简易可编程直流稳压电源的设计

1/24目录第一部分系统设计1.1设计题目及要求…………………………………………………………31.2总体设计方案…………………………………………………………31.2.1设计思路…………………………………………………………31.2.2方案论证与比较……………………………………………………4第二部分单元电路设计2.1单元电路及其工作原理或功能说明……………………………………102.2单元电路元件的选取与计算……………………………………………19第三部分整机电路3.1整机电路图……………………………………………………………213.2元件清单………………………………………………………………22第四部分性能指标的测试4.1电路调试…………………………………………………………………234.1.1测试仪器与设备……………………………………………………234.1.2功能指标测试及测量数据………………………………………234.1.3故障分析及处理…………………………………………………244.2电路实现的功能和系统使用说明………………………………………24第五部分课程设计总结…………………………………………………………25第一部分系统设计1.1设计题目及要求设计题目：设计制作一个简易的可编程直流稳压电源。1、基础功能：（1）可实现5v、9v、12v和15v的可编程直流稳压电源；（2）负载电流：IO=500mA；（3）纹波电压：VO10mV；（4）采用单15V变压器作电源输入。2、发挥部分：（1）对指定的任意一种电压进行选择和保持，保持时间为4S，保持后返回巡回状态。（2）通过数码管显示当前电压的大小，用0、1、2、3分别表示5V、9V、12V、15V。2/241.2总体设计方案1.2.1设计思路根据电路所要实现的功能可将整个电路划分为六部分组成：时钟脉冲电路、保持电路、计数电路、逻辑控制电路、功率输出电路、显示电路。每一个模块都有一个或几个主要芯片或器件组成。对于时钟产生电路，首先要设计一个周期为1s的时钟脉冲信号，选择NE555和一些电阻电容接成周期为1s的多谐振荡器，主要为计数电路部分提供时钟。保持电路的设计与脉冲电路的设计类似，也采用NE555构成的电路，但是原理上保持电路是将555设计成一个单稳态电路，通过开关实现触发，输出产生4s的暂稳态。由于暂稳态为高电平，所以需要连接一个反相器。反相器的输出端与计数电路74LS161的P端连接，形成4s的保持电路。该电路主要用于实现对当选定输出电压进行保持，保持时间为4S，保持完后返回巡回状态。计数电路由四位二进制的74LS161芯片构成计数电路，此芯片还有保持功能。时钟输入端即由时钟电路输入，输出端只需用到低两位即可控制4个电压输出的循环转换。逻辑控制电路主要用来控制计数器保持在相应的计数值上，逻辑门电路用来检测四个按键的状态，并将信息传达至计数器的预置数上，从而控制模拟开关选通对应通道实现对应电阻的接入进而控制输出电压的大小。主功率部分主要由LM317构成，LM317的输出端和调整端之间接一个电阻产生恒定电流，公共端和地之间为4个不同阻值的电阻，控制模拟开关接通相应电阻使恒定电流流经这些电阻则产生不同的电压。这4个电阻的通用三极管作为开关来控制，三极管由模拟开关控制，模拟开关由计数器控制其巡回选通。显示电路主要由CD4511和数码管构成，CD4511是专用于将二-十进制代码（BCD）转换成七段显示的专用译码器。输入端可以直接连接计数电路输出端的低两位，输出端连接LED数码管对应段选端，通过电平变化显示相应的数字，用0，1，2，3分别表示输出5V，9V，12V和15V。模块结构图：3/241.2.2方案论证与比较方案主要分析比较功率输出、电压选通以及保持电路部分。1.2.2.1功率输出电路功率输出部分有四个档位，分别输出5V，9V，12V和15V，可以采用专门的固定电压电源芯片，也可以使用输出可调节的电源芯片以及用运放搭建的反馈控制电路。以下对这三种方案对比论证。方案一：使用LM78XX系列稳压芯片，即LM7805，LM7809，LM7812，LM7815构成四路不同的稳压输出。只要选通对应的稳压芯片支路就可以实现对应的电压输出。方案二：在运放同相输入端接一个稳压管，再从输出电压中采样并引入负反馈到运放反相输入端，反馈电压与运放同相输入端的固定电压比较放大，运放输出电压用来控制功率管的导通程度从而起到控制输出电压大小的目的。时钟脉冲电路单稳态触发器计数器电路按键+逻辑门译码显示电路模拟开关控制电路4/24方案三：使用芯片LM317，通过模拟开关选择相应的电阻接入，从而达到控制电压输出的目的。5/24方案论证与比较：第一种方案中四路电路输出电压相互独立，输出精确稳定，纹波较小，电路原理简单易懂。缺点是需要4个78XX芯片，所需其它元件也多，成本较高,而第二种方案优点是成本较低，只要由运放和功率管构成，电路比较简单，缺点是输出纹波较大，输出电流受三极管放大倍数的影响。第三种方案电路简单，成本较低，缺点是温度变化时电阻值会受到影响，输出电压也会有所偏移。综上所述,考虑成本等因素决定采用方案三。1.2.2.2预置数电路方案一：采用八位优先编码器CD4532，低四位与按键连接，当按键接通时高电平输入优先编码器输入端，从而产生编码输出，编码输出连接至计数器预置数输入端，从而实现按键按下时实现任6/24意电压输出的目的。方案二：采用与门和与非门产生对应的二进制编码，将编码输出至74LS161的预置数输入端实现任意四档电压输出。7/24方案论证与比较：方案一电路简单，只需一个优先编码器和一些外围元件，方案二采用门电路芯片，电路相对也简单，但由于在4S保持电路上使用了一个非门，芯片上还剩下几个与非门，因此为了利用剩余的门电路于是采用方案二。1.2.2.34S保持电路方案一：用一个电阻和电容组成充放电路，一个三极管起反相作用。8/24方案二：用一个555设计成单稳触发器，在555输出端接一个与非门实现非门功能，从而当555处于咱稳态时与非门输出低电平使计数器暂停计数。方案论证与比较：方案一优点是电路简单，成本低，缺点是由于要界定三极管导通的准确电压，因此时间不易精确计算。方案二理论上可以计算出比较精确的时间，成本稍高但也简单易于实现，因此采用方案二。9/24第二部分单元电路设计2.1单元电路及其工作原理或功能说明2.1.1时钟脉冲电路2.1.1.1电路工作原理电路利用NE555和外接电阻电容组成多谐振荡器，产生周期为1s的矩形脉冲。外接电容两端电压会在1/3Vcc和2/3Vcc之间不断变化，由此每经过一个周期就能输出一个矩形脉冲。只要选择合适的电阻以及电容就可以使得矩形脉冲波形的周期是1s。2.1.1.2器件说明10/24NE555芯片管脚图：NE555的功能表：2.1.24S保持电路2.1.2.1电路工作原理输入输出DR11V12VOVDT状态0※※低导通1＞2/3Vcc＞1/3Vcc低导通1＜2/3Vcc＞1/3Vcc不变不变1＜2/3Vcc＜1/3Vcc高截至1＞2/3Vcc＜1/3Vcc高截至11/24对输出电压和数码管显示的任意增益保持4秒，用NE555构成单稳态触发器来对计数器进行保持。单稳态触发器有如下几个特点：1.单稳态触发器有稳态和暂稳态两个不同的工作状态；2.在外界触发脉冲作用下，能从稳态翻转到暂稳态，在暂稳态维持一段时间以后，再自动返回稳态；3暂稳态维持时间的长短取决于电路本身的参数，与触发脉冲的宽度和幅度无关。由于单稳态触发器有以上几个特点，所以用它来实现选择任一档位保持4秒后，再回到原来的档位循环之中。2.1.2.2器件说明器件说明与2.1.1.2相同2.1.3计数电路2.1.3.1电路工作原理74LS161计数器对由NE555构成的多谐振荡器所产生的时钟进行计数，其输出为四位二进制12/24数。因为一共有4个电压档次，所以我们只需用到输出的后两位按照00，01，10，11循环，并用0、1、2、3显示。71LS161还具有计数保持功能，当555保持电路输出4S低电平到计数器保持控制端时，计数器输出端会保持四秒不变。由于保持信号低电平有效，所以在输入保持信号时要与一个74LS00的与非门连接。将产生的4s高电平信号转换为低电平信号。2.1.3.2器件说明芯片管脚图：74LS161功能表：CPDRDLEPET工作状态0置零┎┐10预置数1101保持110保持（但C=0）┎┐1110计数2.1.4逻辑门电路13/242.1.4.1电路工作原理门电路只要有两部分功能，其中一部分用来检测按键状态，当有按键按下时门电路最终输出高电平到NE555的触发端使其输出4S的高电平脉冲，再经与非门反相后输出到计数器保持端使计数器暂停计数。另外一部分门电路用来检测不同按键的接通从而输出对应的两位二进制数到计数器的预置数端并使能计数器的预置数功能，最终计数器输出对应二进制数值使电压输出为对应值同时数码管显示对应的数字。2.1.4.2器件说明芯片管脚图：（74LS00）（74LS08）芯片功能表：14/2474LS00真值表：74LS08真值表：A＝1B=1Y=0A＝1B=1Y=1A＝0B=1Y=1A＝0B=1Y=0A＝1B=0Y=1A＝1B=0Y=0A＝0B=0Y=1A＝0B=0Y=02.1.5功率输出电路2.1.5.1电路工作原理计数器输出两位二进制数到模拟开关CD4052的选择端，当计数器输出为00，01，10，11时，模拟开关的X端分别接通X0，X1，X2和X3，X端接至VCC，X0，X1，X2和X3接至NPN管的基极，当模拟开关接通某一端时，对应三极管导通从而对应电阻通过三极管接至GND。每一通过的电阻值不相同，从而可以实现四个档位电压的输出。2.1.5.2器件说明CD4052管脚与功能：15/24LM317器件与功能：16/24LM317调整端与输出端固定电压为1，25V，只要在两端接一定值电阻就能产生恒定电流，在调整端与地之间接上电阻就可以产生一定电压从而改变输出端到地的电压，通过模拟开关选择不同的电阻就能输出不同电压。2.1.6显示电路2.1.6.1电路工作原理17/24CD4511是七段数码管专用译码芯片，将其abcdefg端口和数码管对应的端口相连接就能实现译码显示功能。在本电路中将其BA端与计数器输出相连，当计数器最低两位输出为00，01，10，11时数码管显示0，1，2，3.从而与输出电压5V，9V，12V，15V对应。2.1.6.2器件说明CD4511器件管脚与功能：18/242.2电路元件的选取与计算2.2.1时钟脉冲电路由于时钟频率为1HZ,所以电容充电时间T1=(R1+R2)C1ln2放电时间T2=R2C1ln2故电路的周期为：T=T1+T2=(R1+2R2)C1ln2=1s,通过计算的选择合适的占空比以及T=1S可以计算出R1=R2=22KΩ;C1=22μF19/242.2.2保持电路对于555组成的单稳态触发器，因为要求单稳态电路产生保持时间为4s,所以T=R3C2ln3=1.1R3C2=4S,取C2=100uf计算得到R3=36K.2.2.3逻辑门电路门电路中用到按键检测，由于未按下时门电路输入为高电平，因此按键处需要用到上拉电阻，此处上拉用4个3.6K电阻。2.2.4功率输出电路根据LM317的器件特性,调整端与输出端电阻上的电流在5mA到15mA之间比较好,这里取R8=100,则其电流为I=1.25/100=12.5mA.因此Uo=RxRR8825.1由以上公式,各输出电压对应的Rx阻值如下:Uo=5V时,RW1=300;Uo=9V时,RW2=620;Uo=12V时,RW3=860;Uo=15V时,RW4=1100;考虑到电阻的实际误差，所以此本设计中RW1、RW2和RW3都用1K的多圈电位器代替，RW4则由一个220与一个1K的多圈电位器串联组成。2.2.5显示电路显示电路中单个数码管通过的最大电流一般设为几十个