广东工业大学电子技术综合设计与实践课程设计数显可调式直流稳压电源.docx
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广东工业大学电子技术综合设计与实践课程设计数显可调式直流稳压电源
课程设计
课程名称电子技术综合设计与实践
（2）
题目名称数显可调稳压电源
学生学院自动化学院
专业班级13级自动化卓越1班
学号3113000981
学生姓名黄景运
指导教师张建新，夏益民
2015年11月9日
广东工业大学课程设计任务书
题目名称
数显可调直流稳压电源
学生学院
自动化学院
专业班级
13级自动化卓越1班
姓名
黄景运
学号
3113000981
一、课程设计的内容
设计并制作数显可调式直流稳压电源，具体要求如下：
1.输出电压范围至少达到3~15V，最大输出电流不超过1.5A。
2.具有电压调节功能。
3.数字显示输出电压和电流。
4.输出纹波电压不大于10mV。
5.具有过压和过流保护。
二、课程设计的要求与数据
1、严格按照分组情况进行实训；
2、完成指定的设计任务；
3、课程设计的报告严格按照学校指定格式执行；
4、课程设计期间不得迟到早退，否则将严肃处理。
三、课程设计应完成的工作
1、理论计算：
选择一种较好的方案，画出电路原理图；
2、软件仿真：
在计算机上用Multisim软件进行电路仿真，得到仿真结果和仿真波形图；
3、使用Protel软件设计制作电路PCB；
4、制板、焊接、系统调试；
5、撰写报告。
四、课程设计进程安排
序号
设计各阶段内容
地点
起止日期
1
分配任务，根据设计要求使用Multisim软件完成电路的设计、仿真与优化；
实2-212，214
第9周周1-周3
2
使用Protel等软件画原理图、PCB图
实2-212，214
第9周周4-周5
3
制版、焊接、系统调试
工2-504
第10周周1-周5
4
演示和验收
工2-504
第10周周5
5
完成设计报告
五、应收集的资料及主要参考文献
1、胡仁杰，电工电子创新实验，高等教育出版社，北京，2010
2、童诗白等，模拟电子技术基础，高等教育出版社，北京，2011
3、阎石等，数字电子技术基础，高等教育出版社，北京，2006
4、谢云等，现代电子技术实践课程指导，机械工业出版社，北京，2006
发出任务书日期：
年月日指导教师签名：
计划完成日期：
年月日基层教学单位责任人签章：
主管院长签章：
摘要
本次课程设计要求我们设计并制作一数显可调直流稳压电源应用。
直流稳压电源一般由电源变压器，整流滤波电路、稳压电路及数显电路等电路模块所组成。
变压器把市电交流电压变为所需要的低压交流电；整流电路把交流电变为直流电；滤波电路滤去整流电流中的高频成分，稳压器再把不稳定的直流电压变为稳定的直流电压输出。
通过译码芯片控制数码管显示输出电压值。
本设计主要采用直流稳压构成集成稳压电路，通过变压，整流，滤波，稳压过程将220V交流电，变为稳定的直流电，并实现电压可在3～15V可调。
采用ICL7107芯片及四个共阳数码管构成显示电路，实现控制数码管显示输出电压功能。
关键字：
变压整流滤波稳压显示
目录
1设计任务目的与要求1
1.1设计任务1
1.2设计要求1
2设计方案及论证1
2.1题目分析1
2.2方案比较2
2.3系统结构设计2
2.4具体电路设计2
2.5Protel原理图7
3制作及调试过程8
3.1制作及调试过程9
3.2遇到的问题及解决方案11
3.3实物照片11
4系统测试12
4.1测试方法12
4.2测试数据12
4.3数据分析和结论13
5总结13
5.1缺陷13
5.2总结13
参考文献14
1设计任务目的与要求
1.1设计任务
设计并制作数显可调式直流稳压电源
1.2设计要求
1.输出电压范围至少达到3~15V，最大输出电流不超过1.5A。
2.具有电压调节功能。
3.数字显示输出电压和电流。
4.输出纹波电压不大于10mV。
5.具有过压和过流保护。
2设计方案及论证
2.1题目分析
本次课程设计要求我们制作一可调范围为3~15V并能数字显示的稳压直流电源。
我们可以采用输出电压可调且内部有过载保护的三端集成稳压器来设计，主要由降压电路、整流电路、滤波电路、稳压电路和数显电路五部分组成。
电网电压为220V，50Hz的交流电，要获得低压直流输出，须先采用电源变压器将电网电压降低获得所需要低压交流电。
降压后的交流电压，通过整流电路变成单向直流电，但其含交变成分较大。
含交变成分大的直流电压须经过滤波电路来将交流成份滤掉，保留其直流成份。
经过滤波后的直流电压，再通过集成稳压电路外接元件使输出电压得到很宽的调节，即可得到基本稳定直流电压输出，最后通过数显电路显示当前直流稳压输出数值。
根据可调电压的范围，我们令副边电压为20V，则原副线圈的匝数比为n1：
n2=220V:
20V=11：
1，我们采用的原副线圈匝数比为11：
1的变压器。
本设计中利用LM317的稳压及其电压可调的功能，通过旋转接在调整脚的电位器R2，实现输出电压在3-15V内连续可调，调整精度较高。
而LM317稳压输出电压可用下式计算：
Vo=1.25（1+R2/R3）
取R3=200Ω，根据公式当输出Vo=3V时，有3=1.25（1+R2/200），求得R2=240Ω
当输出Vo=15V时，有15=1.25（1+R2/200），求得R2=2200Ω。
根据计算结果，我们可以取R2为2KΩ的精密可调变阻器，并串联一个200Ω的定值电阻，以达到设计要求的可调范围。
2.2方案比较
方案一：
利用LM317集成稳压芯片为核心，通过变压器之后整流滤波再稳压输出稳定的直流电。
然后通过AD转换芯片将电压模拟量转换为数字量，送到数码管，实现显示功能。
方案二：
用LM317集成稳压芯片为核心，通过变压器之后整流滤波再稳压输出稳定的直流电。
利用LM317集成稳压芯片为核心，通过变压器之后整流滤波再稳压输出稳定的直流电。
再用ICL7107芯片制作数字显示电压表头。
我们利用LM7805输出+5V，LM7905输出-5V来为芯片供电，使芯片正常工作。
据课题的要求最终选择方案二。
方案一中要用到AD转换芯片，电路比较复杂，接线困难；而方案二具有电路简单，价格低廉，便于操作等优点，而且经过调试，其电压输出稳定，调压精度高，效率高，完全符合课题的要求。
2.3系统结构设计
1．整体框图
LED显示
变压器
ICL7107
输出
220V
交流
LM317稳压可调电路
2．整体设计原理
我们可以采用输出电压可调且内部有过载保护的三端集成稳压器来设计，主要由降压电路、整流电路、滤波电路、稳压电路和数显电路五部分组成。
电网电压为220V，50Hz的交流电，要获得低压直流输出，我们先采用原副线圈匝数比为11：
1的电源变压器将电网电压降低，获得所需要低压交流电。
降压后的交流电压，通过桥式整流电路（主要由二极管构成）变成单向直流电。
此时直流电压含有较大的交流成分，因此须经过滤波电路（主要由电容电路构成）来将交流成份滤掉，保留其直流成份。
经过滤波后的直流电压，再通过LM317集成稳压器外接滑动变阻器使输出电压得到可调范围为3~15V的稳定电压输出。
将整流后的单向直流电分别输入到LM7805、LM7905，从而得到+5V、-5V，作为ICL7107的供给电源。
最后通过ICL7107组成的数显电路显示当前直流稳压输出数值。
2.4具体电路设计
1．降压电路
日常生活中我们所用的市电为220V，50Hz的交流电，而课设要求输出电压可调范围为3~15V，因此我们应该对市电进行降压处理。
电源变压器的作用是将电网电压变换成整流滤波电路所需要的交流电压。
理想变压器满足I1/I2=U2/U1=N2/N1=1/n，根据输出电压的范围，可以令变压器副边电压为15V，则原副线圈匝数比为15：
1。
降压电路如下所示：
2．整流电路
整流电路的主要作用为将经过降压后的交流电通过整流变成单方向的直流电，我们采用桥式整流来实现该功能，主要是通过二极管的截止和导通来实现的。
在电压U2的正半周期时，二极管D1、D3因受正向偏压而导通，D2、D4因承受反向电压而截止；在电压U2的负半周期时，二极管因受D2、D4正向偏压而导通，D1、D3因承受反向电压而截止，且电流方向一致，因此我们可以得到脉动的直流电。
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I=1/2Io。
电路中的每只二极管承受的最大反向电压为根号2U2（U2是变压器副边电压有效值）即为21V，因此我们选整流二极管IN4001，其参数为：
反向击穿电压UBR=50V>21V。
电路图如图所示：
3．滤波电路
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。
我们可以采用电容滤波电路进行简单滤波。
电容在电路中有储能的作用，并联的电容在电源供给的电压升高时能将部分能量储存起来，当电源供给电压下降时将能量释放出来，从而使负载电压比较平滑，使之成为含交变成分很小的直流电压。
根据据输出电流大小选择滤波电容C的参数。
输出电压为15V，最大输出电流为1A，则1A输出电流对应的负载电阻为：
RL=15V/1A=15Ω，根据RLC=（3～5）T/2（T为电源电压周期），则C=（3～5）T/2RL，求得C1=2000uF~3300uF,因此我们选用2200uF的电解电容。
而电路中滤波电容承受的最高电压为：
U2=21V，所以所选电容器的耐压应大于21V。
电路如图所示：
4．可调稳压电路
采用内部有过载保护的可调式三端集成稳压器来实现。
虽然整流滤波电路能将交流电压变换为较为平滑的直流电压，但由于输出电压平均值取决于变压器副边电压有效值，所以当电网电压波动时，输出电压平均值将随之产生相应的波动；另外，由于整流滤波电路内阻的存在，当负载变化时，内阻上的电压将产生相反的变化，所以输出电压平均值也将随之产生相反的变化。
为了获得稳定性较好的直流电压，我们采用三端集成稳压器LM317进行稳压。
集成稳压器与简单稳压电路相比其电路结构简单，它可以通过外接元件使输出电压得到很宽的调节范围，并且内部有过热保护、过流保护等保护电路。
电路中R2和R3的阻值是不能随意设定的，VREG与COMMON端之间为1.25V电压基准。
为保证稳压器的输出性能，R2应小于240欧姆，因此我们选用200Ω的定值电阻，R3则选用阻值为2K的精密可调变阻器，以达到3~15V的电压输出。
二极管D5，D6均选用1N4001，用于保护LM317。
5.过流保护电路
当电源工作时，稳压器输出端输出正向直流电压，电机开始启动。
由于直流电机启动瞬时电流较大，我们在电路中加入电容C3，当电路正常工作时将对C3进行充电，使电路的充电时间大于电机启动时间，三极管（采用9013）处于截止状态，电机启动到稳定状态后，电流恢复到工作电流。
一旦电机发生短路或堵转，使电容C3两端电压达到Q1的导通电压，则Q1导通，强制稳压器的输出电压降为基准电压1.25V。
6.±5V直流稳压电源电路
我们把整流后的单向直流电分别接入LM7805、LM7905，并接入滤波电容，滤掉输出电压中的高频成分，从而分别得到稳定的+5V、-5V，作为ICL7107芯片的工作电压。
电路如下所示：
7.可调电压总体电路
8.数字显示电路
ICL7107是三位半的AD转换器，由其构成的数显电压显示电路简单可靠，可以满足日常的电压测量或者电压显示的要求。
而且ICL7107是一种内置程序的芯片，所以可以直接使用，免去了编程的麻烦，其本身带有段式输出，直接连接到LED上就可以显示了，显示用的数码管应为共阳极数码管。
显示电路如下所示：
SW1为电压电流显示的转换开关，SW1往上闭合时，为电压显示。
输入的电压经过10K/（990K+10K）=1/100分压，输入到芯片的VIN+脚（因为ICL7107芯片电压输入范围为0~200mV）。
我们通过选择不同的基准电压来实现电压档位切换，如上图所示调整滑动变阻器RV2，使得输入到CREF+脚的基准电压为1V；调整RV3，使得输入到CREF+脚的基准电压为100mV。
对于不同精度的基准电压，示数精度也不一样,达到课设要求实现两个档位显示。
最后通过一个双刀双掷开关选择基准电压，并接通与基准电压相对应的小数点位置，如选择1V基准时，左起第二位数码管的小数点接通到地，并显示；选择100mV基准时，相应地第三位数码管的小数点点亮。
当SW1往下闭合时，为电流显示，R7为负载电阻，而R8、R10为分压电阻，让R10电阻的分压与负载电阻的分压相等，并将R10电阻的分压输入到芯片的VIN+脚，然后通过显示电压来表示我们流过负载电阻的电流。
经过查阅ICL7107的芯片资料，38脚的C1取100pF，39脚的R1取100KΩ,33、34脚间的C2为参考电容，我们取0.1Uf。
27脚C3取0.22uF，28的R4取47KΩ，29脚的C2取0.47uF。
1V基准电压的降压电阻R9取20KΩ，100mV基准电压的降压电阻R3取2KΩ，而可调电阻RV2、RV3均取阻值为1K的精密可调变阻器。
2.5Protel原理图
1．±5V电源电路：
2．电压可调电路：
3.数显电路：
3制作及调试过程
3.1制作及调试过程
3.1.1.绘制PCB板
我们设计好电路后，运用Multism、Proteus软件进行电路仿真。
仿真通过后，我们利用AltiunDesigner软件按照我们设计好的电路进行原理图绘制，然后将原理图转换成PCB，最后对器件进行合理布局、走线，遇到交叉地方进行跳线处理。
1.±5V电源电路PCB图：
2.可调电压主体电路PCB图：
3.数显电路PCB图：
3.1.2制作PCB板
我们画好PCB图后，调整好合适的比例，打印到热转印纸上，然后把覆铜板打磨干净，清洗并晾干，利用热转印机转印到覆铜板上。
热转印完成后，进行腐蚀处理，即把板子放进三氯化铁溶液中，并均匀搅拌，直到覆铜板上未被油墨覆盖的铜被腐蚀干净，最后把板子放到水流下，并用砂纸轻轻打磨，把油墨去掉，这样PCB板制板成功。
把我们制作成功的PCB板放置在打孔平台上，然后根据我们电路设计，进行打孔，而且根据不同元件引脚半径不同，使用不同的孔径的打孔机。
打孔完成后，我们就可以进行元件焊接。
3.1.3焊接电路
我们准备好电烙铁、焊锡、松香、钳子、镊子等工具后，便可以根据我们所画好的PCB图，进行元件放置，放置好后进行焊接工作。
特别地，我们要查清楚所用芯片的各引脚对应位置，以免将元件焊接错误。
焊接完成后，仔细检查是否漏焊、虚焊。
3.1.4调试过程
实物电路制作完成后，我们接入降压器，然后使用万用表测量±5V电源电路的两端输出；接着通过改变可调主体电路可调电阻器的阻值，使用万用表测其输出电压是否可调，并且可调范围是否为3~15V。
最后将±5V电压接入芯片ICL7107，用万用表测出此时输出的可调电压，观察数码管显示的数值是否与测得的电压相符合。
3.2遇到的问题及解决方案
问题:
1.PCB板中元件封装错误
2.数码管显示不正常
解决方案：
1.把元件焊接在洞洞板上，再利用插线把PCB板的孔和元件相对应的脚接在一起。
2.检查电路，发现芯片积分电容焊接位置不对，然后重新焊接，数码管显示正常。
3.3实物照片
1.PCB板：
2.数显可调直流稳压电压实物
4系统测试
4.1测试方法
1.对电路各部分进行独立测试，先测量±5V电源电路两端输出是否为±5V，以此保证ICL7107芯片供电正常
2.对可调电路进行独立测试，输入整流后的直流电，改变可调变阻器阻值，同时测量电路输出端的电压，测量可调电压是否为3~15V，以此保证输入ICL7107芯片的电压正常有效
3.上述两部分电路正常工作后，将整个电路连接起来，然后用万用表测量36脚对地电压即基准电压，观察是否为1V，然后切换档位观察是否为100mV。
4.改变可调电路可调变阻器的阻值，任意取一输出电压，并用万用表测出来记为U1，然后使用万用表测量芯片31脚对地电压即芯片的输入电压U1’，观察U1’是否为U1的1/100（因为电路中采用1/100分压输入）。
5.观察并记录数码管显示数值（100mV档），切换档位（1V档）再次观察并记录数值
4.2测试数据
1.±5V电源电路两端输出分别为+5.04V、-5.01V
2.可调电路的输出电压，最低可到2.5V，最高可达18V
3.进过改变两档上的可调电阻器阻值，1V基准电压档的电压为1.02V;100mV基准电压档的电压为100.1mV。
4.U1=7.48V，而U1’=74.5mV
5.在100mV基准电压档时数码管示数为：
07.4；在1V基准电压档时数码管显示7.43
4.3数据分析和结论
1.电源电路工作正常，输出+5.04V、-5.01V，为芯片供电。
2.可调电路工作正常，可调范围包含3~15V，且输出电压稳定
3.设置好ICL7107芯片两个档位的基准电压:
1.02V、100.1mV。
这样数码管便能正确显示输入电压的数值大小
4.在误差允许范围内，U1’=U1/100,分压电路工作正常，即输入电压正常有效。
因为芯片输入电压范围在200mV以内，因此我们需要进行降压处理，我们采取1/100降压输入。
5.数码管显示正常，在100mV档时，数码管示数为7.4，与实际误差为0.1V；在1V档时，数码管显示7.43，误差为0.05V。
则电路实现数字显示直流电压，并且具有两个档位。
5总结
5.1缺陷
在测试过程中，发现数码管的小数点无法显示，然后查阅资料，发现ICL7107的GND端不能直接接共阳数码管的小数点，否则会把小数点烧掉，而应该从TEST引脚端串联一500Ω的降压电阻（输出低电平）再接到数码管小数点，这样数码管小数点才不会被烧掉并能正确显示。
5.2总结
经过为期两周的模电课程设计，我体会到了制作一个电子作品的不易。
从最初的确定方案、设计电路、功能仿真、AltiumDesigner画图、PCB制板、元件焊接，到最后实物调试，每一步的实现都是来之不易，尤其是最后面的实物调试，更加需要我们认真细致地检查电路、检查焊接工作等，只有这样我们才能把实物功能给调试出来，才不会辜负我们前期的努力。
在这个过程中，我知道了书本上的知识和实际是有区别的，因为书本上大多是在理想状态下的，而我们实践运用总是存在一定误差；同时也懂得了理论与实践相结合的重要性，以后在学习专业知识时一定要理论与实践两手抓。
这次课程设计是关于模拟电子技术的课程设计，由于我们是上个学年学的，大多数知识都忘记了。
为此，我们须要重新复习模电书上的知识。
在电路设计过程中遇到不懂的问题，便通过查阅资料、问老师同学来解决。
两周课程设计让我再次学习了一遍模电，对模电知识也有了更深刻的理解。
在课程设计第一周中，我们先根据可调直流稳压电源的特点收集、选择相关资料，再整理收集到的资料，然后初步拟定放案，进行几次方案的讨论、修改，最后确定最终的方案。
设计方案确定后，又在同学的相互帮助指导下进行电路详细设计，并画出能够实现课设要求功能的电路图。
然后学习使用Multism、Proteus仿真软件，最后使用Multism、Proteus对我们所设计的电路进行仿真并进行调试。
仿真功能实现后，学习AltiumDesigner软件进行原理图和PCB图绘制。
第二周，我们便开始了实物制作。
首先我们进行了PCB板的热转印，然后腐蚀、打磨、打孔，这样我们的PCB板边制作成功。
接着我们便开始元件的焊接工作，这一个过程特别考验我们的细心和耐心，因为我们要焊接好每一个元件，不能出现虚焊漏焊等现象，而且要认真查好元件的引脚，不能随便乱焊。
焊接完成后，我们便到了最后的实物调试，这也是最难最辛苦的一个过程。
当时我焊接好电路后，便插上电源，接好各部分电路，当合上开关时，发现数码管示数显示不正常，然后便开始了我漫长的调试过程。
一开始查阅资料说，ICL7107积分电容不能使用陶瓷电容，然后我把电路的陶瓷电容全部换位独石电容，发现示数依旧不正常。
接着我又改变电容的大小，发现问题依旧没解决。
于是，我采用了分步检查。
经检查，我发现芯片的供电、两个档位的基准电压、可调电压范围、1/100电压输入都是正常的，然后我检查芯片的外围电路，发现芯片一个积分电容接错引脚，把错误改过来后，发现数码管显示的数值与输入的电压相符，切换档位后数值也显示正常。
就这样，实物调试过程结束，电路功能实现。
通过本次的课程设计，我学到了许多知识。
它还培养了我们独立思考问题解决问题的能力，加深了我们对知识的理解，有助于我们今后的学习。
并且有助于我们了解我们专业所从事的事业，给我们学习指明了方向。
虽然本次设计能实现电压可调，两档数显电压，但这是我第一次进行实际的设计，因而在许多方面都还不熟练,对一些元器件的功能还不完全了解，不能熟练运用。
因此我将在以后的学习中加强这方面的学习，使自己在实际动手方面的能力得到进一步的加强。
参考文献
[1]阎石.数字电子技术基础（第五版），高等教育出版
[2]华成英，童诗白．模拟电子技术基础．第3版．高等教育出版社，2006年
[3]廖先芸．电子技术实践与训练．北京高等教育出版社，2005年
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