1、简易直流稳压电源 简易直流稳压电源 .（吉首大学物理与机电工程学院，湖南 吉首 416000）摘 要本文设计的是量程为12V且在012V可调的直流稳压电源，其最大输出电流为500mA，并具有数字显示电压功能。并且利用A/D转化，将输出的连续电压信号变为离散的数字信号实现输出电压的控制。另外核心部分为：采用数字电路实现输出电压的控制，通过加减键实现加计数或减计数。同时通过计数器和译码-驱动器，最终将电压值显示到数码管组上。该稳压电源具有性能稳定、结构简单、电压、电流指标精度高、调节方便等优点。关键词：整流，稳压，数控，可调；Simple DC Power Supply. (College of
2、Physics Science and Electrical Engineering,Jishou University,Jishou,Hunan 416000)AbstractThis article is designed to scale for the 12V and adjustable at 0 12V DC power supply, the maximum output current of 500mA, and has a digital display voltage function. And use A / D conversion, the output voltag
3、e signal into a discrete continuous digital signal to control the output voltage. In addition to the core: a digital circuit output voltage control, achieved through the addition and subtraction key count plus or minus count. At the same time through the counter and decoding - the drive will eventua
4、lly be displayed on the digital voltage value on the group. The regulated power supply with stable performance、structure is simple、 voltage、 current indicators of accuracy、easy adjustment. Key words：rectifier, regulator, NC, adjustable.目 录 摘 要 I关 键 词 IAbstract IIKey words II.引 言 1第一章 设计要求与整体设计方案2.1设
5、计思路 5 2.2总体方案论证与选择 8 .第二章 单元方案的选择与论证3.1整流电路模块 53.2滤波电路模块 5.第三章 系统的硬件设计与实现4.1连续可调直流稳压电路 54.2 A/D转化电路 84.3数字显示电路 8 .第四章 multisim的仿真与调试 32.参考文献 32.附录一 元器件明细表32 引言电源技术尤其是数控电源技术是一门实践性很强的技术，服务于各行各业。数字式稳压电源与传统稳压电源电路相比，具有操作方便、电压稳定度高的特点。目前，数字式直流稳压电源是电子技术常用的设备之一，广泛应用于我们生活、工作、科研、各个领域。 本文将介绍一种数字式直流稳压电源，要求输出电压量程
6、12V，0V+12V连续可调；输出电压可数字显示，显示精度优于0.1%；输出电流400mA。其中，发挥部分为：电压调节方式为：以0.1V为步进加或减；通过按键对可调电压输出一路进行预置数，0V12V的任意一整数电压值可作为预置数。 作为第一次课程设计，整个资料搜集与工作过程有待提高。第一步用一天时间重点温习模电课本中稳压电源部分，对直流稳压电压的原理，结构框图，变压、整流滤波、稳压三大部分有了初步了解。第二步结合任务书的基本要求，用两天时间查找搜集相关书籍与网络资料，在茫茫书海中找到核心资料，先确定总体方案为数控方式，再模块方案选择与论证，确立变压、单相桥式整流电容滤波、两路稳压输出、数控与数
7、显的设计结构。画出整个电路草图。第三步，学习multisim软件的电路原理图画法与电路仿真。在该软件的学习与使用的过程中遇到一些大大小小的问题。比如安装程序，熟悉各种工具的使用，元器件的查找，仿真起初难以出结果等等。原理图和仿真完成后，第三步则撰写报告。整个课程设计过程，不仅使我们更扎实的学习电子技术课程、学会仿真软件multisin；而且将理论知识与实践相结合，一定程度的锻炼了我们的动手和电子设计能力，资料搜集能力，也达到了一种将知识活学活用的目的。第一章 设计要求与整体设计方案1.1主要技术指标与要求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
8、；4. 输出电压在012V之间连续可调；1.2整体方案设计1.2.1 设计思路直流稳压电源一般由电源变压器、整流滤波电路、稳压电路组成，其基本原理框图如图1所示。（1）首先选用合适的电源变压器将电网电压降到所需要的交流电源；（2）降压后的交流电压，通过整流电路整流变成单项脉动直流电压。直流脉动电压经过滤波电路变成平滑的、脉动小的直流电压，即滤除交流成分，保留直流成分，滤波电路一般有电容组成，其作用是把脉动直流电压中的大部分纹波加以滤除，以得到较平滑的直流电压；（3）稳压电路：稳压电路的作用适当外界因素（电网电压、负载、环境温度）发生变化时，能是输出直流电压不受影响而维持稳定的输出。图1.0直流
9、稳压电源基本原理框图 1.2.2 总体方案论证与选择 该系统总体方案设计主要在可调电压输出部分，其要求是输出电压从0V开始连续可调。因此，以下主要对三种方案进行论证与选择。 方案1：晶体管串联式直流稳压电路。交流电压经整流滤波后,得到平滑的直流电压,作为稳压电路的输入电源从UI输入。同时运用了比较放大电路,它的核心是调整管,输出电压的稳定是管的压降相应改变,使输出电压保持稳定。 方案2：采用三端可调集成稳压器电路。它采用输出电压可调且内部有过载保护的三端集成稳压器，输出电压调整范围宽，此稳压器的基准电压是1.25V，而要求电压从0V起连续可调，因此需要设计电压补偿电路才可实现输出。 方案3：此
10、方案的控制部分采用单片机，输出部分不再采用调整管或稳压方式，二十载D/A转换之后，经过问低昂的功率放大得到输出电压。采用单片机编程，一定程度上增加了系统的灵活性。该电源稳定性好、精度高，且能够输出可调的直流电压，其性能由于传统的可调直流稳压电源，此方案框图如图2.0所示。方案框图2.0 分析：方案二虽然有三端集成稳压器，但是需要引入一个直流源来抵消其基准电压；方案三电路比较复杂，成本较高，适用于要求较高的场合。在实际中，多为对电路要求不太高的情况，故采用第一种设计方案。第2章 单元电路的方案选择与论证2.1 整流电路模块 该模块主要利用二极管的单向导电性组成整流电路，将交流电压变换为单方向脉动
11、电压。实现方法主要有以下三种。方案一：单相半波整流电路（a）电路图（b）波形图图2.1单相半波整流电路 在变压器次级电压u2为正的半个周期内（如图2.1（a）中所示上正下负），二极管导通，在RL上得到一个极性为上正下负的电压；而在u2为负的半个周期内，二极管反向偏置，电流基本上等于0。所以在负载上的电压的极性是单方向的（如图2.1（b）所示）。正半周内Uo=U2，Ud=0；负半周内Uo=0。Ud=U2。由此可见，由于二极管的单向导电作用，把变压器次级的交流电压变换为单向脉动电压，达到了整流的目的。其优点是结构简单，使用的元件少，但也有明显的缺点：输出电压脉动大，直流成分比较低；变压器有半个周期
12、不导电，利用率低；变压器含有直流部分，容易饱和。只能用于输出功率较小，负载要求不高的场合。方案二：单相全波整流 (a) 电路图（b）波形图图2.2全波整流电路 全波是利用具有中心抽头的变压器与两个二极管配合，使两个二极管在正、负半周轮流导电，而且二者流过RL的电流保持同一方向，从而使正、负半周在负载上均有输出电压。电路如图2.2（a）所示。正半周内D1导通，D2截止，在负载RL上得到的电压极性为上正下负；负半周内，D1截止，D2导通，在负载上得到的电压仍为上正下负，与正半周相同。全波整流波形如图2.2（b）。全波整流的输出电压时半波整流的两倍，输出波形的脉动成分比半波整流时有所下降。全波整流电
13、路在负半周时二极管承受的反向电压较高，其最大值等于，且电路中每个线圈只有一半时间通过电流，所以变压器利用率不高。方案三：单相桥式整流单相桥式整流电路如图2.3（a）。由图可见，U2正半周时D1、D4导通，D3、D2截止，在负载电阻RL上形成上正下负的脉动电压；而在U2负半周时，D2、D3导通，D1、D4截止，在RL上仍形成上正下负的脉动电压。如果忽略二极管内阻，有UoU2。桥式整流电路波形如图2.3（b）所示。正负半周均有电流流过负载，而且电路方向是一致的，因而输出电压的直流成分提高，脉动成分降低。单相桥式整流电路主要参数：输出直流电压,脉动系数S，二极管正向平均电流I,二极管最大反向峰值电压
14、U。桥式整流电路解决了单相整流电路存在的缺点，用一次级线圈的变压器，达到了全波整流的目的。因此选用方案三单相桥式整流。（a）电路图（b）波形图图2.3单相桥式整流电路2.2滤波电路模块 该模块实现降低输出电压的脉动成分，尽量保留直流成分的功能。利用电容和电感的滤波作用达到降低交流保留直流成分的目的。 方案一：电容滤波（a）电路图 （b） 滤波后输出的波形图2.4单相桥式整流电容滤波电路如图2.4所示为单相桥式整流电容滤波电路。利用电容的储能特性，使波形平滑，提高直流分量，减小输出波纹，其输出波形如图2.4（b）所示。电容滤波有以下特点：1 加入滤波电容后，输出电压的直流成分提高，脉动成分减小。
15、2 电容滤波放电时间常数（）越大，放电过程越慢，输出直流电压越高，纹波越小，效果越好。为了获得较好的滤波效果，一般选择电容值满足5) ，此时，输出电压的平均值。3 电容滤波电路的输出电压随输出电流的增大而减小，所以电容滤波适合于负载电流变化不大的场合。 方案二：电感滤波 单相桥式整流电感滤波电路如图5，利用电感不能突变的特性，使输出电流波形平滑，从而使输出电压波形也平滑，提高直流分量，减小输出纹波。电路（b）滤波后的输出波形 图2.5单相桥式整流电感电路 方案三：复式滤波 复式滤波电路由电阻和电容，电阻和电感或电感和电容组合成的滤波。几种常见的复式滤波电路如图2.6所示。 图2.6（a）所示为
16、型滤波电路，这种电路的缺点是在R上有压降，因而需要提高变压器次级电压；同时，整流管的冲击电流仍然较大，这种电路知识和小电流负载的场合。（b）所示为型滤波电路，这种滤波电路的优点是：简单经济，能兼起限制浪涌电流的作用，滤波效果较好。其缺点是带负载能力差，滤波电路有功率损耗。它适合负载电流小，纹波系数小的场合。（c）所示为倒L型滤波电路，整流后输出的脉动直流经过电感，交流成分被削弱，再经过C滤波后，可在负载上获得更加平滑的直流电压。这种滤波电路的优点是：滤波效果好，几乎没有直流损耗。其缺点是低频时电感体积大，成本高。(a) 型滤波 (b) 型滤波 (c) 倒L型滤波 图2.6常见复式滤波电路综合考
17、虑，由于在小功率电源中电容滤波最为常见，满足本设计要求，故选择方案一。第三章 系统的硬件设计与实现3.1连续可调电压部分具体设计 1.取样电路:它是检测输出电压Vo的变化,把Vo的全部或部分取出来和基准电压比较并放大后来控制调整管的调整作用,使输出电压稳定. 2.基准电压电路:为了检测取样电路取得的Vo值究竟是升高还是降低?升高了多少降低了多少?这就需要把Vo值与恒定的电压值比较,此恒定电压的作用是作为一种基准,也称基准电压.提供恒定电压的电路就是基准电压电路. 3.比较放大电路:有了Vo的取样电压和基准电压,把取样电压和基准电压相比较,由基准电压减去取样电压,所得的差值电压的大小反映越强.输
18、出电压Vo也就越稳定.电路的稳定系数和输出电阻就越小. 4.过载短路保护电路:串联调整型的稳压电源,调整管和负载是串联的,当负载电流过大或短路时,大的负载电流或短路电流全部流过调整管,此时负载端的压降小,几乎全部整流电压加在调整管的c极和e极之间,因此在过载或短路时,调整管Vce.Ie和允许功耗超过正常值,调整管在此情况下会很快烧坏,所以在过载或短路时应对调整管采取保护,保护电路设计时应保证当负载电流在额定值内,保护电路对电源不起作用,但过载或短路时,保护电路控制调整管使其截止,输出电流为零,对负载和电源均起保护作用. 综合以上因素，设计如下： 设计的主要内容是:根据性能指标要求选择元器件(变
19、压器集成稳压器.整流二极管及滤波电容)和对稳压电路作散热设计。如图1.0，是电通过220V/15V变压器，连接到稳压电源电路，由整流桥IBQ40整流、C1和R8平滑滤波，输出至电压调整管Q1的集电极。这个电路具有不同于其他电源的特点。电源的基准电压用一个固定增益的运算放大器U2跟一个可调电阻R6提供，它实现了电压可以从零可调，D1选用稳压值3.6V的稳压管。接通电源后运放U2的输出电压增加到使D1导通，通过R5稳定在3.6V附近，因为R3等于R1，所以U1的放大倍数为2，其输出电压是6.6V。U2的放大倍数约为2倍，根据公式A=（R2+R3）/R2，5.4V的基准电压大约能放大到超过12V，调
20、节电位器R6可实现它的输出电压能从012V可调。电路另一个特征就是用三极管的射极输出可以大幅增大输出电流。直流可调稳压电路图如下。 图3.1连续可调直流稳压电路当调节滑动变阻器的阻值，在输出端就可以得到0到12v连续的电压。至于题目要求的-12v到0范围的取值,只需要把万用表的正负极反接即可得到所要求的0到12V的任意电压。3.2A/D转化模块如图3.2。当连续可调的稳压电路产生一个电压后，由一个8位输出的A/D转化器转化成一个固定的8位二进制数，比较部分共由六片十进制计数芯片74LS160完成。同时由CP脉冲给两片74LS160计数，也得到一个八位的二进制数，两个数经过比较，如果相等则给右边
21、级联的四片74LS160置数。因为六片160由同一个CP脉冲触发，所以能够保证两者级联后的芯片计数相等。图3.2 A/D转化模块电路图3.3显示电路 显示电路主要用来产生电压控制码。输出电压的可调部分从012.00以0.1步径调节，至少需要121个状态。3.3.1 脉冲产生电路的设计 脉冲通过控制按键开关的开与闭实现高低电平的瞬间转换来产生。为了防止按钮开关过程中出现振铃现象，在加减计数按钮与计数器计数时钟脉冲端之间接入74LS14，可以消除振铃现象。如图3.3。图3.3脉冲产生电路3.3.2 计数器计数电路的设计计数器应选择十进制加减可逆，择74LS194。计数电路用四片74LS192十进制
22、计数器用进位方式级联而成，如图3.4所示。其中，最高位的那片74LS192用十进制计数器异步清零法，构成二进制计数器。这四片74LS192计数器输出的状态通过控制T型网络电阻的选用情况，来实现分别控制输出电压的百分位，十分位，个位，十位的值。计数方式：1，加计数时，当百分位计数器由9复位到0时，其发出一个负脉冲作为十分位计数器加计数的时钟信号，使十分位计数器加1计数。依此类推，十分位，个位，十位都由低位向高位进位。2，减计数时，则当某位减小至0时，向次高位借1。 图3.4计数器计数电路3.3.3 防止加减电路计数溢出电路的设计电路设置了对0V和11.9V的锁定，有以下两个原因。一是，使级联后的
23、计数器刚好产生121个状态。二是，出于电源安全供电要求，计数器不允许从0V到12.0V的跳变和从12.0V到0V的跳变。因此设置了锁定，即状态12.0只能减法记数，0只能加法计数，以确保安全。为了防止加减计数的溢出，需要设置防止加减计数溢出的电路。基本思路是一旦计数器输出出现1 0010 0000，应禁止继续加计数；同样出现0 0000 0000 ，应禁止继续减计数。电路图如图（b）是防止减计数溢出控制电路。当计数器的输出状态为0 0000 0000 时，防止减计数溢出的电路的全部输入为0 0000 0000 。经过反向器后，在二极管逻辑电路的二极管输入端为高电位，9个二极管全部关断。为了提高
24、输出驱动能力，降低对前级负载效应，二极管逻辑输出接晶体管射极跟随器。当跟随器输出高电位时，经过反向器转换为低电位送到减计数控制逻辑控制的“与非门”，封锁减计数控制逻辑控制的“与非门”，实现减计数溢出的防止。同理，图（a）是防止加计数溢出控制电路。当计数器的输出状态为1 0010 0000 时，继续按加计数控制开关，计数器的输出状态不改变。（a）（b） 图3.5加减溢出电路3.3.4 置数控制电路的设计 考虑到实用，能够尽快得到想要的电压值，因而设置了置数电路。如果没有置数电路，则想得到任何一个输出电压值必须从0V开始，以0.01V为步进向上加，这样很慢，不符合实用要求。置数电路由被置数控制电路
25、和置数开关组成。被置数控制电路用一片74LS192十进制计数器来计数输出端接在个位计数器的置数端。由此可实现被置数从0000到1001的变化。通过脉冲开关来实现被置数的确切数值。这里仅对个位计数器的进行置数，使个位能从0V 到9V变化。需要置数时，按一下置数开关，即可。个位计数器的置数端在不工作时接高电位，工作时接低电位，并将置数端的数置入，使计数器输出端的输出状态为被置数。原理图如下，图3.6。前面的加减开关以及74LS14是为了产生稳定的脉冲，使后面的计数器正常计数。 图3.6发挥部分电路3.4数显电路的设计数显电路采用数码管显示输出电压的大小，用74LS47，74LS248为段译码/驱动
26、器。其中，74LS47可用来驱动共阳极的发光二极管的显示器；而74LS248则用来驱动共阴极的发光二极管的显示器。74LS47为集成极开路输出，使用时要外接电阻；而74LS248的内部有升压电阻，可以直接与显示器相连接。本电路中选用的74LS248驱动器，显示器小数点接电源可常亮，CK端接地，如图3.7。图3.7单块数显电路因为显示电压范围是0V到12.00V，所以只需要个位的显示器小数点常亮，接高电位。其他接地。如下图3.8。 图3.8数显模块电路 第四章 电路的Multisim仿真与调试 Multisim 是EDA众多优秀软件中较为突出的软件之一，它可以完成电路原理图的输入，电路分析，仿真
27、等全套自动化工序。4.1可调直流稳压电源部分仿真结果如图所示：图4.1 稳压管两端的电压图4.2输出端电压为0V 说明：此时存在微小误差，但可以忽略不计。图4.3连续可调图4.4电压图4.2数字电路控制模块（1）加减键功能仿真 如图所示，采用“+”和“”两个按键，用来调节设定电压，可以以0.1V的步进增加或者减少。按下“+”或者“”，产生的脉冲输入到74LS192的CP+和CP端来控制74LS192的输出是加计数还是减计数。图4.5数字控制（2）置数电路和控制电路及计数电路及显示电路连在一起的仿真 通过置数电路较快的得到所需要的电压值，下图仅对个位实现了置数。通过加2，减2，和置数开关先对个位置一个数。然后可以通过拨动加1减1开关来使计数器计数，使电压以0.1V的步进加减。下图是对个位置了1V，然后按了1下加1数开关的结果：01.1V。（3）防溢出电路，显示电路，计数电路，控制电路连在一起的仿真
