流二极管以及 D5、D6 均选用 IM4001。电源变压器 T 可选用14 英寸黑白电视机电源变压器代用，如自绕应选 EI 型高夕钢片，功率为 35W-45W 即可。2.2 信号衰减电路IC5IC6R AR AR B+_R fR c+_R CR DU oU U oU 1 8 K1 K1 8 K3 6 K3 6 K1 8 KT L C 4 5 0 1T L C 4 5 0 13 6 K图 4 信号衰减电路图图 4 为信号衰减电路原理图，其目的在于将直流稳压电源的输出电压幅值衰减为原来的 0.1 倍。电路中的参数计算如下：运算放大器

20、 IC5 接有负反馈，所以U+=U- i+=i-=0因为 U-=U+=0所以 U = U0BAR/简易直流稳压电源- 15 -因为 i+=i-=0 (U -U-)/(UU )=Rf/RA解得 U =- UAfR运算放大器 IC6 接成反相比例器故U0、 =- U =-U =- UCRAfR将 U = U0代入BA/并令 Rf=2RA,得U0=- U0B2这里要将信号 U0 衰减为原来的 0.1 倍故 RA=18RB故取 RB=1K.则 RA=18K，R f=36。并取 ，则 为了保持电路的平衡 RD=18K.2.3 A/D 电路23.1 A/D 转换器的基本原理A/D 转换器的功能是在规定时间

21、内把模拟信号在时刻 t 幅度值（电压值）转换为一个相应的数字量。由于 A/D 转换器输入的模拟信号在时间上是连续的，输出的数字信号是离散的。所以只能在一系列选定的瞬间进行 A/D 转换，这样就要求对输入的模拟信号先进行采样，然后再把这些采样值转换为数字量进行输出。因此，一般的 A/D 转换过程需要经过采样、保持、量化和编码这四个步骤来完简易直流稳压电源- 16 -成。A/D 转换器可以分为直接 A/D 转换器和间接 A/D 转换器。直接 A/D 转换器的典型电路有并行比较型 A/D 转换器、逐次渐近型 A/D 转换器。并行比较型 A/D 转换器随着位数的增加所用的比较器和触发器会按几何级数增多

22、，因此一般用在转换速度较快而转换精度要求不太高的场合。逐次渐进型 A/D 型转换器具有转换速度快、转换精度精度高的特点。间接 A/D 转换器的典型电路是双积分 A/D 转换器。双积分 A/D转换器的特点在于它的抗工频干扰能力强，由于两次积分比较是相对比较，对器件的稳定性要求不高，容易实现高精度转换，但它存在转换速度较慢的缺点。由于要求设计的电路对转换速度要求不高，对转换精度有一定要求，兼之双积分 A/D 转换器的突出优点，所以这里采用双积分A/D 转换器。由于 A/D 转换的集成芯片已经很成熟，所以 A/D 转换部分用集成芯片来完成。CC14433 是典型的双积分 A/D 转换器。要用到的集成

23、芯片还有 CC4511、MC1413 和 MC1403。以下是各芯片的介绍：位双积分 A / D 转换器 CC14433 的性能特点：213CC14433 是 CMOS 双积分式 位 A / D 转换器，它是将构213成数字和模拟电路的约 7700 多个 MOS 晶体管集成在一个硅芯片上，芯片有 24 只引脚，采用双列直插式，其引脚排列与功能如图 5 所示。简易直流稳压电源- 17 -图 5 CC14433 引脚排列引脚功能说明：VAG（1 脚）：被测电压 VX 和基准电压 VR 的参考地VR（2 脚）：外接基准电压（2V 或 200mV）输入端VX（3 脚）：被测电压输入端R1（ 4 脚）

24、、R 1 C 1（5 脚） 、C 1（6 脚）：外接积分阻容元件端C1 0.1f（聚酯薄膜电容器） ，R 1470K（2V 量程） ；R1 27K（200mV 量程） 。C01（ 7 脚） 、C 02（8 脚）：外接失调补偿电容端，典型值 0.1f 。DU（9 脚）：实 时 显 示 控 制 输 入 端 。 若 与 EOC（ 14 脚 ） 端 连 接 ， 则 每次 A / D 转换均显示。CP1（10 脚） 、CP o（11 脚）：时钟振荡外接电阻端，典型值为 470K。VEE （12 脚）：电路的电源最负端，接5V。VSS （13 脚）：除 CP 外所有输入端的低电平基准（通常与 1 脚连接）

25、 。EOC（14 脚）：转换周期结束标记输出端，每一次 A / D 转换周期结束，EOC 输出一个正脉冲，宽度为时钟周期的二分之一。（ 15 脚）：过量程标志输出端，当 VX V R 时， 输出为低点OR O平。DS4DS 1（1619 脚）：多路选通脉冲输入端，DS 1 对应于千位，DS2 对应于百位， DS3 对应于十位，DS 4 对应于个位。Q0Q 3（2023 脚）：BCD 码数据输出端，DS2、DS 3、DS 4 选通脉冲期间，输出三位完整的十进制数，在 DS1选通脉冲期间，输出千位 0 或 1 及过量程、欠量程和被测电压极性标志信号。简易直流稳压电源- 18 -CC14433 具有

26、自动调零，自动极性转换等功能。可测量正或负的电压值。当 CP1、 CP0 端 接 入 470K 电 阻 时 ， 时 钟 频 率 66KHz， 每 秒 钟 可 进 行 4 次 A/D 转换。它的使用调试简便，能与微处理机或其它数字系统兼容，广泛用于数字面板表，数字万用表，数字温度计，数字量具及遥测、遥控系统。精密基准电源 MC1403A/D 转换需要外接标准电压源作参考电压。标准电压源的精度应当高于 A/D 转换器的精度。本实验采用 MC1403 集成精密稳压源作参考电压，MC1403 的输出电压为 2.5V，当输入电压在 4.515V 范围内变化时，输出电压的变化不超过 3mV，一般只有 0.

27、6mV 左右，输出最大电流为 10mA。MC1403 引脚排列见图 6。图 6 MC1403 引脚排列 图 7 MC1413 引脚排列和电路结构图MC1413 采用 NPN 达林顿复合晶体管的结构，因此有很高的电流增益和很高的输入阻抗，可直接接受 MOS 或 CMOS 集成电路的输出信号，并把电压信号转换成足够大的电流信号驱动各种负载。该电路内含有 7 个集电极开路反相器（也称 OC 门） 。MC1413 电路结构和引脚排列如图 7 所示，它采用 16 引脚的双列直插式封装。每一驱动器输出端均接有一释放电感负载能量的抑制二极管。线路结构如图 8 所示。简易直流稳压电源- 19 -1 0 0 M

28、 C 1 4 1 3 ( U I N 2 0 0 3 )1 2 34 56 78位置开关1 6 1 5 1 4 1 3 1 21 11 0 9+ 5 Vfgabcdeagdfebc9 0 1 33 K1 0 0 1 51 41 31 21 11 091 6V c cfgabcdeCC4511BCL C B IL EDAG N D译码驱动12345678+ 5 V2 42 32 22 12 01 91 81 71 61 51 41 3V D DQ 3Q 2Q 1Q 0D S 1D S 2D S 3D S 4O RE O SV s sA GV RV XR 1R 1 / C 1C 1C o 1C o

29、 2D UC P 1C P 0V E ECC1433A / D 转换器1 21 14 7 0 K1 09870 . 1 60 . 1 54 7 0 K434 7 K4 7 K210 . 0 1 1 0 K1 0 K1 0 KMC1403基准电源+ 5 V- 5 V1 KV X1 0 K1 K7 * 1 0 0 图 8 A/D 转换电路简易直流稳压电源- 20 -（1） 被测直流电压 VX 经 A/D 转换后以动态扫描形式输出，数字量输出端 Q0Q1Q2Q3 上的数字信号(8421 码)按照时间先后顺序输出。位选信号 DS1DS2，DS 3，DS 4 通过位选开关 MC1413 分别控制着千位、

30、百位、十位和个位上的四只 LED 数码管的公共阴极。数字信号经七段译码器CC4511 译码后，驱动四只 LED 数码管的各段阳极。这样就把 A / D 转换器按时间顺序输出的数据以扫描形式在四只数码管上依次显示出来，由于选通重复频率较高，工作时从高位到低位以每位每次约 300S 的速率循环显示。即一个4 位数的显示周期是 1.2ms，所以人的肉眼就能清晰地看到四位数码管同时显示三位半十进制数字量。（2） 当参考电压 VR2V 时，满量程显示 1.999V；V R200mV 时，满量程为 199.9mV。可以通过选择开关来控制千位和十位数码管的 h 笔经限流电阻实现对相应的小数点显示的控制。（3

31、） 最高位（千位）显示时只有 b、c 二根线与 LED 数码管的 b、c 脚相接，所以千位只显示 1 或不显示，用千位的 g 笔段来显示模拟量的负值（正值不显示） ，即由 CC14433 的 Q2 端通过 NPN 晶体管9013 来控制 g 段。简易直流稳压电源- 21 -第三章 总结简易直流稳压电源- 22 -附录 1 元器件明细表序号 名称 型号参数 数量 备注1 集成稳压器 CW317L 12 集成稳压器 CW337L 13 二极管 IN4001 64 变压器 40W 15 电容 100F/16V 36 电容 2200F/25V 47 运算放大器 A741 28 运算放大器 TLC450

32、1 29 基准电源 MC1403 110 七段数码管 LD-5161AS 5 共阴极11 电阻 47 612 电阻 240 213 电阻 68 214 电阻 18 215 电阻 100 916 电阻 470k 1718简易直流稳压电源- 23 -19参考文献1. 楚岩，田莉娟，林薇. 数字电子技术基础. 清华大学出版社， 20082. 林涛，黄知超，李娇军. 模拟电子技术基础. 重庆大学出版社，20043. 李洋. 现代电子设计于创新. 中国电力出版社, 20074. 张庆双，黄海平. 电子技术基础技术线路实例. 科学出版社，20075. 高有堂，朱清慧. 电子设计于实战指导. 电子工业出版社，2007简易直流稳压电源- 24 -简易直流稳压电源- 25 -评 语 评阅人：日期：简易直流稳压电源- 26 -