可调步进数字稳压电源文档格式.docx
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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=1000µ
F。
电容耐压值应考虑电网电压最高、负载电流最小时的情况。
UCmax=1.1×
U2max=1.1×
×
13≈20.2（V）
综合考虑波电容可选择C=1000µ
F，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0.01～0.1µ
F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
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。
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
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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。
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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
NLT_PQ_4_16
D3
3N259
U4
LM317AH
三端稳压管
D1,D2
1N1202C
二极管
C1
1mF
电容
C2
1uF
C3
100nF
C4，C5
10uF
R4
144Ω
电阻
Q1~Q8
1GH62
三极管
D4~D12
U11
U8A~U15A
74LS04D
非门
U3
74LS193D
U5
7483N
加法器
U16
74LS138N
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码管有问题。
有待进一步调试确认。
焊接电路板总结：
使用低熔点焊锡，烙铁最好用35W的，如果用20W的感觉会热量不够，焊接前最好提前处理一下待焊的焊接面，最好涂上一层松香做助焊剂，烙铁一定要加热到一定温度，如果烙铁足够热就能够在器件被烫坏之前把它焊好，另外特别注意的一点是，焊接电路板的时候要等到焊锡充分在电路板上浸润了再拿开烙铁防止出现虚焊。
八、结论与心得
刚开始拿到课题，感觉无从下手，后来经过老师的讲解，查阅资料，和同学讨论等过程，
渐渐在脑海中形成了一些备选方案。
就本设计来说，要实现可调稳压输出，可以用7805芯片或LM317芯片，综合考虑用LM317芯片。
电路简单明了，易于实现。
实际仿真环节，一开始发现电压总是会偏大，误差也未达要求，后来经过改变电阻，解决了这个问题。
在设计由“+”、“-”两键分别控制输出电压步进增减电路和数码管显示电路时，遇到了显示不准确仿真不稳定等问题。
分析发现，既有软件的问题，又有电路不够完善的问题。
后来经过和同学讨论逐步解决。
仿真过程中，一开始各个模块都能顺利仿真成功，但是总电路不能仿真，后来经过和老师探讨，用逐个验证的方法一步步解决问题。
经过这次电路设计，我发现自己在设计方面还存在基础知识不扎实，考虑不够全面等问题。
在今后的学习过程中，我一定会加以克服，争取将从这次设计中得到的经验教训更好的用在今后的学习设计中。
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九、参考文献
[1]李凯 简易数控直流电源设计
[2]童诗白华成英.模拟电子技术基础 第三版 高等教育出版社.2001.1
[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
[4]彭介华编.电子技术课程设计指导. 高等教育出版社，1997年10月
[5]郑家龙、王小海、章安元编. 集成电子基础教程..高教出版社，2002年5月
[6]庄俊华multisim9入门及应用.机械工业出版社.2005
[7]百度网站
[8]唐金元,王翠珍.可调直流稳压电源电路的设计方法
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