数字显示连续可调直流稳压电源.docx

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数字显示连续可调直流稳压电源

数字显示连续可调直流稳压电源的设计

引言：

当今社会人们极大的享受着电子设备带来的便利，但是任何电子设备都有一个共同的电路--电源电路。

大到超级计算机、小到袖珍计算器，所有的电子设备都必须在电源电路的支持下才能正常工作。

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及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范围内调节电压，使用方便、安全、稳定性高。

一，直流稳压电源

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。

二方案确定

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。

所研究稳压电源的技术指标如下：

输入电压：

220V交流电压；

输出电压：

-24V~24V直流电压；

1、电源模块的选定——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内部有过载保护的三端集成稳压器，输出电压调整范围较宽，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。

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，这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、显示模块的选定——采用ICL7107的方案

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。

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个功能端的电路内，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。

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。

三电源模块的设计

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78XX和79XX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，又因为我们电源范围是-24V~24V，因此稳压电路我们就选用7824和7924芯片组成。

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。

从图3.1所示方框图中可以看出，它由启动电路、基准电路、误差放大器、调整管、取样电阻及保护电路等组成。

它与分立元件的串联调整稳压器电路工作原理完全相同。

2稳压器的主要参数

2.1输出电压V。

输出电压是指稳压器的各工作参数符合规定时的输出电压值。

对于固定输出稳压器，它是常数；对于可调式输出稳压器，它是输出电压范围。

2.2输出电压偏差

对于固定输出稳压器，实际输出的电压值和规定的输出电压Vo之间往往有一定的偏差。

这个偏差值一般用百分比表示，也可以用电压值表示。

2.3最大输出电压ICM

最大输出电流指稳压器能够保持输出电压不变的最大电流。

2.4最小输入电压Vimin

输人电压值在低于最小输入电压值时，稳压器将不能正常工作。

2.5最大输人电压Vimax　

最大输入电压是指稳压器安全工作时允许外加的最大电压值。

2.6最小输入、输出电压差（Vi-Vo）

它是指稳压器能正常工作时的输入电压U与输出电压八是最小电压差值。

2.7电压调整率SV

电压调整率是指当稳压器负载不变而输入的直流电压变化时，所引起的输出电压的相对变化量。

SV常用下式表示:

（式3.1）

式中:

△Vo——输出电压变化量；

　　△Vi——输入电压变化量。

　　电压调整率有时也用某一输入电压变化范围内的输出电压变化量表示。

　　电压调整车用来表征稳压器维持输出电压不变的能力。

2.8电流调整率Si

电流调整率是指，当输入电压保持不变而输出电流在规定范围内变化时，稳压器输出电压相对变化的百分比，可用下式表示:

（式3.2）

电流调整率有时也用负载电流变化时输出电压的变化量来表示。

2.9输出电压温漂ST　

输出电压温漂也称输出电压的温度系数。

其定义为，在规定的温度范围内，当输入电压和输出电流不变时，单位温度变化引起的输出电压变化量，用公式表达为:

（式3.3）

式中:

△T—温度变化量。

2.10输出阻抗Z。

输出阻抗指，在规定的输入电压和输出电流的条件下，在输出端上所测得的交流电压与交流电流之比，即

（式3.4）

输出阻抗反映了在动态负载状态下，稳压器的电流调整率。

2.11输出噪声电压VN

它是指当稳压器输入端无噪声电压进入时，在其输出端所测得的噪声电压值。

输出噪声电压是由稳压器内部产生的，它对许多负载是有害的。

3电源模块的确定

7824、7924芯片都是定值稳压芯片，而我们要求的是连续可调的直流稳压电源，因此我们必须要设计一个电路，使7824和7924组成的稳压电路可以实现调压功能。

电路如图所示，由变压器输出交流双向电压经桥式整流对整流，C1、C2滤波得到一直流电压，其中变压器双电源的中心抽头作为公共接地端，然后分别把该直流电压正负极接入7824的1脚和7924的3脚。

7824的3脚接到电位器w2的滑动触片“d”上，7924的1脚接到电位器w1的滑动触片“c”上。

当将触片“c”滑到“0”端接地时，调节w2，即可从“a”端得到正向可变电压；若将触片“d”滑到“0”端接地，调节w1，在“b”端就可得到负向可变电压，将w1、w2换成同轴电位器，将获得正负对称的可调电源，输出电压值连续可调，可达到同步调节的目的。

3电路参数的计算

3.1输入电压Ui

输出电压U0应与稳压电源要求的输出电压的大小范围相同，稳压电路的最大允许电流ICM

式中：

Uomax—最大输出电压

Uomin—最小输出电压

（Ui-Uo）min—稳压块最小输入输出压差

（Ui-Uo）max—稳压块最大输入输出压差

通常情况下我们取输入电压Ui比输出电压Uo大6V

3.2变压器副边的输出电压U2

通常根据变压器副边输出的功率Po来选择变压器。

对于容性的负载，变压器副边的输出电压U2与稳压器输入电压Ui的关系为

（式3.6）

副边电流的取值标准为

（式3.7）

3.3整流二极管及滤波电容

整流二极管VD的反向击穿电压URM应满足

（式3.8）

额定工作电流IF应满足

（式3.9）

滤波电容C的容量估算公式为

（式3.10）

式中：

ΔUip-p—稳压器输入端纹波电压的峰-峰值

Ic—电容C放电电流

t—电容C放电时间，t=T/2=0.01S

滤波电容C的耐压值应大于

，也可用下式估算

（式3.11）

4电源电路原理图确定

根据以上各式确定数值后，电路图如下：

四数显模块的设计

电源模块设计完成后，接下来就是数显模块的设计。

根据前面介绍我们选定了ICL7107芯片作为数显模块，ICL7107是一个3位半A/D转换器，是常用的数显模块芯片，本模块设计的重点就是了解它的原理，确定他的参数参数，选择元器件并设计出电路。

ICL7107简介

ICL7107是高性能、低功耗的三位半A/D转换器电路。

它包含有七段译码器、显示驱动器、参考源和时钟系统。

ICL7107可直接驱动发光二极管（LED）。

ICL7107将高精度、通用性和真正的低成本很好的结合在一起，它有低于10μV的自动校零功能，零漂小于1μV/OC，低于10pA的输入电流，极性转换误差小于一个字。

真正的差动输入和差动参考源在各种系统中都很有用。

在用于测试量负载但愿、压力规管和其他桥式传感器时会有更突出的优点。

另外，只要用十个左右的无源元件和一个LED屏就可以与ICL7107构成高性能的仪表面板，实现了低成本和单电源工作。

ICL7107的管脚排列

各管脚说明如下：

1端：

U+=5V，电源正端。

26端：

U-=﹣5V0电源负端。

19端：

ab4，千位数笔段驱动输出端，由于7/2位的计数满量程显示为“1999”，所以ab4输出端应接千位数显示器显示“1”字的b和c笔段。

20端：

POL，极性显示端（负显示），与千位数显示器的g笔段相连接（或另行设置的负极性笔段）。

当输入信号的电压极性为负时，负号显示，如“19.99”；当输入信号的电压极性为正时，极性负号不显示如“19.99”。

21端：

BP，液晶显示器背电极，与正负电源的公共地端相连接。

27端：

INT，积分器输出端，外接积分电容

。

28端：

BUFF，输入缓冲放大器的输出端，外接积分电阻

。

29端：

AZ，积分器和比较器的反相输入端，接自校零电容

。

30、31端：

INLO、INHI，输入电压低、高端。

由于两端与高阻抗CMOS运算放大器相连接，可以忽略输入信号的注入电流，输入信号应经过1M

电阻和0.01

电容组成的滤波电路输入，以滤除干扰信号。

2～8端：

个位数显示器的笔段驱动输出端，各笔段输出端分别与个位数显示器对应的笔段a～g相连接。

9～14、25端：

十位数显示器的笔段驱动输出端，各笔段输出端分别与十位数显示器对应的笔段a～g相连接。

15～18、22～24端：

百位数显示器的笔段驱动输出端，各笔段输出端分别与百位数显示器对应的笔段a～g相连接。

32端：

COM，模拟公共电压设置端，一般与输入信号的负端，负基准电压端相接。

33、34端：

、

，基准电容负压、正压端，它被充电的电压在反相积分时，成为基准电压，通常取

=0.1

。

35、36端：

REFLO、REFHI，外接基准电压低、高位端，由电源电压分压得到。

37端：

TEST，数字地设置端及测试端，经过芯片内部的500

电阻与GND相连。

38、39、40端：

，产生时钟脉冲的振荡器的引出端，外接R1、C1元件。

元器件的选择

1积分电阻

缓冲放大器的积分器都带有甲类输出放大器，静态电流均为100μA左右。

输出为4μA时的非线性度很小，可忽略不计。

积分电阻必须足够大，以使在整个输入信号范围内的积分电流都落在这个线性度很好的区间。

同时积分电流又必须大到印刷版上的漏电电流可以忽略。

对于2V的满量程，470KΩ是最优的，满量程为200mV时，可选47KΩ。

2积分电容

积分电容的选择须使得最大电压摆幅不达到积分器输出电压的最大饱和摆幅，（约比电源和地低0.3V和高0.3V）。

当ICL7107的模拟公共端做参考点时，积分器输出满量程标称为2V时最佳，当ICL7107用+5V电源供电，模拟公共端接地时，±3.5V只+4.5V的标称输出摆幅为最好。

在每秒3个读数时，CINT的标称值分别为0.22μF和0.10μF。

当然，在使用不同的震荡频率时，该电容的值也要往相反的方向进行修正，以保持同样的输出摆幅。

选择积分电容的另一个要求时其漏电要小，以减少翻转误差。

较合适的电容式聚丙烯电容，它的漏电几乎可以完全忽略，而成本又很低。

3自动教校零电容

自动校零电容的大小对系统的噪声会有些影响。

在200mV满量程时，噪声显得很重要。

推荐使用0.047μF电容，这样，噪声在合理范围内，同时，也加快了过载时的恢复速度。

4参考电容

在绝大多数使用场合下，0.1μF的电容效果最好。

然而，当存在较大的共模电压（即REFLO管脚未与模拟公共端连接）和使用200mV的满量程时，可选用较大的电容，以防止产生翻转误差。

一般地，1μF的电容在这种情况下可将翻转误差控制在0.5个显示字范围内。

5振荡器元件

在所有的频率范围内，推荐使用100KΩ的振荡电阻，振荡电容的值用下式进行推算，f=0.45/RC。

在48KHz振荡频率时（每秒3个度数），C=100pF。

6参考电压

产生满量程读数值输出（2000个计数值）所需的模拟输入电压为Vin=2VREF，这样，对于200mV和2V的量程，VREF应分别为100mV和1V。

然而在许多应用场合，该A/D电路直接连接到传感器的输出，在数字输出和输入电压间就存在一量程因子的问题。

例如，在一称重系统中，设计者可能会希望传感器的电压输出为0.662V时，A/D转换器的数字输出为满量程。

这时，它应将传感器的输出电压直接接到A/D输入，参考电压调至0.331V，（而不是将传感器的输出电压衰减至200mV），并将积分电阻和积分电容选至合适的120KΩ和0.22μF。

这样会使系统显得简洁，并去掉了输入端的衰减网络。

在用±5V供电的ICL7107的输入端可接受±4V的输入信号，这类系统的另一个优点是在输入电压VIN≠0时，可将输出数字读数调为零。

这对于测温和称重系统就是一个例子：

为方便地将数字输出调为零，可将传感器的输出电压接至INHI和COMMON端，可调整的（或固定的）调零电压加在COMMON和INLO端。

7ICL7107的电源供电

ICL7107设计工作于±5V的电源电压，如果负电源没有时，可利用时钟输出信号，外接2只二极管、2只电容和一块廉价的继承电路来产生这个负电源，如图所示。

事实上，有些系统式可以不用负电源的，用单一+5V供电的前提条件是：

输入电压可以公模方式的中心电压为参考。

输入信号电压小于±1.5V。

采用外接参考源。

4.6数显模块电路原理图确定

根据以上确定的参数最终设计的显示模块电路如图：

五电路功能模块的连接

数显模块和电源模块的连接，采用数显模块的负测量端、ICL7107芯片的21引脚和电源模块的接地端共同接地，数显模块的正测量端和电源模块的正、负电压输出端通过一个双向开关连接，当开关打向上端时，通过调节滑动变阻器W2就可以得到需要的正输出电压，电压值直接显示在数显模块上，当开关打向下端时，通过调节滑动变阻器W1就可以得到需要的负输出电压，并电压值直接显示在数显模块上。

整个设计的原理图如下：

结束语

本次设计，介绍了一种连续可调直流稳压电源的方案，从理论计算方面叙述了此方案的原理和电路图，同时通过试验验证了方案的可行性。

此电源相对于相对于一般的直流稳压电源，有以下几个特点：

1）元器件购买方便。

此方案应用的元器件无论是7824、7924还是ICL7107都是市场上最常见的元器件之一，购买这些元器件很方便。

2）电路简单。

此电源仅仅应用3个芯片便组成了一个完整的稳压电源。

无论是批量生产还是单个制作，都很方便。

3）价格便宜。

构成此电源的元器件都是市场上很便宜很常见的器件，成本低廉。

4）可调节电压。

与一般定值直流稳压电源相比，此电源可以通过调节来获得不同的电压值，这样就可以省去大量的应用成本，用一个直流稳压电源就可以实现多个不同电压值的直流稳压电源的功能。

电路图软件使用autiumdesigner

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