数字显示可调直流稳压电源
第一章 设计任务
数字显示可调直流稳压电源 制作一个带数字显示的可调的直流稳压电源，可采用线性稳压电源或者开关电源的形式。 要求：1. 电源用220v交流电供电。 2．直流输出范围9v到12v。 3. 输出电流至少能达到500mA。 4. 输出电压波纹小于50mv。 5. 输出电压的大小可以通过数码管显示，显示结果精确到小数点后1位（即百分位可以不准），显示结果与实际输出电压误差不超过5%（以万用表测量为准）
第二章 设计步骤 1．电路图设计 （1）确定目标：设计整个系统是由那些模块组成，各个模块之间的信号传输，并画出直流稳压电源方框图。 （2）系统分析：根据系统功能，选择各模块所用电路形式。 （3）参数选择：根据系统指标的要求，确定各模块电路中元件的参数。 （4）总电路图：连接各模块电路。 2．电路安装、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。
第三章 方案论证与比较 3．1 稳压电源的分类 稳压电源的分类方法繁多，按输出电源的类型分有直流稳压电源和交流稳压电源；按稳压电路与负载的连接方式分有串联稳压电源和并联稳压电源；按调整管的工作状态分有线性稳压电源和开关稳压电源；按电路类型分有简单稳压电源和反馈型稳压电源，等等。如此繁多的分类方式会让我们摸不着头脑，不知道从哪里入手。我们必须弄清楚各个类别的特点，才能从中选出最佳方案。
3．2．1 稳压电源部分方案 方案一：简单的并联型稳压电源； 并联型稳压电源的调整元件与负载并联，因而具有极低的输出电阻，动态特性好，电路简单，并具有自动保护功能；负载短路时调整管截止，可靠性高，但效率低，尤其是在小电流时调整管需承受很大的电流，损耗过大。 方案二：输出可调的开关电源； 开关电源的功能元件工作在开关状态，因而效率高，输出功率大；且容易实现短路保护与过流保护，但是电路比较复杂，设计繁琐，在低输出电压时开关频率低，纹波大，稳定度差，因而也不能采用此方案．
方案三：串联型稳压电源 并联稳压电源有效率低、输出电压调节范围小和稳定度不高这三个缺点。而串联稳压电源正好可以避免这些缺点，所以现在广泛使用的一般都是串联稳压电源。而简易串联稳压电源输出电压受稳压管稳压值得限制无法调节，必须对简易稳压电源进行改进，增加一级放大电路，专门负责将输出电压的变化量放大后控制调整管的工作。由于整个控制过程是一个负反馈过程，所以这样的稳压电源叫串联负反馈稳压电源。
综合考虑效率，输出功率，输入输出电压，负载调整率，纹波系数，本设计选用方案三，要求较低，因而较易实现.对于效率和纹波的要求可以通过仔细调整磁性元件的参数(L，Q，M等)使其工作在最佳状态，所以我们在选择方案的时候考虑到电路要简单，元件要容易找，还有在电路设计的时候避免遇到某些不必要的问题，所以我们选择了上述的方案中的第三个方案;第三个方案就能够达到我们的要求，所以方案三我们采用了。
稳压电路部分可以采用三极管等分立元件来实现，也可以采用集成三端集成稳压芯片。 从性价比来说，采用三端集成稳压芯片来实现要好很多，现在的稳压芯片功能强大，且价格低廉，很适合我们此次的设计。
3．2．2 三端集成稳压芯片 方案一: 采用7805三端稳压器电源; 固定式三端稳压电源(7805)是由输出脚Vo，输入脚Vi和接地脚GND组成，它的稳压值为+5V，它属于CW78xx系列的稳压器，输入端接电容可以进一步的滤波，输出端也要接电容可以改善负载的瞬间影响，此电路的稳定性也比较好，只是采用的电容必须要漏电流要小的钽电容，如果采用电解电容，则电容量要比其它的数值要增加10倍，但是它不可以调整输出的直流电源;所以此方案不易采用.
方案二:采用LM317可调式三端稳压器电源; LM317可调式三端稳压器电源能够连续输出可调的直流电压. 不过它只能连续可调的正电压，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度都比上一个三端稳压电源要好，所以此此方案可选，此电源就选用了LM317三端稳压电源，也就是方案二 LM317其特性参数： 输出电压可调范围：1.2V～37V 输出负载电流：1.5A 输入与输出工作压差ΔU=Ui-Uo：3～40V 能满足设计要求,故选用LM317组成稳压电路。
3．2．3数字显示部分 方案一：用AT89C2051实现模数转换 利用单片机的软硬件资源实现高精度高速A/D转换，转换精度和转换速度还可以通过软件来改变，价格也低廉。不过对软件部分要求较高，比较难实现。 方案二：采用三位半A/D转换器ICL7107 ICL7107是高性能，低功耗的三位半A/D转换器，它含有七段译码器，显示驱动，参考源和时钟系统，它将高性能和低成本结合在一起。由于内部集成了驱动电路，因此外围电路十分简单，可以很容易实现本次设计中的电压数字显示功能。虽然精度相对方案一要差，不过对于本次设计的要求已经足够了，所以数字显示部分采用方案二。
第四章 可调节直流稳压电源
4．1．1 直流稳压电源的组成 直流稳压电源由变压器、整流电路、滤波电路和稳压电路四部分构成。
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各个部分的功能： （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。
4．1．2 整流电路 整流电路有单相半波、全波、桥式和倍压整流；三相半波、三相桥式全波整流等多种电路。 以下主要介绍小功率电源中常用的单相桥式。为分析简单起见，我们把二极管当作理想元件处理，即二极管的正向导通电阻为零，反向电阻为无穷大。
在u2的正半周内，二极管D1、D2导通，D3、D4截止；u2的负半周内，D3、D4导通，D1、D2截止。正负半周内部都有电流流过的负载电阻RL，且方向是一致的。电路的输出波形如图3所示。
单相桥式整流电路输出电压平均值
单相桥式全波整流电路中二极管的平均电流和输出电流：
单相桥式全波整流电路二极管上承受的最高反向电压：
4． 1．3 滤波电路 一、电路的组成 交流电压经整流电路整流后输出的是脉动直流，其中既有直流成分又有交流成份。滤波电路就是利用储能元件电容两端的电压(或通过电感中的电流)不能突变的特性, 将电容与负载RL并联(或将电感与负载RL串联)，滤掉整流电路输出电压中的交流成份，保留其直流成份，达到平滑输出电压波形的目的。这一过程称为滤波。 单相桥式整流电容滤波电路：
全波整流滤波电路（C=100UF）波形图 全波整流滤波电路（C=470UF）波形图
全波整流滤波电路（C=1000UF）波形图 全波整流滤波电路（C=3300UF）波形图
全波整流滤波电路（C=6800UF）波形图 二、电容滤波电路的特点 (1) 输出电压U0与时间常数RLC有关 RLC愈大?电容器放电愈慢?U0(平均值)愈大。
近似估算: U0=1.2U2 (2) 流过二极管瞬时电流很大 RLC越大?U0越高,负载电流的平均值越大?整流管导电时间越短?iD的峰值电流越大。
通过以上全波整流电容滤波电路的波形图和分析可以看出： （1）并联电容滤波后，输出电压直流成份（即输出电压平均值）提高了；脉动成份降低了（即输出波形平滑）。 （2）电容放电时间常数RLC愈大，放电愈慢，输出电压愈高，脉动愈小，滤波效果愈好。 （3）输出电压随输出电流（负载电流）增大而下降较快，输出特性较软。 （4）滤波电容愈大，滤波效果愈好，但整流二极管的导通时间愈短，其中的电流冲击也愈大。 电容滤波电路适用于输出电压较高,负载电流较小且负载变动不大的场合。
4． 1．4 稳压电路 随着半导体工艺的发展,现在已生产并广泛应用的单片集成稳压电源，具有体积小,可靠性高,使用灵活,价格低廉等优点。最简单的集成稳压电源只有输入，输出和公共引出端,故称之为三端集成稳压器。 根据设计所要求的性能指标，选择集成三端稳压器。 因为要求输出电压可调，所以选择三端可调式集成稳压器。可调式集成稳压器，常见主要有CW317、CW337、LM317、LM337。317系列稳压器输出连续可调的正电压，337系列稳压器输出连可调的负电压，可调范围为1.2V~37V，最大输出电流
图4 管脚图 图5典型电路 LM317作为输出电压可变的集成三端稳压块,是一种使用方便、应用广泛的集成稳压块。317系列稳压块的型号很多:例如LM317HVH、W317L等。电子爱好者经常用317稳压块制作输出电压可变的稳压电源(其电路的基本形式如下图所示)。 稳压电源的输出电压可用下式计算： Vo=1.25(1+R2/R1) 仅仅从公式本身看,R1、R2的电阻值可以随意设定。 然而R1和R2的阻值是不能随意设定的。首先317稳压块的输出电压变化范围是Vo=1.25V—37V(高输出电压的317稳压块如LM317HVA、LM317HVK等,其输出电压变化范围是Vo=1.25V—45V),所以R2/R1的比值范围只能是0—28.6。其次是317稳压块都有一个最小稳定工作电流,有的资料称为最小输出电流,也有的资料称为最小泄放电流。最小稳定工作电流的值一般为1.5mA。由于317稳压块的生产厂家不同、型号不同,其最小稳定工作电流也不相同,但一般不大于5mA。当317稳压块的输出电流小于其最小稳定工作电流时,317稳压块就不能正常工作。当317稳压块的输出电流大于其最小稳定工作电流时,317稳压块就可以输出稳定的直流电压。如果用317稳压块制作稳压电源时(如图所示),没有注意317稳压块的最小稳定工作电流,那么你制作的稳压电源可能会出现下述不正常现象:稳压电源输出的有载电压和空载电压差别较大。 要解决317稳压块最小稳定工作电流的问题,可以通过设定R1和R2阻值的大小,而使317稳压块空载时输出的电流大于或等于其最小稳定工作电流,从而保证317稳压块在空载时能够稳定地工作。此时,只要保证Vo/(R1+R2)≥1.5mA,就可以保证317稳压块在空载时能够稳定地工作。上式中的1.5mA为317稳压块的最小稳定工作电流。当然,只要能保证317稳压块在空载时能够稳定地工作,Vo/(R1+R2)的值也可以设定为大于1.5mA的任意值。 经计算可知R1的最大取值为R1≈0.83KΩ。又因为R2/R1的最大值为28.6。所以R2的最大取值为R2≈23.74KΩ。在使用317稳压块的输出电压计算公式计算其输出电压时,必须保证R1≥0.83KΩ,R2≤23.74KΩ两个不等式同时成立,才能保证317稳压块在空载时能够稳定地工作。当然在317稳压块的输出端并联泄流电阻R(如图所示),也可以为317稳压块提供最小稳定工作电流。但是,由于并联的泄流电阻不能随输出电压的变化而变化,如果要保证317稳压块在输出电压为1.25V时,其输出电流大于其最小稳定工作电流,则在317稳压块的输出电压为37V时,流过泄流电阻的电流就太大了,这样不仅浪费了电能,而且增加了317稳压块的负担,不是一种妥当的办法。 结论： 1．317稳压块的输出电压变化范围是Vo=1.25V—37V，故R2/R1的比值范围只能是0—28.6。 2．317最小稳定工作电流的值一般为1.5mA，需要保证Vo/(R1+R2)≥1.5mA，经计算可知R1的最大取值为R1≈0.83KΩ，电阻R1常取值
4． 2 参数计算 （1）选择电源变压器 1）确定副边电压U2: 根据性能指标要求：Uomin=9V Uomax=12V 又 ∵ Ui-Uomax≥(Ui-Uo)min Ui-Uoin≤(Ui-Uo)max 其中：（Ui-Uo）min=3V， (Ui-Uo)max=40V（LM317输入与输出工作压差ΔU=Ui-Uo：3～40） ∴ 15V≤Ui≤49V 此范围中可任选 ：Ui=17V=Uo1 根据 Uo1=(1.1～1.2)U2 可得变压的副边电压： 2）确定变压器副边电流I2 ∵ Io1=Io 又副边电流I2=(1.5～2)IO1 取IO=IOmax=500mA 则I2=1.5＊0.5A=0.75A 3）选择变压器的功率 变压器的输出功率：Po>I2U2=11.3W （2）选择整流电路中的二极管 ∵ 变压器的副边电压U2=15V ∴ 桥式整流电路中的二极管承受的最高反向电压为： 桥式整流电路中二极管承受的最高平均电流为： 查手册选整流二极管IN4001，其参数为：反向击穿电压UBR=50V>21V 最大整流电流IF=1A>0.25A （3）滤波电路中滤波电容的选择 根据输出电流大小选择滤波电容C的参数。 输出电压为12V，最大输出电流为1A，则1A输出电流对应的负载电阻 根据 C1= 在这种情况下，滤波输出电压uo=1.2ui(有效值)。 电路中滤波电容承受的最高电压为
4．3 可调节直流稳压电源原理图
D1和D2作用是：当输出短路时，C13上的电压D2泄放掉，从而达到反偏保护的目的。 此外，当输入短路时，C14等元件上储存的电压会通过D1泄放掉，用于防止内部内部调整管反偏。 C13用以提高LM317的纹波抑制能力。C14用以改善IC的瞬态响应。C11和C12用于输入整流滤波。还有LM317回因温度升高而截止，必须加散热片。
4．4 元件的选择 由上面的参数计算可知， 我们选择输出电压U2为15V，功率34W的变压器 整流整流电路中的二极管选用IN4001，耐压50V，电流1A。 也可由四个整流二极管组成，也可直接用集成的整流桥块代替。 C11选用电解电容2200UF，C12选用陶瓷电容0。1UF，C13选用电解电容4。7UF， C14选用电解电容100UF，C15选用0。1UF DI和D2的二极管选用IN4001 R14选用120Ω金属膜电阻，R12和R11选用1KΩ多圈可调精密电位器，R13选用1KΩ粗调电位器。 注意： 因为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，所以稳压器的输入、输出端常 并入瓷介质小容量电容用来抵消电感效应，抑制高频干扰。
第五章 ±5V直流稳压电源（7107工作电源） 5.1 原理简叙 原理与上述可调节直流稳压电源大同小异，我们依然采用三端集成稳压器。 方案一、采用7805输出正5V，7905输出负5V来实现。
方案二、采用7805输出正5V，并将其输入电压反转器7660，从而输出负5V。
5.2 ±5V直流稳压电源原理电路图 方案一：
方案二：
两个方案均可以实现要求，但是为了让电路的元件在焊接的时候更加紧凑，减少焊接的元件数目，而且从成本上考虑，我们采用方案二。由于这里的5V电源是作为数字电压表的工作电源，由于该部分电量较大（约100mA），并有测量精度的要求，所以必须保证稳压芯片有足够的散热面积，确保长期可靠工作。
5.3 元件的选择 C11选用电解电容2200UF，C12选用陶瓷电容0。1UF， C14选用电解电容100UF，C15选用0。1UF 二极管D1选用IN4001 C21和C22选用电解电容10UF
第六章 数字电压表 6.1 三位半LED显示A/D转换器ICL7107 本次设计的数字电压表部分采用最常见的数字集成电路ICL7107，它不仅外围简单，测量精度高，价格也非常便宜，约8元一片。它包含一个三位半的A/D转换器，可直接驱动LED数码管，内部还包含参考电压，时钟系统，独立模拟开关，逻辑控制，显示驱动，自动调零等功能。 6.2 ICL7107外围电路图
6.3 相关参数的计算 系统时钟由IC的38、39、40脚决定。内部振荡频率为48Hz，显示每秒刷新3次。 振荡器频率 fosc = 0.45/RC Cosc > 50pF Rosc > 50KΩ fosc = 48K Hz (典型值) 振荡周期 Tosc = RC/0.45 所以，38脚的C4取100pF，39脚的R5取100KΩ。
积分电路由IC的27、28脚决定。 积分时钟频率 Fclock = Fosc / 4 积分周期 Tint = 1000 ×(4/Fosc) = 1000 ×(4/48K) = 83.3ms 满量程模拟输入电压 Vinfs = 200mV (典型值) 最佳积分电流Iint = 4uA 积分电压 Vint = 2V 积分电阻 Rint = Vinfs / Iint = 200 mV/ 4uA = 50KΩ 积分电容 Cint = (Tint)(Iint) / Vint = 83.3ms × 4uA / 2 = 0.166 uF 所以，27脚C3取0.22uF， 28的R4取47KΩ。 C2用于防止系统噪音的影响以及过载输入时电路的恢复，29脚的C2取0.47uF。 参考电容 0.1uF < Cref <1uF C1为参考电容，我们取0.1Uf。
电阻R2用于调整参考电压，参考电源为0~200mV可调。R3用于电压校准。参考电压与输入电压的关系为： Vin = 2×Vref 如果要求电压表的量程0~199.9mV，参考电压应设置为100mV。 如果需要需要测量的电压大于200mV，就要通过分压电路来实现。 由于我们电源的指标是9~12V，所以要求电压表的量程为0~20V。 下面以20V来进行分压电阻（Rx）的计算，这里我们设定R4形成的参考电压为100mV，R2为1KΩ，落在R2上的电压降为2×100mV = 0.2V，Rx计算如下： Rx = U/I = （20-0.2）/（0.2/1） = 99 （KΩ） 为了方便电阻选择，选用100 KΩ电阻，其误差可通过调整R2来弥补。
6.4 元件的选择 制作时，显示用的数码管为共阳型，2 KΩ可调电阻最好选用多圈可调精密电阻，分压电阻选用误差较小的金属膜电阻，其他器件选用正品即可。 R1选用100KΩ的金属膜电阻，R2选用2KΩ的多圈可调精密电阻，R3选用24KΩ的金属膜电阻，R4选用1KΩ的多圈可调精密电阻，R5选用47KΩ的金属膜电阻，R6选用100KΩ的金属膜电阻。 C1选用0.22uF的CCB电容，C2选用0.47uF的CCB电容，C3选用0.1uF的陶瓷电容， C4选用100 pF的CCB电容。
第七章 电路的调试与测试 7.1 9~12V范围的校准
LM317的输出电压可用下式计算： Vo=1.25(1+R2/R1) 当Vo = 9V时，R1=120Ω R2 = (9/1.25 － 1)×120 = 744Ω 当Vo = 12V时，R1=120Ω R2 = (12/1.25 － 1)×120 = 1032Ω
由于以上计算所得的阻值，如果采用R2由 一个电阻和一个电位器串联，则需要750Ω 的电阻和一个300Ω的电位器，可是范围却不是很精确。 如今，有一个方案可以得到精确的范围，那就是用三个电位器，详见上图。 R14为120Ω的金属膜电阻， R12和R11选用1KΩ多圈可调精密电位器，R13选用1KΩ粗调电位器。 先将R13粗调电位器调至最小值，即R12被短路，然后调节R11，使输出为9V。保持R11不变，将R13粗调电位器调至最大值，然后调节R12，使输出为12V。经过以上的校准后，便可以得到精确的9~12V的电压范围。通过粗调电位R13便可在9~12V之间连续取值。
7.2 ICL7107的校准 首先，先校准参考电压，用万用表测IC的35和36之间的电压，是否为100mV，如不是，则需要调节电位器R4使两端电压为100mV。 然后，用万用表测电源的输出，如9.50V，然后通过调节电位器R2，使LED上的数值与万用表上的一致。这样，校准工作就算完成了。 经过校准后，ICL7107和万用表的绝对误差只有0.01V，优于指标。 7.3 直流稳压电源的测试 1．测量稳压系数。 用改变输入交流电压的方法，模拟Ui的变化，测出对应的输出直流电压的变化，则可算出稳压系数SV.（注意：用调压器使220V交流改变±10％。即ΔUi=44V） 经过测试，电源的稳压系数SV≤0.003。 2．纹波系数的测试 纹波就是一个直流电压中的交流成分。直流电压本来应该是一个固定的值， 但是很多时候它是通过交流电压整流、滤波后得来的，由于滤波不干净，就会有剩余的交流成分，即便如此，就是用电池供电也因负载的波动而产生波纹。如下图：
用毫伏表可测量输出直流电压中的交流纹波电压大小，也可用示波器观察。 经过测试，纹波系数小于10mV,优于指标。 3．负载能力的测试
以上是测试的电路图： 一、将变阻器的阻值调至100Ω，使电源的输出为9~12V，0.5V为步进。测出电流。
二、将使电源的输出为9V，改变变阻器的阻值，20Ω为步进，测出电流。
三、将使电源的输出为12V，改变变阻器的阻值，20Ω为步进，测出电流。
第八章 心得体会与总结 在此次数字显示可调直流稳压电源的设计中，充分的体现出大学的知识是综合性的，是一个培养学生独立思考能力灵活运用个方面知识的具有挑战性的课题。刚开始的时候会感觉老师给的这个课题有点难，但人生不就是一个不断克服困难的过程么？在此次课程设计的过程中，我发现了自己的很多不足之处，比如说Protel学的不是很精只会一些皮毛而已，以及对书本上的知识掌握的不是很好。但是，我今后一定会把自己的不足之处给改正过来的。 刚开始会遇到很多挫折，并不是说按照原理图焊接出来，就直接可以正常使用，在这几日里，我经历了阶段性成功的狂喜，测试失败后的沮丧，陷入困境的急噪，重新投入的振作，这样的心路历程是非常宝贵的体会，正是有了大家的鼎立合作终于成功了。同学们在设计的过程中互相帮助让我深刻的体会出团结就是力量的含义。 让我印象最深刻的就是，在校准7107的时候，我发现电路居然只能校准一端，如校准了9V，调到12V就不准了，很郁闷，调试了一天，查电路图，理论完全没问题，虚焊和短路等问题都查过了，仍然查不出是什么问题。最后，很偶然的机会下，我把积分电路的电容由电解电容改用CCB，电路就正常了，精准了。我现在才明白，单有理论还不够的，照着书做是不够的，我们更需要的是实践能力和经验。 除此之外，我还学会了焊接电路板，掌握了书本以外的电子电路方面的知识，尤其是在制作PCB板的时候受益扉浅，制板的过成中遇到另外种种问题，感谢实验室各位老师提供的元器件、工具和帮助，同时也感谢电信系给我提供的实验条件，希望以后还有更多的机会进行有价值的实验和实践。。在此诚挚的对老师们说一声：谢谢！！！
附录一 整机电路原理图
附录二 电路PCB图：
实物图：
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单相桥式整流电路：
在桥式整流电路中，每个二极管都只在半个周期内导电，所以流过每个二极管的平均电流等于输出电流的平均值的一半，即 。电路中的每只二极管承受的最大反向电压为
(U2是变压器副边电压有效值)。
