数控步进直流可调电源的制作.docx
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数控步进直流可调电源的制作
课程设计题目
数控步进直流可调电源
功能
技术指标
功能：
输出直流电压3-17.5v,步进0.5v。
量化指标：
1.按动开关1使输出3、6、9、12、15伏各档之间进行调节。
2.按动开关2输出在3.5、4、4.5、5、5.5伏各档之间调节。
3.有复位键输出电压最低。
备注：
可用数字表头、配精美外壳。
工作量
适中
工作计划
3月21日开题
3月22日查资料，分析原理
3月25日列元器件表，买元器件
3月26日画出原理框图
3月27日～4月04日安装调试电路
4月05日～4月09日终检写说明书
4月09日准备答辩
4月10日答辩
指导教师评语
指导教师签字：
2009年4月9日
目录
第1章绪论1
1.1设计要求1
1.1.1设计题目和设计指标1
1.1.2设计功能2
第2章电路的方框图3
2.1电路方框图3
2.2电路方框图的比较4
2.2.1比较方框图的原理4
第3章单元电路设计与分析5
3.1单元电路设计5
3.2参数的计算与元器件的选择6
3．2．1电源电路6
3．2．1电源电路……………………………………………6
3.2.2循环脉冲发生电路…………………………………………7
3.2.3开关电路……………………………………………………8
3.2.4分压电路…………………………………………………9
3.3CD4017工作原理及内部结构…………………………………9
3.4LM317基本功能与优点……………………………………10
3.57812的简单说明…………………………………………12
3.6其它元件技术要求13
第4章整机电路的工作原理14
第5章电路的组装调试16
5.1合理布局16
5.2分级调试16
收获与体会18
致谢19
参考文献20
附录21
第1章绪论
数控步进直流可调稳压电源在工矿企业、交通运输、邮电通讯、国防科研、医疗设备、家用电器及建筑大楼等许多方面得到了广泛应用。
其主要用作平滑无级调节电压的调压电源或稳定电压的稳压电源。
经过多年发展稳压电源已成为电源技术的一个重要分支。
课程设计是运用自己所学的数字电子技术、模拟电子技术知识，根据老师所给课程设计题目，自行分组（每组3-4人）来设计、搭接、调试电路，使其实现所给题目要求的功能、量化指标等参数，三周内上交电路，老师通过对电路的完成情况、出勤情况、说明书制作情况以及课程设计答辩情况对每位同学进行评分。
1.1设计要求
电路搭接要求外表美观，能够实现题目所要求的功能、量化指标等。
按照老师给定模板制作电子设计说明书，说明书应包括以下内容：
（1）课题名称
（2）已知条件（3）主要技术指标（4）实验用仪器（5）电路工作原理，电路设计与调试（6）技术指标测试,试验数据整理（7）整机电路原理图，并标明调试测试完成后的各元件参数（8）故障分析及解决的办法（9）实验结果讨论与误差分析。
课程设计答辩要求每组用图纸画出工作原理图，答出老师所问的问题。
要求全设计过程在三周内完成。
1.1.1设计题目和设计指标
课程设计题目：
数控步进直流调压电源
量化指标：
1.按动开关1使输出3、6、9、12、15伏各档之间进行调节。
2.按动开关2输出在3.5、4、4.5、5、5.5伏各档之间调节。
3.有复位键输出电压最低。
备注：
可用数字表头、配精美外壳。
1.1.2设计功能
课程设计题目要求实现功能：
输出直流电压3-17.5v,步进0.5v。
第2章电路的方框图
数控步进直流调压电源电路分为电源电路、顺序脉冲发生电路、开关电路、分压电路和三端可调稳压输出构成，电路主要元件为集成芯片CD4017和可调三端集成稳压器LM317。
2.1电路方框图
图2-1
数控步进直流调压电源电路由电源电路、顺序脉冲发生电路、开关电路、显示电路、分压电路和三端可调稳压输出构成。
各部分电路作用如下：
电源电路产生直流+12v电压为顺序脉冲发生器提供工作电压，并为可调稳压输出电路提供输入电压。
（1）顺序脉冲发生电路是为开关电路提供开关脉冲，使开关管顺序导通。
（2）开关电路是控制分压电路连入三端可调稳压器调整端电阻大小。
（3）显示电路是显示所选择档位与输出电压值。
（4）分压电路是通过开关电路的控制连入可调三端稳压器调整端，从而调整可调三端稳压输出电压的大小。
可调三端稳压器是通过分压电路去控制调整输出电压值。
2.2电路方框图的比较
上诉方框图还可画成如下图形：
图2-2
2.2.1比较方框图的原理
（1）电源变压器：
是降压变压器，它将电网220V交流电压变换成符合需要的交流电压，并送给整流电路，变压器的变比由变压器的副边电压确定。
（2）整流电路：
利用单向导电元件，把50Hz的正弦交流电变换成脉动的直流电
（3）滤波电路：
可以将整流电路输出电压中的交流成分大部分加以滤除，从而得到比较平滑的直流电压。
（4）稳压电路：
稳压电路的功能是使输出的直流电压稳定，不随交流电网电压和负载的变化而变化。
该电路各部分作用在2.1已叙述，按键属开关电路，计数器既是顺序脉冲发生器。
变压、整流电路既是上面电路的电源电路。
下章单元电路设计、参数计算和器件的选择将按2.1-1图叙述。
第3章单元电路设计与分析
通过对方框图的分析，可以进一步设计出各部分单元电路的具体原理电路图，并选择计算各单元电路元件的参数，然后按参数选择合适元件将各元件按原理图搭接，测试其能否实现电路要求的量化指标。
3.1单元电路设计
在设计单元电路首先应考虑电源供电问题，设计出电源电路得出循环脉冲发生器所需电源电压为直流+12v，可以用固定三端集成稳压器（7812）来产生直流+12v。
同时要得到3-17.5v之间可调的直流电压，步进为0.5v的电压输出，就可以用可调式三端集成稳压器（LM317）来实现，通过调整端与地之间所接电阻值的不同来改变输出的电压值，但调整端与地之间的分压电阻值的大小如何去控制，我们会想到用计数/分频器（CD4017）去控制开关三极管的导通与截止来实现可调端与地之间所接电阻值的大小，从而控制可调三端集成稳压器的电压输出值，以实现其电路设计要求的功能。
电源电路可通过变压器降压，二极管桥式整流，电容滤波，将~220v电压降为18v左右交流电压经虑波送给固定三端集成稳压器得到+12v电压，可以给循环脉冲发生器CD4017提供工作电压，确保两芯片的电源输入。
此外它还为可调三端集成稳压器提供输入电压，
（1）顺序脉冲发生电路通过CD4017（计数/分频器）得到顺序脉冲去控制开关管的导通与截止。
（2）开关电路既是通过开关三极管的导通与截止去改变可调三端集成稳压器的调整端与地之间电阻的串入状态，；来实现电阻值的改变。
（3）分压电路既在三端集成可调稳压器调整端串入几个档位的电阻，通过开关电路控制可调端接入电阻的档位。
通过以上电路的工作调节最终使三端集成稳压器输出电压达到课题所要求的电压值。
3.2参数的计算与元器件的选择
对于该课程设计题目数控步进直流调压电源基本框架已设计完成，下面对其各单元电路进行元器件参数计算，进而选择合适的元器件搭接电路。
3．2．1电源电路
整流电路，滤波电路，整流桥选用圆桥2W06做为全波整流，滤波电容选用470选择~220v-18v的变压器，后面接整流桥整流电0uF的电解电容。
产生一个+21v的脉动直流电压。
桥式整流的公式为
Vo=1.2V变3-1式电路如图3-1：
图3-1
脉动直流电压经滤波送给固定三端集成稳压器7812稳压，产生一个直流+12v的电压给CD4017（计数/分频器）供电，同时所得到的脉动直流电压+21v经滤波又送入可调三端集成稳压器LM317进行可调稳压输出。
3.2.2循环脉冲发生电路
该部分电路主要计数/分频器CD4017构成。
CD4017是上升沿有效，通过按键给CP（13脚）输入脉冲，当输入一个脉冲Q0、Q1、Q2、Q3、Q4顺序产生CP脉冲送给开关电路。
CD4017是按BCD码计数、时序译码器组成的顺序脉冲发生器。
如图3-2：
图3-2
3.2.3开关电路
电路如图3-3：
图3-3
由10开关三极管和10个限流电阻组成，开关三极管选用9013，限流电阻选用1.5K金属膜电阻。
CD4017产生的顺序脉冲使开关管一次导通。
为了使显示输出各个电压值明显，在开关电路加接LED显示，当三极管导通时对应的LED发光。
该显示电路接在开关管限流电阻之前，选用发光二极管LED和1K限流电阻。
3.2.4分压电路
选用10个分压电阻，其中连接可调三端稳压器LM317的固定电阻选用220欧为上拉电阻，经过3-2式的计算与1脚相连接的电阻是330欧，而连接第一个CD4017用四个520欧电阻和一个90欧电阻作为可调三端稳压器LM317的可调换挡（3V）电阻，另选四个90欧电阻连接第二个CD4017作为可调换挡（0.5V）电阻，与CD4017相连的电阻选择电阻参数依据可调三端集成稳压器输出电压公式，如：
Uo=1.25（1+R／Rp；3—2式
3.3CD4017工作原理及内部结构
CD4017引脚图
表3—1CD4017功能表
输入
输出
CP
INH
CR
Q0—Q9
CO
×
×
1
Q0
计数脉冲为Q0—Q4时：
CO=1
↑
0
0
计数
1
↓
0
0
×
0
保持
计数脉冲为Q5—Q9时：
CO=0
×
1
0
↓
×
0
×
↑
0
图3—2CD4017引脚排列
CD4017引脚：
CO进位脉冲输出端
CP时钟输入端
CR清除端
INH禁止端
Q0-Q9计数脉冲输出端
图3-3CD4017的内部结构图
十进制计数／分频器CD4017，其内部由计数器及译码器两部分组成，由译码输出实现对脉冲信号的分配，整个输出时序就是O0、O1、O2、…、O9依次出现与时钟同步的高电平，宽度等于时钟周期。
CD4017有10个输出端（O0～O9）和1个进位输出端～O5-9。
每输入10个计数脉冲，～O5-9就可得到1个进位正脉冲，该进位输出信号可作为下一级的时钟信号。
CD4017有3个输（MR、CP0和~CP1），MR为清零端，当在MR端上加高电平或正脉冲时其输出O0为高电平，其余输出端（O1～O9）均为低电平。
CP0和～CPl是2个时钟输入端，若要用上升沿来计数，则信号由CP0端输入；若要用下降沿来计数，则信号由～CPl端输入。
设置2个时钟输入端，级联时比较方便，可驱动更多二极管发光。
由此可见，当CD4017有连续脉冲输入时，其对应的输出端依次变为高电平
图3—1CD4017的输出波形
3.4LM317基本功能与优点
其中Uout为可调三端集成稳压器LM317的输出电压，R为上拉电阻（一般在为120到240欧姆），Rp为调整电压的电位器。
三端稳压输出电路：
即可调三端集成稳压器LM317，由可调端接入不同的档位电阻输出所要的电压值。
LM317 是以TO-220为塑封，输出电压范围为1.25ｖ－37ｖ，最大电流为1.5A,该电路输出必须大于1.5mA，集成电路才能正常工作，否则电路设计不合理。
3脚为输入端，1脚为电压调整端，2脚是经电压调整后的输出端，工作时LM317在输出端2脚与调整端1脚之间提供1.25ｖ基准电压。
其管脚分部如图3-4：
图3-4LM317引脚图
LM317的优点
1.减小纹波的措施
LM317自身具有60DB以上的输入纹波压缩座，采用ADJ端子与地之间连接电容C2的作用就减小纹波。
2.增加电流的方法
LM317与固定输出3端子稳压器一样也可以采取输出电流的措施，由于输出电流可以高达2A，因此在将NPN晶体管互补连接可进以步提高总的电流放大率
3.保护作用
三端可调式集成稳压器内有过流保护，热保护和安全工作区保护电路，即使输出端短路稳压器也不会损坏。
3.4.1LM317的典型电路
典型电路的工作原理：
当输入电压通过LM317的1脚，通过滑动电阻器来调节输出电压值在1.25V到37V之间可调，D1的作用是保护LM317,C1和C2是更好的减少纹波系数，输出电压是UO=1.25（1+RP/R1）,所以改变RP的阻值就改变的输出电压值。
3.57812的简单说明
7812主要用途：
适用于各种电源稳压电路。
7812主要特点：
输出稳定性好、使用方便、输出过流、过热自动保护。
固定三端集成稳压器：
。
电阻由输出电流档次决定，电阻由输出电压档次决定，三端式稳压器由启动电路、基准电压电路、取样比较放大电路、调整电路和保护电路等部分组成。
下面对各部分电路作简单介绍。
（1）启动电路
（2）基准电压电路
（3）取样比较放大电路和调整电路
（4）减流式保护电路
（5）过热保护电路
3.6其它元件技术要求
二极管元器元件
IN4148的正向压降1V最高反向工作电压75V反向击穿电压100V反向恢复时间4ns
三极管元器件
利用三极管的开关特性硅0.5V锗0.3V
9013是高频小功率晶体管最大反向工作电压25V
本章小结
计数/分频器（CD4017）的用途很多，计数器，分频等用途在电子领域非常好用。
三端可调集成稳压器LM317,它自身具有很好的保护功能，外部接有滑动变阻器就可以对输出电压进行可调，使用非常方便，而且工作非常稳定可靠。
固定三端集成稳压器，使用时也非常简单，但是散热效果没有LM317的散热好。
所以使用时必须加散热片。
第4章整机电路的工作原理
图4—1数控步进直流调压电源电路
数控步进直流调压电源电路如图4—1所示。
电路中的IC1是一个可调三端集成稳压器，通常在IC1的1脚与地之间串接电位器，用来调节输出电压的大小。
该电路则是通过半导体管VT1—VT10将电阻R2—R11串入其间，通过VT1—VT10的导通与截止改变串入电阻的状态，以实现调压的目的。
输出的直流电压在3—17.5V之间可调，步进为0.5V。
电路中的IC2、IC3为十进制计数／分频器，按动开关S1、S2可实现脉冲的输入。
每按动一次S1或S2，IC2或IC3的Q0—Q4输出端输出的高电平边向前跳进一位，是对应的半导体三极管导通，将相应的R2—R11电阻接入IC1的1脚与地之间，IC1的输出电压Vout将跃变一个档位。
为便于指示Vout的大小，在IC2、IC3的Q0—Q4输出端接有发光二极管LED1—LED10.
当电源接通后，IC2、IC3的Q0输出端均置于高电平，此时，只有VT1、VT6导通，R2被接入电路，Vout为3V。
按动S1则可使Vout在3、6、9、12及15V各档之间进行调节。
若IC2的Q0端为高电平，按动S2则可使Vout在3.5、4、4.5、5V及5.5V各档之间进行调节，因此每按动一次S1，Vout步进3V；按S2，Vout步进为0.5V，开关S3、S4为回零按钮，按它们后，可使输出电压回到最低一档。
第5章电路的组装调试
5.1合理布局
首先根据电路原理图上的电路元件，选择电路元件，检测元器件的好坏，再在面包板上进行调试，之后在万能焊板上合理布局进行焊接，
5.2分级调试
（1）为提高学生的动手能力，学生自行设计印刷电路板，并焊接。
（2）在每个模块电路的输入端加一信号，测试输出端信号，以验证每个模块能否达到所规定的指标。
（3）重点测试稳压电路的稳压系数。
（4）将各模块电路连起来，整机调试，并测量该系统的各项指标。
（5）在万能板上焊接完电路后对电路进行分级调试，让后对每一部分电路进行检测调试，首先是稳压是否稳定，然后进行电路的整体调试，直到输出所要求的电压值。
（6）按照原理图所计算的参数进行元件参数的选择，先在面包板上进行搭建测试。
测试完搭接后的电路能够实现主功能，但是输出电压值与设计指标的电压输出值有一定偏差，说明实际参数值与理论值有一定误差，利用滑动变阻器调节分压电路的分压电阻值，使输出的电压值达到课题的技术指标。
得出实际电路的元件参数，将实际元器件参数标注在电路原理图上，将调试完的达标元器件参数件插入万能焊板上进行焊接，焊接无误后接通电源得到了所需的电压输出值
（7）结论：
电路组装调试，输出电压值与步进要求值基本符合课题技术指标所要求的电压值，在焊接是布线也有一定困难，由于电源变压器与电压表头的体积比较大，不能固定在万能板上，所以影响了整个电路工艺的美观。
本章小结
调试时路可以对电路的功能原理和电路的干扰都能有一定深入理解，在调试时比安装更能了解电路，电路的理论和实际操作有很大的操作，所以调试时能更理解电路的工作原理。
收获与体会
这次课程设计历时三周，在这三周里，我学到了许多专业知识而是在书本上学不到的东西，在这之间我有很多的体会与感慨，课程设计首先最重要的就是团队协作，课程设计中我们小组分工明确，顺利完成电路设计，查找的资料只供参考不能照搬。
而且感受到了自己专业知识的缺乏与不牢固，成为了整个过程最大的阻力，又一次熟悉了Protel99SE软件的使用，使用Word等画图工具画电路图，增强自己的画图能力。
进一步熟悉万用表、实验台等实验设备的使用，判别元器件的引脚、好坏等能力有所提高。
设计电路，还要考虑到它的前因后果。
什么功能需要什么电路来实现和电路的干扰等问题。
另外，还要考虑它的可行性，实用性等等。
这样，也提高了我的分析问题的能力。
原来，我们学习的电路只是一个理论知识，通过这次课设。
使我的理论知识上升到了一个实践的过程。
同时在实践中也加深了我们对理论知识的理解。
这次课程设计让我认识到自己的不足，让我知道了学无止境的道理。
通过这次课设，不仅使我对所学过的知识有了一个新的认识。
而且提高了我考虑问题，分析问题的全面性以及动手操作能力。
使我的综合能力有了一个很大的提高。
致谢
课程设计历时三周，在这三周中，我们的电路之所以能顺利完成离不开老师和同学们的帮助，在次特别感谢我们的指导教师胡老师，在我们的电路设计遇到困难时他总是在百忙之中，抽时间帮助我们解决问题并排除电路故障，帮助我们选择元器件等等。
向朋友一样耐心的帮助我们，真心的说声胡老师“谢谢”。
也感谢在设计电路中帮助过我们的老师、同学在此一并表示感谢。
所以，在这里，我非常感谢电子系里的各位老师的耐心辅导以及同学们的热心帮助。
再此我忠心的感谢各位老师，你们辛苦了
参考文献
1余孟尝数字电子技术基础简明教程，北京：
清华大学电子学教研组编2007，07
2.余孟尝模拟电子技术基础简明教程，北京：
清华大学电子学教研组编2007，06
3.[7]高吉祥.电子技术基础实验与课程设计.电子工业出版社,2002
4.康华光.电子技术基础.数字部分北京:
高等教育出版社,2000
5.阳鸿韵电源集成电路必备宝典，北京;机械工业出版社。
2007
6孙凯著稳压电源设计与技能实训教程北京：
电子工业出版社
2007
7崔瑞雪电子技术动手实践北京：
北京航空航天大学出版社2007
附录元件清单
序号
名称
型号和参数
数量
1
变压器
220v-18v20w
1
2
整流桥
IN4004
1
3
固定稳压电源
7812
1
4
可调稳压电源
LM317
1
5
电解电容
4700uF
1
6
电解电容
4700uF
1
7
电阻
4.7k
3
8
电阻
1.5k
10
9
电阻
1k
10
10
电阻
520
6
11
电阻
90
5
12
三极管
9013
10
13
二极管
IN4148
2
14
发光二极管
LED
10
15
电压表头
0-20v
1
升级会员 