双路可调数显直流稳压电源.docx

双路可调数显直流稳压电源.docx

《双路可调数显直流稳压电源.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《双路可调数显直流稳压电源.docx（21页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。

双路可调数显直流稳压电源

电子系统的应用领域越来越广泛，电子设备的种类也越来越多，很多电子设备只能使用特定大小的直流电压供电不能使用市电直接供电。

不管是日常生活、生产制造还是科研教学都离不开直流稳压电源，就目前来说直流稳压电源是无法被取代的。

对于不同的电子设备和不同的应用场合，电子设备所需要的电源种类和对电源的输入与输出的指标都有着不同的要求。

以三端集成稳压器为基础制成的直流稳压电源不仅可以输出稳定的固定直流电压，还可以输出稳定的可调直流电压，可调输出端配合基于ICL7107的电压显示电路即可直观地观测到可调输出端实时电压，显示电路配合稳压电路可以更好地调试出所需电压值，方便电源的使用。

第一章：

绪论

1.1直流稳压电源介绍

稳压电源（stabilizedvoltagesupply）是指能够为负载提供稳定的交流电源或者直流电源的电子装置。

包括交流稳压电源和直流稳压电源两大类。

直流稳压电源就是指能够为负载提供稳定的直流电源的电子装置，又称为直流稳压器，它的供电电压基本上都是交流电压，不管交流供电电源的电压或者输出负载电阻如何变化，稳压器的直流输出电压始终保持稳定状态。

稳压电源的历史可追溯到十九世纪，爱迪生发明电灯时，就曾考虑过稳压器，到二十世纪初，就有铁磁稳压器以及相应的技术文献，电子管问世不久，就有人设计了电子管直流稳压器。

在四十年代后期，电子器件与磁饱和元件相结合，构成了电子控制的磁饱和交流稳压器。

五十年代晶体管的诞生使晶体管串联调整稳压电源成了直流稳压电源的中心。

六十年代后期，科研人员对稳压电源技术做了新的总结，使开关电源，可控硅电源得到快速发展，与此同时，集成稳压器也不断发展。

直至今日，在直流稳压电源领域，以电子计算机为代表的要求供电电压低，电流大的电源大部分都由开关电源承担，要求供电电压高，电流大的设备的电源由可控硅电源代之，小电流，低电压电源都采用集成稳压器。

直流稳压电源按照不同的分类形式可以分为以下几类：

1、按习惯可分为化学电源和电子稳压电源。

我们平常所用的干电池、铅酸蓄电池、镍镉、镍氢、锂离子电池均属于化学电源，各有其优缺点。

2、按稳定方式分，有参数型稳压器和反馈调整型稳压器。

参数型稳压器电路简单，主要是利用电子组件的非线性实现稳压。

反馈调整型稳压器具有负反馈，是闭环调整系统，利用输出电压的变化，经取样、比较、放大得到控制电压，去控制调整元件，从而达到稳定输出电压的目的。

3、按调整元件和负载连接方式分，有并联式稳压器和串联式稳压器。

调整元件与负载并联的称为并联式稳压器，调整元件与负载串联的称为串联式稳压器。

3、按作用器件分，有电子管稳压器、稳压管稳压器、晶体管稳压器、可控硅稳压器等。

4、按调整器件的工作状态分，有线性稳压器和开关稳压器。

调整器件工作在线性放大状态的为线性稳压器，调整器件工作在开关状态的称为串联式稳压器。

线性直流稳压器是先将交流电经过变压器变压，再经过整流电路整流滤波得到未稳定的直流电压，要达到高精度的直流电压，必须经过电压反馈调整输出电压。

开关稳压器是利用现代电力电子技术，控制开关晶体管开通和关断的时间比率，维持稳定输出电压的一种电源，它的电路形式主要有单端反激式，单端正激式、半桥式、推挽式和全桥式等。

基本的开关型直流稳压电源包括输入电网滤波器、输入整流滤波器、逆变器、输出整流滤波器、控制电路、保护电路。

5、按电路的主要部分是集成电路还是分立元件分，有集成线性稳压器、集成开关稳压器和分立元器件组成的稳压器。

1.2研究直流稳压电源的意义

几乎所有的电子电路都需要稳定的直流电源。

在检定检修指示仪表时，除了要有合适的标准仪器外，还必须要有合适的直流电源及调节装置。

当由交流电网供电时，则需要把电网供给的交流电转换为稳定的直流电。

交流电经过整流、滤波后变成直流电，虽然能够作为直流电源使用，但是，由于电网电压的波动，会使整流后输出的直流电压也随着波动。

同时，使用中负载电流也是不断变动的，有的变动幅度很大，当它流过整流器的内阻时，就会在内阻上产生一个波动的电压降，这样输出电压也会随着负载电流的波动而波动。

负载电流小，输出电压就高，负载电流大，输出电压就低。

直流电源电压产生波动，会引起电路工作的不稳定，对于精密的测量仪器、自动控制或电子计算装置等，将会造成测量、计算的误差，甚至根本无法正常工作。

因此，通常都需要电压稳定的直流稳压电源供电。

另一方面，随着电子技术发展，电子系统的应用领域越来越广泛，生活中电子设备的种类也越来越多，对稳压电源的需求只增不减，要求也更加灵活多样。

电子设备的小型化和低成本化，使稳压电源朝轻、薄、小和高效率的方向发展。

再有，学校的实验室或者科研单位等在进行教学或者科研活动时也需要直流稳压电源来提供合适的稳定的电压。

不管是日常生活、生产制造还是科研教学都离不开直流稳压电源，就目前来说直流稳压电源是无法被取代的。

直流稳压电源虽然已经发展了很多年，但是它的需求仍然只增不减。

需求决定市场，市场决定发展前景，无论是从学习方面还是从创造经济利益方面对稳压直流电源进行研究，都是具有实际意义的。

1.3直流稳压电源的技术指标

直流稳压电源的技术指标分为特性指标和质量指标两大类，特性指标反映直流稳压电源的固有特性，质量指标反映直流稳压电源的优劣。

1、特性指标

（1）输出电压范围：

符合直流稳压电源工作条件情况下，能够正常工作的输出电压范围。

该指标的上限是由最大输入电压和最小输入－输出电压差所规定，而其下限由直流稳压电源内部的基准电压值决定。

（2）最大输入－输出电压差：

该指标表征在保证直流稳压电源正常工作条件下，所允许的最大输入－输出之间的电压差值，其值主要取决于直流稳压电源内部调整晶体管的耐压指标。

（3）最小输入－输出电压差：

该指标表征在保证直流稳压电源正常工作条件下，所需的最小输入－输出之间的电压差值。

（4）输出负载电流范围：

输出负载电流范围又称为输出电流范围，在这一电流范围内，直流稳压电源应能保证符合指标规范所给出的指标。

2、质量指标

（1）电压调整率

表征当输入电压UI变化时直流稳压电源输出电压U0稳定的程度，通常以单位输出电压下的输入和输出电压的相对变化的百分比表示。

一般直流稳压电源的电压调整率SU为1%、0.1%、0.01%不等，其值越小，稳压性能越好。

（2）电流调整率

在交流电源额定电压条件下，负载电流从零变化到最大时，输出电压的最大相对变化量用百分数表示

（3）稳压系数

稳压系数定义为负载不变时，输出电压相对变化量和输入电压相对变化量之比，一般情况下S

在10-2~10-4数量级，S

越小稳压电路输出电压的稳定性越好。

式中，U1为稳压电路输入直流电压，即整流电路的输出电压。

（4）输出电阻（内阻）

当输入电压固定时，输出电压变化量与负载电流变化量之比，称为输出电阻R0，亦称内阻，其单位为欧。

R0的大小反映了当负载变动时，稳压电路保持输出电压稳压的能力。

R0越小负载能力越强，一般R0<1

。

R0=

（5）最大纹波电压与纹波抑制比

叠加在输出电压上的交流分量的峰—峰值称为最大纹波电压△U

，一般为毫伏级。

在电容滤波电路中，负载电流越大，纹波电压也越大。

因此，纹波电压应在额定输出电流情况下测出。

纹波抑制比SR定义为稳压电源输入纹波电压峰—峰值△U

与输出纹波电压峰—峰值△U

之比，并取对数，单位为分贝（dB）

SR=20lg

第二章：

直流稳压电源系统设计

2.1设计目标

根据可行性以及实用性设计出一个直流稳压电源，电源具备固定电压输出端口和可调电压输出端口。

电源可调输出端具有相应的输出电压指示功能。

电源最大电流不超过2A。

2.2直流稳压电源设计方案的选择

根据设计目标，本次设计主要分为两个模块——直流稳压电源模块和电压显示模块。

电压显示模块的主要功能是显示直流稳压电源可调输出端的电压值，以便更好地调节得到所需电压供给负载使用。

经查阅大量资料得出了两个模块不同的设计方案：

（1）电压显示模块

电压显示模块有以下设计方案：

方案一：

采用ADC0809转换的显示电路

通过ADC0809将模拟电压信号转换成数字信号。

ADC0809是采样频率为8位的、以逐次逼近原理进行模—数转换的器件。

其内部有一个8通道多路开关，它可以根据地址码锁存译码后的信号，只选通8个单断模拟输入信号中的一个进行A/D转换。

ADC0809的输出端经过编码译码、驱动然后接至数码管显示。

方案二：

选用单片机AT89S52和A/D转换芯片

选用单片机AT89S52和A/D转换芯片ADC0832实现电压的转换和控制，用LCD1602显示出最后的转换电压结果。

方案三：

采用三位半A/D转换器ICL7107

双积分A/D转换器ICL7107是大规模集成芯片，它将模拟电路和数字电路集成在一个有40多个功能端的电路内，包含有七段译码器，显示驱动，参考源和时钟系统。

方案一中ADC0809显示电路整个电路过程繁琐，硬件实现时焊接难度相对较大。

方案二采用基于单片机AT89S52的显示电路硬件成本相对较高，而且程序设计过程中比较容易出错。

基于ICL7017的电压显示电路只需外接少量元件就能组成三位半数字电压表，相对于方案一和方案二具有设计简单、电路板布线不复杂、便于焊接调试、硬件成本低等优点，而且基于ICL7107的电压显示电路仅需要±5V的电压，电源电压可以由设计的稳压源供电，进一步节约了设计成本。

综合各方面考虑本次设计数字电压显示模块选择了方案三。

（2）直流稳压电源模块

在之前的第一章第一节我们按照了不同的方式对直流稳压电源进行了分类，经查阅资料得出了以下不同类型稳压源的设计方案：

方案一：

开关稳压直流电源

开关稳压电源效率高，输出功率大，容易实现短路保护与过流保护。

它的缺点是存在较为严重的开关干扰。

开关稳压电源中功率调整开关晶体管工作在开关状态，它产生的交流电压和电流通过电路中的其他元器件产生尖峰干扰和谐振干扰。

这些干扰如果不采取一定的措施进行抑制、消除和屏蔽就会严重地影响整机的正常工作。

此外由于开关稳压电源振荡器没有工频变压器的隔离，这些干扰就会串入工频电网，使附近的其他电子仪器受到严重的干扰，而且开关稳压电源设计繁琐稳定度差，因为此次设计不采用此方案。

方案二:

线性稳压直流电源

线性直流稳压电源是先将交流电经过变压器变压，再经过整流电路整流滤波得到未稳定的直流电压，要达到高精度的直流电压，必须经过电压反馈调整输出电压，可以达到很高的稳定度，波纹也很小，而且没有开关稳压电源具有的干扰与噪音。

线性稳压源有以下两个方案：

方案甲：

并联型稳压电源

并联型稳压电源的调整元件与负载并联，因为具有极低的输出电阻，动态特性好，电路简单，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。

而且输出范围调节小，稳定度不高，因此在本次设计中不适合采用此方案。

方案乙：

串联型稳压电源

串联型稳压电源具有低噪音、低纹波、良好的负载调整率、高稳定度、高准确度、电路反应速度快等优点，而且电路容易实现。

串联型稳压电源稳压部分可以采用三极管等分立元件来实现，也可以采用三端集成稳压器。

三端集成稳压器稳压性能良好，外围元件简单，安装调试方便，芯片内部还具有过流、过热等保护电路。

78系列的芯片可以稳定输出固定正电压，79系列的芯片可以稳定输出固定的负电压，既可以输出所需固定电压，也可以为设计中的电压显示模块供电。

LM317、LM337分别可以输出+1.25—+37V、-1.25—-37V电压，加上外围电路后可以实现输出电压在±1.25V—±37V范围内可调，能满足各种设备不同的电压需求，而且三端集成稳压器价格低廉，在市面上比较常见，容易购买。

综合稳压电源电源技术指标、功能、设计成本、设计目标等方面的考虑本次设计采用线性串联型三端集成稳压电源的设计方案。

2.3所选方案系统方框图

直流稳压电源的工作过程如图2-2-1所示：

市电220V交流电压作为输入电压，要获得低压直流输出，首先必须采用变压器将电网电压降低到所需要交流电压。

降压后的交流电压，通过整流电路变成单向直流电，但其幅度变化大。

脉动大的直流电压经过滤波将交流成分过滤掉，保留其直流成分。

滤波后的直流电压，再通过稳压电路稳压，便可得到基本不受外界影响的稳定直流电压输出，供给负载使用。

图2-2-1稳压电源工作过程图

本次设计的直流稳压电源在稳压电源的常规工作过程中增加了电压显示模块，具体系统方框图如图2-2-1所示：

输出+5V

输出+12V

+

+5V供电电压

-

-5V电压供电

输出-5V

输出-12V

图2-2-2系统方框图

直流正电压一路经过LM7812、LM7805输出+3.3V、+5V电压，+5V电压对电压显示电路进行供电，显示电路输入端加上单刀双掷开关即可根据需要在正可调和负可调输出端之间切换显示。

第三章：

单元电路的设计

3.1滤波电路

滤波电路采用一大一小电容滤波。

理论上，在同一频率上容量大的电容其容抗下，选择一大一小电容并联后其容量小的电容不起作用。

但是，由于大电容的电容器存在感抗特性，等效为一个电容与一个电感串联，在高频情况下的阻抗反而大于低频时的阻抗。

小电容容量小，在制造时可以克服电感性，几乎不存在电感。

在大电容上并联一个小电容可以补偿其在高频下的不足。

当电路的工作频率比较低时，小电容不工作，大电容容量越大滤波效果越好。

当电路工作频率比较高时，大电容由于阻抗大而处于开路状态，这时高频干扰成分通过小电容进行滤波。

3.2稳压电路

稳压部分分为两个模块，一个是LM317、LM337双路可调模块，一个是固定输出模块。

（1）LM317、LM337双路可调模块

LM317和LM337是比较常见的三端集成稳压器，LM317输出电压在+1.25V至+37V可调，输出电流最大能达到1.5安。

LM337输出电压在-1.25V至-37V可调，输出的最大电流可达2安。

LM317、LM337内部具有输出短路、过流、过热保护。

因为LM317与LM337性能以及外接电路基本相似，下文中主要对LM317进行说明。

LM317的基本电路如图3-2所示：

图3-2LM317电路

图3-2所示电路中0脚为输入脚，1脚为输出脚，2脚为调整脚。

LM317输出电压U0=1.25（1+R2/R1），根据公式可以得出只要R2/R1改变，输出电压就能改变，根据这一结果要实现输出电压可调，只需把R1设置成一个固定电阻，改变R2的电阻就能使输出可调。

在LM317和LM337基础电路上设计出了双路电压可调电路，电路图如图3-3所示：

图3-3双路可调模块电路图

上图为双路电压可调电路图，电阻R4和R6的作用是对二极管进行保护。

C3和C4电容的作用是形成一个交流通路，可以进一步减小输出端纹波。

在LM317、LM337输出端分别并联一大一小电容可以进一步滤波，使输出更平滑。

3.5电压显示电路设计

3.5.1ICL7107介绍

根据之前对数字电压显示模块不同方案的对比，最终确定使用基于ICL7107的数字电压表头实现电压显示功能。

ICL7107具有以下特点：

（1）ICL7107是3（1/2）位双积分型A/D转换器，属于CMOS大规模集成电路。

它的最大显示值为±1999最小分辨率为100uV,转化精度为0.05±1个字。

（2）能直接驱动共阳极LED数码管,不需要另加驱动器件,使整机线路简化。

采用±5V两组电源供电。

（3）在芯片内部从V+与COM之间有一个稳定性高的2.8V基准电源，通过电阻分压器可获得所需的基准电压Vref。

（4）能通过内部的模拟开关实现自动调零和自动机型显示功能。

（5）输入阻抗高，对输入信号无衰减作用。

（6）整机组装方便，无需外加有源器件，配上电阻，电容，共阳极数码管就能构成一只直流数字电压表头。

（7）噪音低、温漂小，具有良好的可靠性，寿命长。

（8）芯片本身功耗小于15mv，不包括LED。

（9）部设有一专门的小数点驱动信号。

使用时可将LED共阳极数码管公共阳极接V+。

（10）可以方便地进行功能检查。

3.5.2ICL7107工作原理

ICL7107内部由模拟电路和数字电路组成。

二者相互联系，一方面由控制逻辑产生控制信号，控制多路模拟开关接通或断开，保证A\D转换正常进行，另一方面模拟电路的比较器输出信号又控制着数字电路的工作状态和显示结果。

模拟电路由双积分式A\D转换器构成，数字电路由频分器、计数器、锁存器、译码器、驱动器、控制器、LCD显示器组成，计数器对反向积分过程的时钟脉冲进行计数分频器用来对时钟脉冲逐渐分频，得到所需的计数脉冲fc和共阳极LED数码管公共电极所需的方波信号fc；锁存器用来存放A/D转换的结果，锁存器的输出经译码器后驱动LED。

译码器为BCD-7段译码器，将计数器的BCD码译成LED数码管七段笔画组成数字的相应编码；驱动器是将译码器输出对应于共阳极数码管七段笔画的逻辑电平变成驱动相应笔画的方波；控制器的作用有三个：

第一，识别积分器的工作状态，适时发出控制信号，使各模拟开关接通或断开，A/D转换器能循环进行。

第二，识别输入电压极性，控制LED数码管的负号显示。

第三，当输入电压超量限时发出溢出信号，使千位显示“1"，其余码全部熄灭。

它的每个测量周期为自动调零（AZ）、信号积分（INT）和反向积分（DE）三个阶段，这3个阶段在数字电路逻辑控制电路的作用下不断循环重复。

一阶段，首先电压输入脚与输入电压断开而与地端相连放掉电容器C上积累的电量，然后参考电容Cref充电到参考电压值Vref，同时反馈环给自动调零电容CAZ以补偿缓冲放大器、积分器和比较器的偏置电压。

这个阶段称为自动校零阶段。

第二阶段为信号积分阶段（采样阶段），设Vx为测量电压，Vs为积分器输入电压。

在此阶段Vs接到Vx上使之与积分器相连，这样电容器C将被以恒定电流Vx/R充电，与此同时计数器开始计数，当计到某一特定值N1（对于三位半模数转换器，N1=1000）时逻辑控制电路充电过程结束，这样采样时间T1是一定的，假设时钟脉冲为TCP，则T1=N1×TCP。

在此阶段积分器输出电压Vo=-Qo/C，因为电容电量为：

Qo=

=

（1）

所以得出VO为：

VO=-

=-

（2）

因为T1是固定的，所以由上式可以看出V0与VX成正比。

第三阶段为反积分阶段（测量阶段），在此阶段，逻辑控制电路把已经把充电至

的参考电容

按与

极性相反的方式经缓冲器接到积分电路，这样电容器C将以恒定电流

放电，与此同时计数器开始计数，电容器C上的电量线性减小，当经过时间T2后，电容器电压减小到0，由零值比较器输出闸门控制信号再停止计数器计数并显示出计数结果，设此时计数器计数值为N2，设时钟脉冲采样单元周期为Tcq，则有T2=Tcq*N2。

因为

Vo+

=0（3）

将

（2）式带入（3）得

T2=

Vx（4）

由于T1和Vref是固定值，所以T2与Vx（测量电压）成正比，将T2=Tcq*N2带入（4）得

N2=（T1/TcqVref）*Vx,因为T1、Vref、Tcq均为固定值，所以N2与Vx（测量电压）成正比。

计数值N2经锁存器、译码器后数码管显示相应的数值，以上过程即为ICL7107的工作原理，基于这一原理，加上合适的外接电路就能达到数字电压显示功能。

ICL7107有Vx（测试电压）=2*Vref（参考电压），ICL7107测量电压满量程为200mV，此时参考电压为Vref=100mV。

图3-2-10ICL7107A/D转换器原理‘

3.5.3ICL7107表头电路

ICL7107的管脚如图3-2-11所示

图3-2-11ICL7107管脚图

其中1号脚为电源端口，接+5V正电源，26号脚为负电源接口，接-5V，21号引脚接地，2号到8号引脚接最低位数码管，9号到14号、23号引脚接第二位数码管，15号到18号、22号到24号引脚接第三位数码管；40-38脚（Oscl-OSc3）为时钟振荡器的引出端；32脚（COMMON）为模拟信号公共端，简称“模拟地”，使用时一般与输入信号的负端以及基准电压的负极相连。

37脚（TEST）是测试端，该端经过500欧姆电阻接至逻辑电路的公共地，故也称“逻辑地”或“数字地”。

32、34（CREF-、CREF+）为基准电压正负端，CREF外接基准电容端；35脚是基准地；27（INT）是一个积分电容器，必须选择温度系数小不致使积分器的输入电压产生漂移现象的元件IN＋和IN-：

31、30脚为模拟量输入端，分别接输入信号的正端和负端；29（AZ）为积分器和比较器的反向输入端，接自动调零电容CAz；28脚BUFF是缓冲放大器输出端，接积分电阻Rint；36号引脚接滑动变阻器，用于调试电路，精确读数。

第四章直流稳压电源模块参数计算

（1）可调稳压部分

由于LM317与LM337外接电路相类似，以LM317为例进行计算：

LM317输出电压范围为1.25V-37V，输出电压Uo=1.25*（1+R2/R1）。

参数推导过程为：

当Uo=1.25V时，R2=0

当Uo=37V时，R2/R1=28.6

得出0≤R2/R1≤28.6

取R1=200Ω则0≤R2≤5.72KΩ

选R2=3KΩ可得Uo的范围为1.25V≤Uo≤20V

本次设计目标是可调端至少在±1V左右到±12V可调，推导过程中设输出端最大的电压能达到12V以此去推导一个要得到12V输出电压的最小输入电压Ux，取值过程中只要所取的电压值大于Ux那么输出端输出的电压就大于12V，就能达到设计目标。

以此为思路进行的推导过程如下：

设稳压管输入电压为Ui

LM317最小输入电压差（Ui-Uo）min=3V，最大输入压差（Ui-Uo）max=40V

LM317输入电压要满足：

Uomax+（Ui-Uo）min≤Ui≤Uomin+（Ui-Uo）min

所以，15V≤Ui≤41.25V，选Ui=16V。

选16V的输入电压，输入端通电指示二极管保护电阻取3KΩ，I=16V/3KΩ=0.008mA,3KΩ的保护电阻可以较好的对发光二极管进行保护，0.008mA的电流也能让发光二极管发光足够亮。

LM317的输出端一大一小滤波电容选耐压值为50V的即能保证电路安全，大电容选100uF的电解电容，小电容选0.1uF电容。

（2）固定输出部分

输入电压选16V，同理，78、79系列芯片输出端滤波电容选50V耐压100uF的大电解和0.1uF的小电容。

（3）滤波电路

变压器为15V变压器，为保证滤波电容正常工作，滤波电路选择耐压值为50V的4700uF大电解电容和0.1uF的小电容。

（4）整流电路

二极管所承受的最大电压为√2U2=21.21V，桥式整流电路中流过每个二极管的平均电流是电路输出电流的一半，所以I=0.5*Imax=0.75A，所以整流电路选择耐压值50V最大电流2A的整流桥。

附录

所用三端集成器资料

（1）集成三端稳压器LM317

图7-1LM317参数以及封装图

（2）集成三端稳压器LM337

图7-2LM337封装图以及极限参数

（3）集成三端稳压器LM7812

主要用途：

适用于各种电源稳压电路。

主要特点：

输出稳定性好、使用方便、输出过流、过热自动保护

LM7812特性表（Tc=25℃）

参数名称

符号

测试条件

最小值

典型值

最大值

单位

输出电压

VO