分立式元器件串联反馈型稳压电源文档格式.docx

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在很多电子设备和电路中需要一种当电网电压波动或负载发生变化时，输出电压仍能基本保持不变的电源。

电子设备中的电源一般由交流电网提供，再经变压、整流、滤波、和稳压四个主要部分构成。

本次设计的主要内容是围绕着如何使分立式元器件串联可调直流稳压电源输出直流电压稳定、脉动成分减小而展开的。

首先介绍了变压器的基本工作原理及全波整流电路的工作原理，接着介绍了电容滤波电路的性能特点，然后引入了具有放大环节和辅助电源的串联可调式稳压电源，系统地介绍了一些在本次实训中要用到的元器件。

同时并在电路中采用了提高稳定度，提高温度稳定性及限流型过流保护电路的具体措施，以确保电路安全稳定的工作。

在完成该电路理论地设计与计算之后，我们又全面学习了Proteus和AltiumDesigner两个在电子电路设计与制作中必须熟知的两个软件，实践了PCB制板的全过程。

最后，安装元器件，调试，分析，测试性能验收。

目录

第一章串联反馈型稳压电源整体简介

1.1制作串联反馈型稳压电源的目的要求…………………3

一、基本目的………………………………………………3

二、基本要求………………………………………………3

1.2基本知识介绍…………………………………………………3

一、电源变压器知识………………………………………3

二、整流电路………………………………………………4

三、滤波电路………………………………………………5

四、串联型稳压电路………………………………………5

1.3主要元器件简介………………………………………………6

第二章分立式元器件串联反馈型稳压电源设计与计算

2.1原理图…………………………………………………………7

2.2电路整体结构的设计与各部分相关参数的计算………………8

一、整流部分设计与计算……………………………………8

二、滤波电路………………………………………………8

三、稳压输出电路部分相关参数的计算……………………8

第三章Proteus及AltiumDesigner软件的介绍与使用

3.1Proteus原理图绘制与仿真图…………………………………9

3.2AltiumDesigner绘制原理图与导入PCB……………………11

第四章PCB板的制作与元器件的安装

4.1PCB板的制作流程介绍……………………………………16

4.2生成PCB图及制板………………………………………17

4.3安装元器件…………………………………………………17

第五章调试分析与性能测试……………………………………………17

第六章心得体会………………………………………………………18

附录工程训练成绩评定表…………………………………………19

1.1制作串联反馈型稳压电源的目的要求

一、基本目的

此次工程训练选择使用分立式元器件构成串联反馈型直流稳压电源。

学生通过实训了解相关分立式元器件的基本结构、工作原理、特性和参数以及由它们构成的串联型直流稳压电源的工作原理、原理图的设计和参数的计算、元器件的选用、计算机软件实现硬件的仿真、PCB板的设计、电路的安装和调试，最后完成达到技术指标要求的标准产品。

二、基本要求

1、依据性能指标和器件状况，设计稳压电源电子电路，并计算器件参数确定选择器件。

（含散热设计）；

2、以本工程训练为实例先学习AltiumDesigner基本知识，并运用其绘制电源sch原理图和PCB图；

3、学习Proteus知识，对本电源电路进行仿真，最终确定sch和pcb图；

4、掌握电子电路板制作的全过程，实现电源的制作；

5、测量电源相关各项技术指标，完成系统调试。

1.2基本知识介绍

一、电源变压器知识

1．初级（PrimaryWinding）：

是指电源变压器的电源输入端。

2．次级（SecondaryWinding）：

是指电源变压器的输出端。

3．额定输入电压U：

是指电源变压器的初级所接上的电压，也就是电源变压器的工作电压。

对GS变压器来说，U＝230V；

对BS变压器来说，U＝240V。

4．空载电流I：

是指电源变压器的初级接上额定输入电压U而次级不带负载（即开路）时，流过初级的电流。

I与变压器的设计有关，即使是两个不同厂家生产的相同规格的电源变压器，其I也可能不同。

5．空载电压U：

是指变压器初级接受上额定输入电压U次级不带负载（即开路）时，次级两端的电压。

U与变压器的设计有关，即使是两个不同厂家生产的相同规格的电源变压器，其U也可能不同。

6．负载电流I：

是指变压器初级接上额定输入电压U，次级接上额定负载时，流过负载的电流。

7．负载电压U：

是指变压器初级接上额定输入电压U，次级接上额定负载时，负载两端的电压。

8．定输出功率P：

是指变压器在额定输入电压U时的输出功率，它表示变压器传送能量的大小。

一般来说，在相同频率下，P越大，变压器的尺寸越大；

P相同，即使输出电压U不同，变压器的尺寸也相同，即变压器的价格也应相差无几。

由公式P=U*I可知若输出功率P一定，若输出电压U越高，则输出电流I越低。

举例来说，一个输出功率P=10VA的变压器，若输出电压U=24V，则输出电流I=P/U=10VA/24V＝0.416A；

若U=12V，则输出电流I=0.833A。

电源变压器：

将电网交流电压变为整流电路所需的交流电压，一般次级电压u2较小。

变压器副边与原边的功率比为P2/P1=η，式中η是变压器的效率。

副边功率P/vA

〈10

10-30

30-80

80-200

效率η

0.6

0.7

0.8

0.85

对于本次工程训练对电源变压器的要求主要为次级空载电压大小，额定输出功率，变压器的额定容量，所以在本次工程训练中选择的是小型单相式变压器，有四组输出线分别为7V、10V、17V、10V。

可根据具体功率及计算要求选择。

二、整流电路

1、半波整流电路

由以上图可知，半波整流电路的利用率低，一般不采用。

2、全波整流电路

由于变压器副线圈的接线较复杂，在实际中叶一般不采用。

3、桥式整流电路

电路工作原理:

利用二极管正向导通反向截止的工作原理,当U2为正半周时二极管D1、D3导通,D2\D4截止当U2为负半周时二极管D2、D4导通,D1、D3截止。

而流过负载的电流的方向是一致的,在负载形成单方向的全波脉动电压。

.从而实现将交流的电压变为直流电压.主要参数：

Uo=0.9*Ui脉动系数:

S=0.67选管原则:

If≥1/2Io 

Ur 

≥ 

1.414U2结构简单性能优越，绝大多数整流电路采用桥式整流电路，所以本次工程训练采用桥式整流。

二、滤波电路

滤波电路主要有：

电容滤波、RC-∏型滤波、LV-∏型滤波、L滤波，LC滤波，其中LC滤波电路在负载电流较大或较小时，均有较佳的滤波特性，故LC滤波对负载的适应性最强，整流管的冲击电流小，特别适用在电流变化较大的场合，所以本电路采用LC滤波电路，

LC滤波电路 

LC滤波波形

电路利用电感器两端的电流不能突变的特点，把电感器与负载串联起来，以达到使输出电流平滑的目的。

从能量的观点看，当电源提供的电流增大（由电源电压增加引起）时,电感器L把能量存储起来；

而当电流减小时，又把能量释放出来，使负载电流平滑，所以电感L有平波作用,再并上一个电容,利用电容的充放电作用,使得负载电流较大时或较小时均有较佳的滤波能力.主要参数:

LC滤波电路的直流输出电压,如忽略电感上的压降,则输出直流电压等于全波整流的输出电压,则有 

Uo=0.9U2

四、串联型稳压电路

稳压电路：

它能在电网电压和负载电流的变化时，保持输出直流电压的稳定。

它是直流稳压电源的重要组成部分，决定着直流电源的重要性能指标。

稳压电路的主要指标：

1．稳压电路的主要指标稳压系数Sr和稳压电路的输出电阻

稳压系数Sr：

稳压系数是在有负载固定不变的前提下，输出电压的相对变化量△Uo/Uo与稳压电路输入电压相对变化量△Ui/Ui之比，即：

该指标反映了电网波动对输出电压的影响。

此外稳压电路输入电压Usc就是整流滤波以后的直流电压。

2．稳压电路的输出电阻 

输出电阻可以衡量稳压电路受载电阻的影响程度,即：

除了上述两个指标外,有时还用其它指标:

电压调整率，指当电网电压（u2）变化10%时，输出电压的相对变化量；

电流调整率，指当输出电流Io从零到最大时，输出电压的相对变化；

最大波纹电压，反映在输出端存在的HZ或者100Hz交流分量，通常以有效值或峰—峰值表示；

温度系数，指电网电压和负载都不变时，由于温度变化面引起的输出电压漂移等。

直流稳压电路的类型很多，有：

硅稳压管稳压电路、串联某型稳压电路、集成稳压电路，开关稳夺电路，其中集成稳压电路相对于其它类型的稳夺电路来讲具有体积小、稳定性高、输出电阻小、温度性能好、使用方便、外围元件少等优点，在实际应用中得到广泛应用。

集成稳压器有两种：

输出固定电压和可调输出电压的稳压块。

1.3主要元器件简介

一、三极管：

（1）、9013NPN低频放大40V－50V0.5A0.625W150MHZhFE：

100～1000（放大倍数分段可选

（2）、9012PNP50V500mA600mW低频管放大倍数30-90

（3）、大功率三极管2SC2563NPN通用参数：

8.0A/120V

二、常用整流二极管参数

IN5399耐压1000V1.5A

1N4007硅整流二极管1000V,1A,

1N4735A1W6.2V稳压管

1N4727A1W3V稳压管

三、芯片

1、数显部分芯片：

ICL7107（31/2位双积分型A/D转换器，）主要参数：

电源电压ICL7107V+toGND6V

温度范围0℃to70℃

ICL7107V-toGND-9V

热电阻PDIP封装qJA（℃/W）50

MQFP封装80

模拟输入电压V+toV-最大结温150℃

参考输入电压V+toV-最高储存温度范围-65℃to150℃

时钟输入GNDtoV+

2、7805芯片输出5V电压具体参数见集成电路查询网

四、继电器

电磁式继电器一般由铁芯、线圈、衔铁、触点簧片等组成的。

只要在线圈两端加上一定的电压，线圈中就会流过一定的电流，从而产生电磁效应，衔铁就会在电磁力吸引的作用下克服返回弹簧的拉力吸向铁芯，从而带动衔铁的动触点与静触点（常开触点）吸合。

当线圈断电后，电磁的吸力也随之消失，衔铁就会在弹簧的反作用力返回原来的位置，使动触点与原来的静触点（常闭触点）释放。

这样吸合、释放，从而达到了在电路中的导通、切断的目的。

对于继电器的“常开、常闭”触点，可以这样来区分：

继电器线圈未通电时处于断开状态的静触点，称为“常开触点”；

处于接通状态的静触点称为“常闭触点”。

2.1原理图

原理电路图说明：

整个电路大致分为两个部分:

主体电路部分，副电路部分（主要用于给继电器供电和数显部分供电），通过接入的继电器，电路可以实现在3~8V、8~15V；

两个档位之间连续变化的直流电压的输出；

如上图所示，变压器的次级线圈有两组接入主电路的继电器选择部位JP1、JP2，由继电器进行选择，在主体电路，经变压器降压后交流的经过1N5399四个整流管构成的桥式整流后，变成直流，波动很大，由电容C1进行滤波，其中开关SW1控制主体电路后面的通断，D5,R5,Q3构成一个恒流源，Q1,Q2,Q4构成调整电路，R6、Q5等为取样部分电路，这些电路共同实现电路输出稳定的直流电压，其中档位切换时对应取样部分的电阻由继电器进行选择；

三个继电器的通断均由下面的副电路开关SW2来进行控制，从而实现了档位的切换与稳定可变的直流电压的输出。

2.2电路整体结构的设计与各部分相关参数的计算

直流稳压电源电路可分为以下几个模块：

变压器（220V50Hz）→整流→滤波→稳压电路（反馈调整、取样电路）→稳定直流

一、整流电路

1、整流输出电压平均值：

（Uo）

Uo=1/2ρ∫02ρuod（wt）=0.9U2

负载上的平均电流：

IL=0.9U2/RL

2、脉动系数S

S定义为：

整流输出电压的基波峰值Uom与平均值Uo的比值。

所以，经计算知S=2/3≈0.67

RLC愈大→电容放电越慢→Uo越大一般取

td=RLC≥（3~5）T/2（T:

电源电压的周期）

近似估算：

Uo=1.2U2

三、稳压输出电路部分相关参数的计算

可分析得知该电路具有稳压功能。

对应原理图看有（一个档位）：

UQ5b=（R1+R4）Uo/（R1+R4+R8）

所以,输出最小：

Uo=（R1+R4+R8）UQ5b/（R4+R8）

输出最大：

Uo=（R1+R4+R8）UQ5b/R5

第三章Proteus及AltiumDesigner软件的介绍与使用

3.1Proteus软件的概述与使用

一、Proteus简介

ProteusISIS是英国Labcenter公司开发的电路分析与实物仿真软件。

它运行于Windows操作系统上，可以仿真、分析（SPICE）各种模拟器件和集成电路，该软件的特点是：

①实现了单片机仿真和SPICE电路仿真相结合。

具有模拟电路仿真、数字电路仿真、单片机及其外围电路组成的系统的仿真、RS232动态仿真、I2C调试器、SPI调试器、键盘和LCD系统仿真的功能；

有各种虚拟仪器，如示波器、逻辑分析仪、信号发生器等。

②支持主流单片机系统的仿真。

目前支持的单片机类型有：

68000系列、8051系列、AVR系列、PIC12系列、PIC16系列、PIC18系列、Z80系列、HC11系列以及各种外围芯片。

③提供软件调试功能。

在硬件仿真系统中具有全速、单步、设置断点等调试功能，同时可以观察各个变量、寄存器等的当前状态，因此在该软件仿真系统中，也必须具有这些功能；

同时支持第三方的软件编译和调试环境，如KeilC51uVision2等软件。

④具有强大的原理图绘制功能。

总之，该软件是一款集单片机和SPICE分析于一身的仿真软件，功能极其强大。

本章介绍ProteusISIS软件的工作环境和一些基本操作。

二、Proteus在本实例电路中的使用：

1、放置元器件及连线

仿真实物图

3.2AltiumDesigner软件的概述与使用

一、AltiumDesigner的概述

AltiumDesigner是业界第一款也是唯一一种完整的板级设计解决方案。

AltiumDesigner

拓宽了板级设计的传统界限，集成了FPGA设计功能，从而允许工程师能将系统设计中的FPGA与PCB设计集成在一起。

AltiumDesigner以强大的设计输入功能为特点，在FPGA和板级设计中，同时支持原理图输入和HDL硬件描述输入模式；

同时支持基于VHDL的设计仿真，混合信号电路仿真、布局前/后信号完整性分析。

AltiumDesigner的布局布线采用完全规则驱动模式，并且在PCB布线中采用了无网格的SitusTM拓扑逻辑自动布线功能；

同时，将完整的CAM输出功能的编辑结合在一起。

基于Altium新推出的支持Livedesign的DXP平台，AltiumDesigner在你的整个系统设计流程中充分发挥其卓越的性能。

支持多国语言（中文、英文、德文、法文、日文）完全兼容Protel98/Protel99/Protel99se/ProtelDXP，并提供对Protel99se下创建的DDB文件导入功能支持PCB与FPGA引脚的双向同步提供完善的混合信号仿真、布线前后的信号完整性分析功能提供了对高密度封装（如BGA）的交互布线功能NanoBoardNB1开发板和板上的逻辑可编程芯片一起组成了可重新配置的系统设计验证平台NanoBoardNB1使用板上JTAG*接口与用户的PC进行连接,来支持硬件设计的下载和提供NanoBoardNB1与用户PC之间的通讯NanoBoardNB1是第一款LiveDesign–enabled系统设计验证平台允许用户交互式的执行并调试验证基于逻辑可编程芯片的系统设计用于配合Altium公司AltiumDesigner的设计方案验证NanoBoardNB1配套子板：

*Altera（R）-Cyclone（TM）（EP1C12-Q240C7）*Altera（R）-Cyclone（TM）withSRAM（EP1C20F400C8）*Altera（R）-Stratix（TM）withSRAM（EP1S10-F780C7）

AltiumDesigner6.0以强大的设计输入功能为特点，在FPGA和板级设计中，同时支持原理图输入和HDL硬件描述输入模式；

同时支持基于VHDL的设计仿真，混合信号电路仿真、布局前/后信号完整性分析.AltiumDesigner6.0的布局布线采用完全规则驱动模式，并且在PCB布线中采用了无网格的SitusTM拓扑逻辑自动布线功能；

同时，将完整的CAM输出功能的编辑结合在一起。

AltiumDesigner6.0是两年之内的第六次更新，极大地增强了对高密板设计的支持，可用于高速数字信号设计，提供大量新功能和改进，改善了对复杂多层板卡的管理和导航，可将器件放置在PCB板的正反两面，处理高密度封装技术，如高密度引脚数量的球型网格阵列（BGAs）。

AltiumDesigner6.0中的BoardInsight（TM）系统把设计师的鼠标变成了交互式的数据挖掘工具。

BoardInsight集成了“警示”显示功能，可毫不费力地浏览和编辑设计中叠放的对象。

工程师可以专注于其目前的编辑任务，也可以完全进入目标区域内的任何其他对象，这增加了在密集、多层设计环境中的编辑速度。

AltiumDesigner6.0引入了强大的‘逃逸布线’引擎，尝试将每个定义的焊盘通过布线刚好引到BGA边界，这令对密集BGA类型封装的布线变的非常简单。

显著的节省了设计时间，设计师无需手动就可以完成在一大堆焊盘间将线连接这些器件的内部管脚。

AltiumDesigner6.0极大减少了带有大量管脚的器件封装在高密度板卡上设计的时间，简化了复杂板卡的设计导航功能，设计师可以有效处理高速差分信号，尤其对大规模可编程器件上的大量LVDS资源。

AltiumDesigner6.0充分利用可得到的板卡空间和现代封装技术，以更有效的设计流程和更低的制造成本缩短上市时间。

二、AltiumDesigner在本电路中的具体应用

1、新建原理图

2、绘制原理图

（1）选择元器件

（2）放置并连接元器件

（3）原理图中添加封装

以此将原理图中所有的元器件都添加封装~

4、由原理图导成PCB图

（1）新建PCB工程

（2）绘制PCB板的区域大小

（3）将原理图文件拖入PCB工程

（4）将原理图导入PCB

（5）设置线宽规则，自动布线

（6）布线后的PCB图

第四章PCB板的制作与元器件的安装

4.1PCB板的制作流程介绍

PCB板制作的一般流程：

设计绘制原理图→导成PCB图→打印输出（热转印纸）↓

金属焊盘钻孔←腐蚀（留下电子线路）←利用热转印法将PCB图转到敷铜板

↓

焊接安装元器件→调试→成品

4.2生成PCB图及制板

打印PCB图，热转印，腐蚀，钻孔，完成PCB板的制作。

4.3安装元器件

利用烙铁焊锡焊接，对照原理图或PCB图焊接安装元器件。

（注意焊接要牢固不要有虚焊点）

第五章调试分析与性能测试

安装好元器件后，检查线路，看有没有短路的地方（特别是在在变压器部分）。

接通电源，按下主电路开关SW1，看输出端有无电压输出，若无电压输出，测试电容C1端有无电压，以此类推，测试每一级每个部分，看是否正常工作有无电压。

可断开电源，测试没有电压部位的元器件是否存在有虚焊的情况，用万用表的蜂鸣档检测是否有短路或是开路。

对电路整体进行分析排查，看是否有元器件因为某点的短路而烧坏的，逐级进行。

反复调试，直到找到原因所在。

调试完成后，测试主电路的输出范围，是否满足3~8V8~15V两个档位。

观察电主路输出电压实际值为多少，一般做出来之后两档范围在4~10V11~20V左右，在仔细分析产生误差的原因，可知由于取样电路的的阻值与理论计算值是存在一定的差异，可以对照原理图将取样部分的电阻R1、R2、R3、R4全都换成500Ω精密可调电阻，调动这些可调电阻，使其输出电压的范围在3~8V与8~15V两个档位之间连续变化。

到此，完成整个电路的调试与测试，可验收，交作品！

第六章心得体会

通过12、13周的工程训练，让我从一个AltiumDesigner新手初步入门了，从电路图的设计，在何老师的教学下，我学会了如何在library里面寻找没有的元器件，如何进行元件的封装和设计。

总之，我觉得12周受益匪浅，虽然有的时候要自己自学，拿着proreus教程自己一步一步的学，感觉收获还是挺大的，工程训练第一周我们就这样熟悉着设计、制图各个软件，由altiumdesiger设计原理图，再通过proteus进行仿真。

这两天天气一直都不好，时而下着雷阵雨，但是我们的激情并没有因此而退却，相反，大家的积极性都很高，早上8:

30上课，好多同学8:

00就到了门口，有的背单词，有的看软件教程。

学的不亦乐乎，星期二，本来应该上机熟悉软件的，由于学校停电，所以变成了理论课，由朱老师执教，讲述了桥式整流、滤波、稳压等等过程。

让我们从理论上了解了原理，为我们随后做PCB版，检查错误提供了很大的帮助。

下课了，同学们各自交流问题，不懂的就向朱老师请教，学习气氛很融洽。

第13周星期二，涂老师就要求我们要把PCB图拿出来了，我布局，全手工连线，可是线