简易可编程直流稳压电源的设计.docx
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简易可编程直流稳压电源的设计
目录
第一部分系统设计
1.1设计题目及要求…………………………………………………………3
1.2总体设计方案…………………………………………………………3
1.2.1设计思路…………………………………………………………3
1.2.2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……………………………………10
2.2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……………………………………………………………21
3.2元件清单………………………………………………………………22
第四部分性能指标的测试
4.1电路调试…………………………………………………………………23
4.1.1测试仪器与设备……………………………………………………23
4.1.2功能指标测试及测量数据………………………………………23
4.1.3故障分析及处理…………………………………………………24
4.2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：
VO<10mV；
（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。
1.2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：
1.2.2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。
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。
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。
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。
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。
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
NE555芯片管脚图：
NE555的功能表：
输入
输出
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
2.1.24S保持电路
2.1.2.1电路工作原理
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：
CP
EP
ET
工作状态
0
置零
┎┐
1
0
预置数
1
1
0
1
保持
1
1
0
保持（但C=0）
┎┐
1
1
1
0
计数
2.1.4逻辑门电路
2.1.4.1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：
74LS00真值表：
74LS08真值表：
A＝1B=1 Y=0A＝1B=1 Y=1
A＝0B=1 Y=1A＝0B=1 Y=0
A＝1B=0 Y=1A＝1B=0 Y=0
A＝0B=0 Y=1A＝0B=0 Y=0
2.1.5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：
LM317器件与功能：
LM317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
CD4511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：
2.2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=22μF
2.2.2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=
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毫安，因此在数码管共阴端到地之间接一个100
的电阻。
第三部分整机电路
3.1整机电路图
器件名称
参数与数量
定值电阻
22K×236K×13.6K×8100×2220×1
多圈电位器
0～999
×4
电容
10nF×2100nF×7（去耦电容）22uF×1
2200uF×1220uF×3100uF×2
数码管
共阴×1
按键开关
4个
集成芯片
74LS00×174LS08×1NE555×274LS161×1
CD4511×1CD4052×1LM317×1
3.2元件清单
第四部分性能指标的测试
4.1电路调试
4.1.1测试仪器与设备
1、数字万用表
2、水泥负载电阻
4.1.2模块指标测试及测量数据
4.1.2.1时钟脉冲电路
在时钟脉冲的输出端接一电阻和发光二极管到地即可根据发光二极管的亮灭粗略计算时钟周期，经测试其周期约为1S，符合设计要求。
4.1.2.2保持电路
保持电路的测试方法与时钟脉冲的测试方法类似，根据发光二极管的亮灭情况得出其暂稳态时间约为4S，同样符合设计要求。
4.1.2.3计数电路
在计数器的输出端的低两位接上二极管串联上电阻到地，观察二极管的放光情况。
以亮表示为1，灭表示为0，则可以看到二极管以00，01，10，11的顺序循环变化，切换时间为1S。
4.1.2.4逻辑门电路
逻辑电路主要用来检测按键的状态，输出接至计数器预置数端。
测试时分别按住不同的按键，同时用万用表电压挡测量预置数的B、A端电平，以1表示高电平，0表示低电平。
当按键0，1，2，3分别按下时，B、A端口电平为00，01，10，11，同时触发保持电路，计数器暂停计数并使能预置数。
因此门电路部分工作正常。
4.1.2.5功率输出电路
先将四路电位器调至设定值，然后上电，再分别长按四个按键，用万用表测量输出电压，然后微调电位器，最后万用表显示电压分别为5.008V，9.003V，11.98V和15.01V。
最后用万用表的毫伏挡测量输出电压纹波，分别为2mV，3mV，5mV和8mV，
其最大纹波电压小于要求的10mV指标。
输出电压
5.008V
9.003V
11.98V
15.01V
输出纹波
2mV
3mV
5mV
8mV
4.1.3故障分析及处理
故障一：
首次通电后发现数码管不能正常显示，并且显示较暗。
经检查发现输入译码芯片的二进制数正常，于是问题应该出现在译码芯片上，因此再用万用表测量芯片的供电管脚VCC电压，发现还不到3V，于是顺藤摸瓜沿着VCC线路检查后发现了PCB板上线路有一处出现了短路，可能是腐蚀过程中被侵蚀。
故障二：
当电路显示部分正常以后于是测量输出电压，但发现最大输出电压只有8V多，远远达不到15V，检查模拟开关输入的二进制数没有问题，后来又发现调节某一挡位电位器时其它三路的输出电压也会改变，也就是说四路没有完全隔绝，而各路电阻的选通是通过三极管来实现的。
于是检查三极管的基极电压，发现未选通的三极管基极电压也超过0.6V，开始以为是模拟开关输出电压不够低从而使三极管不能有效截止，于是断开模拟开关与三极管的基极，但还是发现三极管基极电压超过0.6V且三极管都是新的，不可能损坏，于是干脆拿几个1K的电阻将三极管的基极下拉到地，然而三极管仍然处于导通状态。
最后经过仔细检查才发现原来三极管的管脚是E、B、C,但焊接的时候误以为是C、B、E了，也就是说将C和E极反过来了。
原来三极管由于C、E结的不同，C、E反接后会产生漏电流，从而导致三极管不能有效截止。
最终将三极管重新正确焊接以后故障就排除了。
4.2电路实现的功能和系统使用说明
电路的功能是巡回输出5V，9V，12V和15V的电压，巡回切换时间为1S，由NE555构成的多谐振荡器产生频率为1HZ的时钟输出到74LS161计数器中。
此外电路还具有任意挡电压输出并保持功能，按键0，1，2，3分别按下时电压输出分别为5V，9V，12V和15V并保持4秒时间，然后继续进入巡回状态。
电路还具有显示功能，电路输出5V，9V，12V和15V时数码管分别显示0，1，2，3从而达到提示的作用。
第五部分课程设计总结
这次课程设计开始时我就选择了简易可编程稳压电源这道题目，因为电源比较实用于是就打算做成PCB板，于是托人买了散热片和一些接插件。
课程设计开始后首先开始的是进行电路的设计，其中LM317部分的电路比较简单，只需要接入不同的电阻就能实现不同电压的输出。
于是用到模拟开关选通不同的通路。
时钟电路和保持电路都可以用所学的555芯片来实现，计数方面则用74LS161。
显示电路也比较简单，只要使用一个CD4511就能很方便实现数码管显示功能。
电路的设计难点在于扩展功能部分，因为要求实现任意挡次电压的输出，于是想到用四个按键来对应不同挡次电压的输出，并且想到运用门电路来识别不同按键的按下。
最终理论上的设计成功确定了方案。
理论电路方案确定后接下来就利用AltiumDesigner进行电路原理图的绘制和PCB板的布线工作，经过一整天的努力软件部分的电路绘制和布板也完成了。
接着就到创新实验室做板腐蚀，又搞了一晚上终于把板做好了，剩下的工作就是元件的焊接安装以及电路的调试工作了。
当晚回去宿舍把电路焊接了一大半，到了次日早上又把剩余的元件焊接完成，至此，电路的元件安装已经全部完成，最后一个环节就是上电调试。
一般情况下,上电后一切工作正常的概率还是比较小的,这块电路板也不例外，上电后就发现电路的显示部分不正常，于是检查译码芯片的供电，最后发现是因为短线造成的芯片供电故障，排除以后就恢复正常显示了，这一部分相对来说比较容易解决。
另外一个故障确实花费了我不少时间，整整弄了一个下午。
那就是电路的主输出部分，发现输出电压最大只有8V，经过认真的检查才最终发现是因为当开关用的NPN三极管的C、E极焊接反了，从而造成四路电阻不能隔绝。
最终把这个故障排除后电路才最终完全正常工作。
从这次稳压电源的设计来看,题目体现了模数结合的特点，也让我体验到了一些数字电路芯片的使用，以前做的主要都是模电为主的电路。
由于电压的输出是巡回变化的，保持电路也只能保持4秒钟，在一般的运用方面不方便，于是在保持电路的电容上并接了一个电阻从而按下某个按键之后输出电压就能一直保持在对应的电压上直到按下其它按键时输出电压才会改变。
总之这次的课程设计还是比较有趣的，能够锻炼到学生的动手能力，不过我希望老师可以给出更多有趣实用的电路作参考，这样学生就能够根据自己的兴趣爱好去选择自己想做的东西，进而激发更多同学的热情。
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