简易数控直流可变稳压电源的设计

课程名称：电子课程设计课题名称：简易数控直流可变稳压电源的设计班级：小组成员：使用仪器：直流电源，万用表学校：课程设计时间：数控直流可变稳压电源的设计1.内容摘要：数控直流可变稳压电源由输入电路，稳压输出电路和显示电路组成。输入电路输入的电压直接由实验室直流电源提供，提供的直流电压经退耦、滤波后直接输入到三端可调式稳压器的输入端，通过改变三端可调式稳压器的电阻而得到不同的电压输出，在这里选用8通道数字模拟开关改变三端可调式稳压器可调端的电阻。通过按键计数状态来控制8通道数字模拟开关的开关状态，计数的状态与三端可调式稳压器的输出电压一致，同时将计数状态在数码管上同步显示输出的电压。2.设计指标（要求）：(1)用集成芯片制作一个2～9V的直流电源。(2)最大功率要求10W以上。(3)电压的调整步进为1V并有相应的指示。(4)具有过压、过流保护。3.方案选择与系统框图：方案一：该数控直流可变稳压电源主要由滤波电路，稳压电路和计数显示电路组成。方案采用LM317组成数字可调直流稳压电压源，采用7805构成固定输出电压源。LM317是可调式三端稳压器，能够连续输出可调的稳定的直流电压。它只允许可调正电压，且该稳压器内部含有过流，过热保护电路；LM317通过一个电阻（R）和一个可变电位器（Rp）组成电压输出调节电路，它的输入电压Vi=15V，输出电压为Vo=1.25（1+Rp/R），在该方案中，通过8通道数字控制模拟开关4051芯片改变Rp的值，从而改变输出的电压值。7805是固定式三端稳压器，当其输入输出的压差达到要求时，其固定输出+5V，一般要求7805的输入输出的压差在大于2V的情况下，才能保证正常输出。8通道数字控制模拟开关4051的开关的选通，通过其使能端与其选通状态代码控制，而其选通状态代码则通过74LS193加/减计数器的计数输出状态控制。该方案要求在稳定输出步进为1V的直流电压输出（2—9V）的同时，将输出电压在数码管上显示。在这里，选用驱动共阴极数码显示器的BCD码四位—七段译码器—4511，将4511的译码输入端直接与74LS161计数器的计数状态输出端，将4511的译码输出端通过适当阻值的电阻，再与共阴极数码管相连接，这样就可以初步实现输出电压与显示同步。系统框图：方案二：针对方案一中，使用电容与按键并联的防抖方式效率低下的问题。使用74LS00与非门组建按键防抖电路。4.各单元电路设计，参数计算和元器件选择：选择方案一：直流电压源输出的直流电压都有一定程度的纹波，可通过电容滤波来减小或消除纹波对后续电路的影响。简单电容滤波电路：图中的发光二极管作为指示灯，选用100uF的电解电容C1起平滑输出的作用，选用0.1uF（104）瓷片电容起消除高频干扰作用，即用C1和C2抑制高频干扰。容量选择：（1）大电容：负载越重，吸收电流的能力越强，大电容需求的容量就越大。（2）小电容：一般选104即可。注意：大容量电解电容有一定的绕制电感分布电感，易引起自激振荡，形成高频干扰，故可在稳压器输入输出端并入小容量瓷片电容来抵消电感效应，消除高频干扰。稳压电路：直流电压经滤波后，直接输入到可调式三端稳压器LM317的输入端和固定式三端稳压器7805的输入端后构成稳压电路。稳定电压的输出值通过8通道数字控制模拟开关芯片CD4051的开关状态来改变。输入被选通道及对应的电压值INHCBA0000X0（8V）0001X1（9V）0010X2（2V）0011X3（3V）0100X4（4V）0101X5（5V）0110X6（6V）0111X7(7V)1XXX无直流电压输入滤波电路稳压输出电路译码驱动显示电路按键数控模拟选通开关计数器+12R91KD1DIODEC1100UC2104VIN1GND2VOUT3IC1LM7805VIN3ADJ1VOUT2IC2LM317C30.1uFC40.1uFA1K2D21N4007A1K2D31N4007R101kC51.0uFC61.0uF+5ADJ12J3OUT电解电容C5用来提高稳压器的纹波抑制比，减小输出电压中的纹波电压；C6用来克服LM317在深度负反馈作用下可能产生的自激振荡，还可以进一步减小输出电压中的纹波分量；D2的作用是防止输入端短路时，电容C6放电而损坏稳压器；D3的作用是防止输出端短路时，C5放电而损坏稳压器。根据公式：Vo=1.25（1+Rp/R），选用R=1k，Vi=+12V，则Vo=1.25（1+Rp/1000）=2V时，R3=Rp=120Vo=3V时，R4=Rp=280Vo=4V时，R5=Rp=440Vo=5V时，R6=Rp=600Vo=6V时，R7=Rp=760Vo=7V时，R8=Rp=920Vo=8V时，R1=Rp=1080Vo=9V时，R2=Rp=1200考虑到4051的各开关选通后存在内阻，且上述阻值的电阻不好找到，故在该方案中Rp采用变阻器。除了R1,R2采用0—10K的变阻器外，其它均采用0—1K的变阻器。计数显示电路：显示电路是由计数器，译码器及数码管组成的。计数器用74LS161，译码器用驱动共阴极数码显示器的BCD码四位—七段译码器—4511。通过按键产生一个下降沿使74LS193计数，同时用74LS193的计数状态输出端来选通4051的各开关，从而达到输出固定电压输出的目的。01311421531241556274C9B10A11VSS8VEE7INH6VDD16OUT/IN3IC5CD4051R11080R21200R3120R4280R5440R6600R7760R8920ADJR181KR191KR201K+5+12C80.1uFQ311Q212Q113Q014LD9CO15CTT10CTP7CR1D36D25D14D03VCC16GND8CP2IC674LS161Q0123U1A74ALS00Q3Q0+5R211KR2210KS2SW-PB+5Q2Q1+5Q3C90.1uF+5C100.1u8910U1C74LS00C11200p111213U1D74LS004511译码器的特点：具有BCD转换、消隐和锁存控制、七段译码及驱动功能的CMOS电路能提供较大的拉电流。可直接驱动LED显示器。其功能介绍如下：BI：4脚是消隐输入控制端，当BI=0时，不管其它输入端状态如何，七段数码管均处于熄灭（消隐）状态，不显示数字。LT：3脚是测试输入端，当BI=1，LT=0时，译码输出全为1，不管输入DCBA状态如何，七段均发亮，显示“8”。它主要用来检测数码管是否损坏。LE：锁定控制端，当LE=0时，允许译码输出。LE=1时译码器是锁定保持状态，译码器输出被保持在LE=0时的数值。A、B、C、D、为8421BCD码输入端。A、B、C、D、E、F、G：为译码输出端，输出为高电平1有效。5.完整电路图及其工作原理：数控直流可变稳压电源的工作原理：直流电压源输出的电压经耦合，滤波后作用到固定式三端稳压器7805和可调式三端稳压器LM317，7805稳定输出的+5V直接为74LS161，74LS00，译码器4511提供电源电压。根据公式：Vo=1.25（1+Rp/R），改变连接LM317的1脚上的电阻阻值，就可在其输出端得到不同的电压值。LM317的1脚上电阻阻值的改变是通过8通道数字控制模拟开关芯片4051实现的。因为当INH为低电平时，4051的输入端CBA的不同状态输入，可选通对应的开关，即可改变LM317的1脚上电阻阻值，从而控制LM317的输出电压值。4051的输入端CBA的状态，则通过74LS193(四位二进制加/减计数器)的计数输出状态来控制，即将74LS193的四个计数输出端的低三位分别与4051的输入端CBA相连接。同时将74LS161的四个计数输出端与驱动共阴极数码显示器的BCD码四位—七段译码器—4511的四位输入端相连接，通过4511译码后驱动共阴极数码管显示相应的电压值，实现电压输出与显示值同步。6.组装调试：组装调试过程中，使用的主要仪器，仪表及工具包括：直流电压源，万用表，烙铁等。组装时，应注意的方面：检查电路板上的铜线是否存在断线和短路问题，若存在应及时解决，可用焊锡对断线进行修补，如果断线很严重可用搭连导线解决。在焊接的时候烙铁的温度不要太高，这样于焊接不利。调试部分：（1）调试时，要注意各芯片的安装是否正确。连通电源，输入+12V直流电压，用万用表测量各芯片的电源电压VCC的电压值。该实验调试中，测得7805的输入输出端电压分别为+8.1V和+4.9V，LM317的输入输出端电压分别为+12V和3.3V。4051的电源电压VCC为+11.9V，74LS161，74LS00，4511的电源电压均近似为+4.9V。（2）接下来逐一排查各芯片工作是否正常。接通电源，数码管显示数字为2，用万用表表笔测量74LS161的计数输出的高低电平的状态（一般电压值小于0.17V左右为低电平，电压值大于2.7V为高电平）（3）将4051芯片拔出，开通电源，用导线分别代替各开关，调节变阻器，观察LM317的电压输出值的变化。若输出电压值随变阻器阻值的变化而变化，且用万用表测得4051插槽的各引脚的高低电平状态与原理图上对应的预期的理论值接近，则说明连接4051各管脚的铜线无断线，短线现象。（4）在调试显示电路中，如果遇到按一次按键，数码管跳变多次的情况，说明消抖电路没有正常工作，则需要改进消抖电路。7.元器件清单：序号元器件名称型号及规格数量（只）封装形式1插槽3SIP22发光二极管1SIP23电解电容100uF1SIP24电解电容10uF2SIP2电解电容1uF2SIP27电阻1k14AXIAL0.38电阻8207AXIAL0.39电位器10k，103210电位器1k，102611电阻1001AXIAL0.412瓷片电容1047SIP214瓷片电容2211SIP215按键开关S1116二极管40072AXIAL0.317可调式三端稳压器LM3171TO-12618固定式三端稳压器L7805C1TO-12619四位二进制加/减计数器SN74LS1611DIP16208通道数控模拟开关40511DIP1621驱动共阴极数码管的BCD码—七段码译码器CD45111DIP1622与非逻辑门74LS001DIP1423共阴极数码管18.PCB图或布线图：9.电路特点及方案优缺点：该电路的设计结构简单，能实现数字控制模拟电压输出，且将模拟输出电压值在数码管上显示，具有较好的同步性。该方案结构系统图较简单，易于实现，便于组装调试，但该方案实现的模拟电压输出范围有限，元器件需求量多.10.设计结果：该设计的电路经调试后基本能达到设计指标要求，能做到稳定直流电压输出与显示同步进行，显示2V—9V。由于考虑到4051内阻的存在，变阻器的灵敏度不高，使得测得模拟电压存在一定得误差。11.总结与体会：通过本次电子课程设计，让我们清楚的了解到数控可变直流稳压电源的工作原理，以及组成其电路的各单元电路的工作原理即元件参数计算和元器件的选择。并且从设计电路过程中了解了一些芯片的应用范围及使用方法。由于初学PCB制作，布局不是很好。通过本次课程设计，学习了制作PCB板的流程，也熟悉了protel99se软件的使用。复习了模拟电子技术基础，数字电子技术基础的知识。12.参考文献资料：[1]华成英，童诗白.模拟电子技术基础（第四版）[M].北京：高等教育出版社，2006.1[2]杨志忠，卫桦林，郭顺华.数字电子技术基础[M].北京：高等教育出版社，2004.7[3]电子资源网：[4]胡烨，姚鹏翼，陈明.Protel99SE原理图与PCB设计教程[M].北京：机械工业出版社，2005.3