数字显示可调直流稳压电源的设计说明.docx
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数字显示可调直流稳压电源的设计说明
毕业设计（论文）说明书
数字显示可调直流稳压电源的设计
专业电气自动化技术
班级14电气
（2）班学生沛波
指导教师盛继华
2014年2月----2014年6月
工业大学
毕业设计（论文）任务书
成教学院（系）电气自动化技术专业2014级1班沛波
毕业设计（论文）题目：
数字显示可调直流稳压电源的设计
起止日期：
2016/04/～2016/06/指导教师：
盛继华
毕业设计（论文）要求（包括日程安排和进度）：
任务：
1、学习病床呼叫控制系统的特点，熟悉其工作原理，明确控制要求；
2、选择PLC的病床控制系统的核心部件，完成系统的硬件和软件设计；
3、完成控制系统中主要元件选型工作；
4、完成调试工作；
5、写出设计说明书。
要求：
1．重视毕业设计工作，按时独立完成毕业设计（论文）任务书所规定的全部任务。
2．毕业设计说明书（论文）完备、容正确、概念清楚、数据可靠、文字通顺、书写工整，电路图规、标准。
3．熟悉论文中相关容，答辩时正确地回答以下问题。
日程安排：
2017/2/15～2014/3/30下达任务书，收集资料，熟悉控制要求
2014/4/1～2014/4/19系统的硬件设计
2014/4/20～2014/4/31系统的软件设计与调试
2014/5/1～2014/5/14完成毕业设计论文
2014/5/15～2014/5/31对设计与论文进行整改和定稿
2014/6/1～2014/6/10准备毕业答辩
审查意见：
院（系）负责人：
年月日
注：
本任务书由指导老师填写并经审查后，复印一份交学生装订在毕业设计（论文）的封面之后，原件存主办源（系、单位）。
摘要
随着科技的发展，电气、电子设备已经广泛的应用于日常、科研、学习等各个方面。
电源已经成为电气和电子设备中必不可少的能源供应部件，对电源的研究和开发已经成为新技术、新设备开发的重要环节，在推动科技发展中起着重要作用。
本文介绍了一种数字显示连续可调直流稳压电源的设计方案，此方案应用7824与7924芯片组成稳压电源的电源模块，用ICL7107芯片组成了数显模块，最终通过两个模块的连接实现连续可调直流稳压功能。
同时，本文还对电源模块和数显模块的基本原理，参数计算和性能指标等进行了分析讲解。
这种电源价格便宜，电路简单，并且可通过旋钮在-24V~24V围调节电压，使用方便、安全、稳定性高。
关键词：
稳压电源A/D转换器电源模块稳压模块
高级技师学院电气工程专业（论文）
第一章绪论.............................................................................................................1
1.1直流稳压电源的介绍............................................................................1
1.2直流稳压电源的技术指标.....................................................................1
1.2.1描述输入交流电压变化对输出电压影响的技术指标......................1
1.2.2描述负载变化对输出电压影响的技术指标......................................2
1.3稳压电源的分类....................................................................................3
第二章电源总体方案确定..............................................5
2.1电源模块的选定.................................................5
2.1.1晶体管串联式直流稳压电路..................................5
2.1.2用单片机制作的可调直流稳压电源............................5
2.1.3采用三端集成稳压器电路....................................6
2.1.4方案的确定................................................7
2.2显示模块的选定.................................................7
2.2.1采用双积分A/D转换器MC14433的方案........................7
2.2.2采用ICL7107的方案........................................7
2.2.3方案确定..................................................7
第三章电源模块的设计.................................................8
3.1三端稳压器的工作原理...........................................8
3.2稳压器的主要参数...............................................8
3.2.1输出电压V。
..............................................8
3.2.2输出电压偏差..............................................8
3.2.3最大输出电压ICM...........................................8
3.2.4最小输入电压Vimin..........................................9
3.2.5最大输人电压Vimax..........................................9
3.2.6最小输入、输出电压差（Vi-Vo）................................9
3.2.7电压调整率SV..............................................9
3.2.8电流调整率Si..............................................9
3.2.9输出电压温漂ST............................................9
3.2.10输出阻抗Z。
............................................10
3.2.11输出噪声电压VN..........................................10
3.37824芯片的技术指标...........................................10
3.47924芯片的技术指标...........................................11
3.5电源模块的确定................................................12
3.6电路参数的计算................................................13
3.6.1输入电压Ui...............................................13
3.6.2变压器副边的输出电压U2...................................13
3.6.3整流二极管与滤波电容.....................................13
3.7电源电路原理图确定............................................14
第四章数显模块的设计...............................................15
4.1A/D转换器原理................................................15
4.2ICL7107简介..................................................18
4.3ICL7107的管脚排列............................................18
4.4ICL7107功能说明..............................................21
4.4.1模拟部分.................................................21
4.4.2数字部分.................................................23
4.5元器件的选择..................................................25
4.5.1积分电阻.................................................25
4.5.2积分电容.................................................25
4.5.3自动教校零电容...........................................26
4.5.4参考电容.................................................26
4.5.5振荡器元件...............................................26
4.5.6参考电压.................................................26
4.5.7ICL7107的电源供电.......................................26
4.6数显模块电路原理图确定........................................27
第五章电路功能模块的连接...........................................29
5.1数显模块和电源模块的连接......................................29
5.2总电路原理图图................................................29
完毕语...............................................................30
致.................................................................31
参考文献.............................................................32
附录.................................................................33
附录1：
总电路原理图..............................................33
第一章1.1直流稳压电源的介绍
绪论
直流稳压电源又称直流稳压器。
它的供电电源大都是交流电源，当交流供电电源的电压或负载电阻变化时，稳压器的直接输出电压都能保持稳定。
直流稳压电源分连续导电式与开关式两类。
前者由变压器把单相或三相交流电压变到适当值，然后经整流、滤波，获得不稳定的直流电源，再经稳压电路得到稳定电压（或电流）。
这种电源线路简单、纹波小、相互干扰小，但体积大、耗材多，效率低（常低于40％～60％）。
后者以改变调整元件（或开关）的通断时间比来调节输出电压，从而达到稳压。
这类电源功耗小，效率可达85％左右。
所以，80年代以来发展迅速。
从工作方式上可分为：
①可控整流型。
用改变晶闸管的导通时间来调整输出电压。
②斩波型。
输入是不稳定的直流电压，以改变开关电路的通断比得到单向脉动直流，再经滤波后得到稳定直流电压。
③变换器型。
不稳定直流电压先经逆变器变换成高频交流电，再经变压、整流、滤波后，从所得新的直流输出电压取样，反馈控制逆变器工作频率，达到稳定输出直流电压的目的。
1.2直流稳压电源的技术指标
衡量一台稳压电源的好坏，一方面要从功能角度来看，即容量大小（输出电压和输出电流）、调节围大小、效率高低等，人们称其为使用指标或性能指标;另一方面要从外观、形状、体积、重量等直观形象来看，这些称为电气指标;更重要的是要看它的质量高低，即输出电压的稳定度等，一般称为质量指标。
下面重点介绍质量指标。
1.2.1描述输入交流电压变化对输出电压影响的技术指标
（1）稳压系数稳压系数有绝对稳压系数和相对稳压系数两种。
绝对稳压系数表示负载不变而输入交流电压变化时，稳压电源输出直流电压变化量△U0与输入交流电压变化量△Ui之比，
即
K=
?
U0?
Ui
（式1.1）
它表示输入交流电压变化△U，引起输出电压变化△U0越小输出电压就越稳定。
这种表示方法在工程中常常用到。
相对稳压系数表示负载不变时，稳压电源输出直流电压U0的相对变化量△U0/U0与输入交流电压U，的相对变化量△Ui/U0之比，即
?
U0S=?
Ui
U0Ui
（式1.2）
（2）电压调整率电压调整率表示负载电流为额定值时输入交流电压在额定值上下变化±10%时，稳压电源输出电压的相对变化量（百分数），即
Su=
?
U0×100%U0
（式1.3）
一般直流稳压电源的电压调整率为1%，0.1%，0.01%等。
有的也可以用绝对值表示。
1.2.2描述负载变化对输出电压影响的技术指标
（1）负载调整率（也称电流调整率）在交流电源额定电压的条件下，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。
?
Ui/×100%U0
Si=
（式1.4）
（2）输出电阻（也称阻）在额定输出电压的条件下，负载电流变化?
IL引起输出电压变化△U0，则输出电阻为
R0=?
U0?
IL
（式1.5）
（3）纹波电压（现称周期和随机漂移，用PARD表示）1）最大纹波电压在额定输出电压和额定输出电流条件下，输出纹波（包括噪声）电压的绝对值大小，通常以峰值或有效值表示。
2）纹波系数γ在额定输出电压和额定电流条件下，输出纹波电压的有效值Urms与输出直流电压U0之比，即
γ=
Urms×100%U0
（式1.6）
（4）温度漂移和温度系数环境温度的变化会影响元器件参数的变化，从而引起稳压电源输出电压的变化，称为温度漂移。
常用温度系数表示温度漂移的大小，温度每变化10C所引起输出电压值的变化?
UuT称为绝对温度系数，单位是V/0C或mV/0C。
温度每变化10C所引起的输出电压相对变化△U0r/U0T称为相对温度系数，单位是%/0C。
（5）漂移稳压电源在输入电压、负载电流和环境温度保持一定的情况下，经过一定的工作时间后元器件参数的不稳定也会造成输出电压的变化，慢变化叫做漂移，快变化叫噪声。
在一般使用中只考虑漂移就可以了。
表示漂移的方法有两种，一种是用指定时间输出电压值的变化△U0来表示;另一种是用指定时间输出电压的相对变化△Uot/Uo、来表示。
考察漂移时间可以定为1分钟、10分钟、1小时、8小时或更长。
1.3稳压电源的分类
现代应用的稳压电源的种类比较多，分类方式也很多。
按稳定对象分有交流稳压电源和直流稳压电源。
是交流还是直流要看稳压电源的输出电压是交流还是直流。
按稳定方式分，有参数稳压电源和反馈调整稳压电源。
参数稳压电源电路简单，利用元件的非线性实现稳压，结构也简单。
比如，用一只电阻和一只可控硅稳压管就能构成参数稳压电源。
反馈调整型稳压电源是一个负反馈闭环自动调整系统，它根据稳压电源的输出电压的变化量，经过取样、比较放大、再反馈给控制调整元件，使输出电压得到补偿而趋于原值，从而达到稳定。
此电路较复杂，但稳定度高。
按稳压电源的调整元件与负载的联接方式来分类，可以分为并联稳压电源和串联稳压电源两种。
调整元件与负载并联的叫并联稳压电源或分流稳压电源，它通过改变调整管元件流过的电流的多少来适应输入电网电压的变化与负载电流的变化，以保持输出电压的稳定。
这种稳压电源效率较低，只有某些专用场合才适用。
调整元件与负载串联的稳压电源叫做串联稳压电源。
在这种稳压电源中，调整元件串联在输入端和输出端之间，输出电压就依靠调整元件改变自身的等效电阻来维持恒定。
按调整元件分，有辉光放电管稳压电源，稳压管稳压电源，电子管稳压电源，晶体管稳压电源，可控硅稳压电源等。
按调整元件的工作状态分，有线性稳压电源和开关稳压电源。
所谓线性稳压，就是其调整管工作在线性放大区。
这种稳压电源的主要优点是调压围宽、稳定度高，但变换效率低;开关稳压电源的调整管工作在开关状态，主要的优越性就是变换效率高，可达70%一95%。
根据需要，还可以有其他分类方法，例如集成电极输出型、发射极输出型;高压、低压;通用、专用等。
第二章
所研究稳压电源的技术指标如下：
输入电压：
输出电压：
电源总体方案确定
本课题要求电源可靠性高，电压调节方便，并且电压显示正确、稳定。
220V交流电压；-24V~24V直流电压；
2.1电源模块的选定
电源的设计方法有很多种,比较简单的有三种。
2.1.1晶体管串联式直流稳压电路
电路框图如图2.1所示,该电路中,输出电压UO经取样电路取样后得到取样电压,取样电压与基准电压进行比较得到误差电压,该误差电压对调整管的工作状态进行调整,从而使输出电压发生变化,该变化与由于供电电压UI发生变化引起的输出电压的变化正好相反,从而保证输出电压UO为一恒定值（稳压值）。
因输出电压要求从0V起实现连续可调,因此要在基准电压处设计一辅助电源,用以控制输出电压能够从0V开始调节。
图2.1串联式稳压电源电路图
单纯的串联式直流稳压电源电路是很简单的,但增加了辅助电源后,电路比较复杂,由于都采用分立元件,电路的可靠性也难以保证。
2.1.2用单片机制作的可调直流稳压电源
该电路采用可控硅作为第一级调压元件,用稳压电源芯片LM317、LM337作为第二级调压元件,通过AT89CS51单片机控制继电器来改变电阻网络的阻值,从而改变调压元件的外围参数,并加上软启动电路,获得0～24V电压,驱动能力可达1A,同时可以显示电源电压值和输出电流值的大小。
其硬件电路主要包括变压器、整流滤波电路、压差控制电路、稳压与输出电压控制电路、电压电流采样电路、掉电前重要数据存储电路、单片机、键盘显示等几部分,硬件部分原理图如图2.2所示。
图2.2用单片机制作的直流稳压电源电路图
正、负端压差控制电路的作用是减少LM317和LM337输入端和输出端的压差以降低LM317和LM337的功耗。
稳压电路由三端稳压芯片LM317（负压用LM337）与外围器件组成,输出电压控制电路采用继电器控制的电阻网络。
电阻网络的每个电阻都需要精密匹配,电阻的精密程度直接影响输出电压的精度。
电压电流采样电路由单片机控制实时对当前电压电流进行采样,以修正输出电压值。
掉电前重要数据存储电路用以保存当前设置的电压值,可以方便用户在重新上电后不用设置,而且也不会因为电压值过高损坏用户设备。
该电源稳定性好、精度高,并且能够输出±24V围的可调直流电压,且其性能优于传统的可调直流稳压电源,但是电路比较复杂,成本较高,使用于要求较高的场合。
2.1.3采用三端集成稳压器电路
该电路框图如图2.3所示,它采用输出电压可调且部有过载保护的三端集成稳压器,输出电压调整围较宽,设计一电压补偿电路可实现输出电压从连续可调,因要求电路具有很强的带负载能力,须设计一软启动电路以适应所带负载的启动性能。
该电路所用器件较少,成本低且组装方便,可靠性高。
图2.3集成稳压器稳压电源设计
2.1.4方案的确定
根据要求，我们要实现-24V～24V连续可调，这种要求属于日常应用，因此我们就要做到尽量使电源制作简单，成本低廉，稳定性和精确性较高即可，第3种方案正好能满足要求，因此，选定采用三端集成稳压器组成稳压电路。
2.2显示模块的选定
为了使稳压电源在使用中更加简便和更具人性化，增加一个数字电压显示模块是一个既简单又实用的方法。
对于数显模块的选择，我们主要有两种方案。
2.2.1采用双积分A/D转换器MC14433的方案
采用双积分A/D转换器MC14433，它有多路调制的BCD码输出端和超量程输出端，采用动态扫描显示，便于实现自动控制。
但芯片只能完成A/D转换功能，要实现显示功能还需配合其它驱动芯片等，使得整部分硬件电路板布线复杂，加重了电路设计和实际焊接的工作。
2.2.2采用ICL7107的方案
采用双积分A/D转换器ICL7107，它是大规模集成芯片，将模拟电路和数字电路集成在一个有40个功能端的电路，包含了A/D转换、逻辑控制、译码驱动等电路，只需外接少量元件就能组成三位半数字电压表。
电路设计简单，电路板布线不复杂，便于焊接、调试。
电源采用稳压电源提供的±5V输出，显示部分采用共阳极数码管。
2.2.3方案确定
由于采用ICL7107芯片连接简单，材料便宜并且较精确，因此，在此次设计中采用ICL7107芯片组成的显示模块电路作为数显模块。
第三章电源模块的设计
在第二章中，我们已经确定使用三端稳压器实现稳压电路，在三端稳压器中最常用的就是78##和79##系列芯片，这种芯片的特点是价格低廉，稳压性能好，组成电路简单等特点，又因为我们电源围是-24V~24V，因此稳压电路我们就选用7824和7924芯片组成。
3.1三端稳压器的工作原理
三端集成稳压器大多采用串联稳压方式。
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