課程設(shè)計實驗報告簡易數(shù)控直流可變穩(wěn)壓電源

1、2010電子技術(shù)課程設(shè)計實驗報告 設(shè)計題目：簡易數(shù)控直流可變穩(wěn)壓電源 目錄一、 系統(tǒng)設(shè)計要求511任務(wù)512設(shè)計要求513發(fā)揮部分514設(shè)計提示5二、 方案的選擇與系統(tǒng)框圖521方案框圖522方案比較與選擇6三、 單元模塊的設(shè)計6 31 各部分工作原理632電路參數(shù)計算及元器件的選擇10四、 系統(tǒng)的完整電路圖及工作原理10五、 組裝調(diào)試1151 系統(tǒng)組裝1152系統(tǒng)調(diào)試過程1153系統(tǒng)連接測試12六、 實際pcb布線圖12七、 方案分析及改進13八、 測試數(shù)據(jù)：13九、 課程體會:14十、 參考文獻：14摘要本簡易數(shù)控直流可變穩(wěn)壓電源由電壓輸入電路、穩(wěn)壓輸出電路、按鍵計數(shù)電路和數(shù)碼顯示電路組成

2、。電壓輸入電路輸入的12v直流電壓直接由實驗室直流電壓源提供，經(jīng)過退耦、濾波后直接輸入到三端可調(diào)式穩(wěn)壓芯片lm317的輸入端，通過改變?nèi)丝烧{(diào)式穩(wěn)壓芯片的電阻值而得到不同的輸出電壓值，在這里選用八通道數(shù)字模擬開關(guān)cd4051的選通與否來改變?nèi)丝烧{(diào)式穩(wěn)壓芯片可調(diào)端的電阻。而八通道數(shù)字模擬開關(guān)的開關(guān)狀態(tài)則通過按鍵計數(shù)狀態(tài)生成的三位二進制碼來控制，計數(shù)器的狀態(tài)與三端可調(diào)式穩(wěn)壓器的輸出電壓一致，同時將計數(shù)器的數(shù)值狀態(tài)經(jīng)過譯碼后在數(shù)碼管上同步顯示輸出的電壓。關(guān)鍵詞：電源 穩(wěn)壓芯片 可調(diào) 電壓 abstractthe simple digital controlled variable voltage

3、input from the power supply circuit, the voltage output circuit, buttons and digital display counting circuit circuit. input circuit dc voltage 12v input dc voltage source directly from the laboratory to provide, after decoupling, filtering directly into the three-terminal adjustable regulator ic lm

4、317s input, by changing the three-terminal adjust- able regulator chip resistor value obtain different output voltage, where the s-election of eight-channel digital analog switches cd4051 strobe or not to cha- nge the three-terminal adjustable regulator chip adjustable side of the resista- nce. and

5、eight-channel digital analog switch off status of the state is generated by counting three key binary control, the counter state and three-terminal adju- stable regulator output voltage line, while the state after the counter value after the decoding simultaneous display on the digital output voltag

6、e. key words：power regulator ic adjustable voltage 一、 系統(tǒng)設(shè)計要求11任務(wù) 設(shè)計并制作一個簡易數(shù)控直流可變穩(wěn)壓電源，能夠提供一定范圍內(nèi)的、功率達到要求的直流可變電壓，設(shè)計原理簡易圖如圖1所示：電壓輸入 計數(shù)譯碼 按鍵輸出顯示 調(diào)節(jié) 電壓 電壓處理輸出電壓圖112設(shè)計要求(1) 用集成芯片制作一個29v的直流電源。(2) 最大功率要求10w以上。(3) 電壓的調(diào)整步進為1v并有相應(yīng)的指示。(4) 能夠在負載為10 10w的情況下正常工作。13發(fā)揮部分電源具有過壓、過流保護。 pcb連接更加簡潔,滿足大功率要求，制作的板子盡可能緊湊、有序、美觀

7、。14設(shè)計提示參考器件：cd4051 lm317 lm7805 74hc4511 74ls193二、 方案的選擇與系統(tǒng)框圖21方案框圖（1） 、如圖2.1所示，輸入的12v直流電壓經(jīng)過退耦、濾波后直接輸入到三端可調(diào)式穩(wěn)壓芯片lm317的輸入端，通過改變?nèi)丝烧{(diào)式穩(wěn)壓芯片的電阻值而得到不同的輸出電壓值，在這里選用八通道數(shù)字模擬開關(guān)cd4051的選通與否來改變?nèi)丝烧{(diào)式穩(wěn)壓芯片可調(diào)端的電阻。而八通道數(shù)字模擬開關(guān)的開關(guān)狀態(tài)則通過按鍵計數(shù)狀態(tài)生成的三位二進制碼來控制，計數(shù)器的狀態(tài)與三端可調(diào)式穩(wěn)壓器的輸出電壓一致，同時將計數(shù)器的數(shù)值狀態(tài)經(jīng)過譯碼后在數(shù)碼管上同步顯示輸出的電壓。 29v電壓lm31712v

8、dc 輸入 輸出 七段數(shù) 碼顯示 輸 入 供電 電阻 聯(lián)調(diào)cd4051lm7805供電 通道 選擇 數(shù)值 送顯按鍵74ls193 74hc4511 計數(shù) 譯碼供電圖2.1（2）、如圖2.2所示，不采用cd4051作為聯(lián)調(diào)電阻通道的選擇開關(guān)，而利用三極管與3-8線譯碼芯片的譯碼輸出共同作用來選擇某一個通道與lm317的adj端連接來調(diào)節(jié)輸出電壓。而在其數(shù)碼顯示部分由于3-8線譯碼器只能輸出07的二進制代碼，所以在送顯時要配合全加器才能在數(shù)碼管上顯示29的值。lm317 adj端顯示全加器待選擇聯(lián)調(diào)電阻3-8線譯碼輸出74ls00與非門圖2.222方案比較與選擇如圖2.12.2所示框圖所示，為采用

9、不同的方法實現(xiàn)了簡易數(shù)控直流可變穩(wěn)壓電源的制作原理。其中，兩個方案的核心設(shè)計思路是完全一致的，但對于一些部分的處理上選擇的不同的方法。方案一中大多采用集成ic而非單立元件，并且在送顯部分簡單易行，這樣的系統(tǒng)制作過程簡單，電路簡潔明了，而且具有更高的穩(wěn)定性，相對于方案二還減少了一個模塊。綜合考慮成本、可操作性、簡潔、實用等因素后，我們選擇方案一作為最終實施方案。三、 單元模塊的設(shè)計31 各部分工作原理電壓輸入輸出模塊：工作原理：如圖3.1，12v直流電壓輸入經(jīng)過處理后供給穩(wěn)壓芯片lm7805和lm317，其輸出分別為其他芯片供電和輸出可變電壓：lm317是可調(diào)式三端穩(wěn)壓器，能夠連續(xù)輸出可調(diào)的穩(wěn)定

10、的直流電壓。它只允許可調(diào)正電壓，且該穩(wěn)壓器內(nèi)部含有過流，過熱保護電路；lm317通過一個電阻（r2）和一個可變電位器（rp）組成電壓輸出調(diào)節(jié)電路，它的輸入電壓vi=15v，輸出電壓為 vo=1.25（1+rp/r2），在該方案中，通過8通道數(shù)字控制模擬開關(guān)cd4051芯片改變rp的值，從而改變輸出的電壓值。圖3.1lm7805是固定式三端穩(wěn)壓器，當(dāng)其輸入輸出的壓差達到要求時，其固定輸出+5v，一般要求7805的輸入輸出的壓差在大于2v的情況下，才能保證正常輸出。其他電路、元件功能：輸入電路：直流電壓源輸出的直流電壓都有一定程度的紋波，可通過電容濾波來減小或消除紋波對后續(xù)電路的影響。選用100u

11、f的電解電容c1起平滑輸出的作用，選用0.1uf（104）瓷片電容起消除高頻干擾作用，即用c1和c2抑制高頻干擾。容量選擇：大電容：負載越重，吸收電流的能力越強，大電容需求的容量就越大。 小電容：一般選104即可。注意：大容量電解電容有一定的繞制電感分布電感，易引起自激振蕩，形成高頻干擾，故可在穩(wěn)壓器輸入輸出端并入小容量瓷片電容來抵消電感效應(yīng)，消除高頻干擾。輸出電路：電解電容c3用來提高穩(wěn)壓器的紋波抑制比，減小輸出電壓中的紋波；c6用來克服lm317在深度負反饋作用下可能產(chǎn)生的自激振蕩，還可以進一步減小輸出電壓中的紋波分量；d1的作用是防止輸入端短路時，電容c6放電而損壞穩(wěn)壓器；d2的作用是防

12、止輸出端短路時，c3放電而損壞穩(wěn)壓器。其中電源與gnd之間的r1和led用來指示電源是否加上和是否加正確。聯(lián)調(diào)電阻通道選擇部分：工作原理：電路如圖3.2，在該方案中，通過八通道模擬開關(guān)cd4051芯片改變選擇不同rp，通過改變rp從而改變輸出的電壓值。cd4051的開關(guān)的選通，通過其使能端與其選通狀態(tài)代碼控制，而其選通狀態(tài)代碼則通過74ls193加/減計數(shù)器的計數(shù)狀態(tài)a、b、c控制。圖3.2 通道選擇與計數(shù)器狀態(tài)a、b、c關(guān)系如下圖：輸入通道及電壓值inhc b a0 000 x0（8v）0001 x1（9v）0010 x2（2v）0011 x3（3v）0100 x4（4v）0101 x5（5

13、v）0110 x6（6v）0111 x7（7v）1xxx 無通過這樣巧妙地處理后，即使是只有a、b、c三個狀態(tài)的計數(shù)器，不通過全加器也可以實現(xiàn)顯示出2-9的數(shù)值。按鍵計數(shù)部分：工作原理：如圖3.3，按鍵按下后經(jīng)消抖處理后接入計數(shù)器的cu端進行計數(shù)，同時qa,qb,qc,qd電位也會發(fā)生相應(yīng)的變化，他們的變化相應(yīng)地又會去控制和影響cd4051和譯碼器74hc4511的a、b、c、d端口。下面為計數(shù)器74ls193的功能表：74ls193的功能表清零 預(yù)置 時鐘 預(yù)置數(shù)據(jù)輸入 輸出 mr pl cu cd p0 p1 p2 p3 qa qb qc qd 1 0 0 0 0 0 0 d0 d1 d2

14、 d3 d0 d1 d2 d30 1 1 加計數(shù) 0 1 1 減計數(shù)根據(jù)功能表所示，我們?yōu)橛嫈?shù)器置初值為2（0010），當(dāng)計數(shù)增加到9（1001）后，通過與非門反饋，計數(shù)器有重新置數(shù)為0010，之后循環(huán)。圖3.3 按鍵消抖電路：如果按鍵沒有消抖，會造成按鍵后高低電平跳變之間有毛刺，導(dǎo)致按一下鍵數(shù)字跳變多次的效果，影響電路的穩(wěn)定性。解決方案：用與非門對電路進行延時，再加上微分電路。如圖3.4圖3.4譯碼顯示部分：工作原理：如圖3.5，當(dāng)計數(shù)器的a、b、c、d隨按鍵的按下而改變時，譯碼器74hc4511也會響應(yīng)，將其轉(zhuǎn)化成對應(yīng)的七段數(shù)碼后送給數(shù)碼管顯示。其功能介紹如下： bi：4腳是消隱輸入控制端

15、，當(dāng)bi=0 時，不管其它輸入端狀態(tài)如何，七段數(shù)碼管均處于熄滅（消隱）狀態(tài)，不顯示數(shù)字。lt：3腳是測試輸入端，當(dāng)bi=1，lt=0 時，譯碼輸出全為1，不管輸入 dcba 狀態(tài)如何，七段均發(fā)亮，顯示“8”。它主要用來檢測數(shù)碼管是否損壞。 le：鎖定控制端，當(dāng)le=0時，允許譯碼輸出。le=1時譯碼器是鎖定保持狀態(tài)，譯碼器輸出被保持在le=0時的數(shù)值。 a、b、c、d、為8421bcd碼輸入端。 a、b、c、d、e、f、g：為譯碼輸出端，輸出為高電平1有效。圖3.4 32電路參數(shù)計算及元器件的選擇參數(shù)計算：在本方案種涉及到的參數(shù)計算僅有滑動變阻器的選擇：根據(jù)公式：vo=1.25（1+rp/r）

16、，選用r=220，vi=+12v，則vo=2v時，r3=rp=132vo=3v時，r4=rp=308vo=4v時，r5=rp=484vo=5v時，r6=rp=660vo=6v時，r7=rp=836vo=7v時，r8=rp=1012vo=8v時，r9=rp=1188vo=9v時，r10=rp=1364考慮到cd4051的各開關(guān)選通后存在內(nèi)阻，且上述阻值的電阻不好找到，故在該方案中rp采用變阻器。除了r8，r9,r10采用010k的變阻器外，其它均采用01k的變阻器。元件選擇：輸出5v的穩(wěn)壓芯片：lm7805輸出可調(diào)穩(wěn)壓芯片：lm317輸出電壓的可調(diào)范圍滿足設(shè)計要求的2-9v，且其最大電流也能滿足

17、系統(tǒng)對功率的要求。聯(lián)調(diào)電阻通道選擇：cd4051計數(shù)器：74ls193 四位二進制加/減計數(shù)器，滿足系統(tǒng)對2-9加計數(shù)的要求。與非門;74ls00譯碼器：74hc4511顯示元件:七段共陰數(shù)碼管四、 系統(tǒng)的完整電路圖及工作原理如圖4.1所示為各單元電路連接的系統(tǒng)完整電路圖：圖4.1工作原理：直流電壓源輸出的電壓經(jīng)耦合，濾波后作用到固定式三端穩(wěn)壓器lm7805和可調(diào)式三端穩(wěn)壓器lm317，lm7805穩(wěn)定輸出的+5v直接為74ls193，74 ls00，譯碼器74hc4511提供電源電壓。根據(jù)公式：vo=1.25（1+rp/r），改變連接lm317的1腳上的電阻阻值，就可在其輸出端得到不同的電壓

18、值。lm317的1腳上電阻阻值的改變是通過8通道數(shù)字控制模擬開關(guān)芯片cd4051實現(xiàn)的。因為當(dāng)inh為低電平時，4051的輸入端c、b、a的不同狀態(tài)輸入，可選通對應(yīng)的開關(guān)，即可改變lm317的1腳上電阻阻值，從而控制lm317的輸出電壓值。cd4051的輸入端c、b、a的狀態(tài)，則通過74ls193的計數(shù)輸出狀態(tài)來控制，即將74ls193的四個計數(shù)輸出端的低三位分別與cd4051的輸入端c、b、a相連接。同時將74ls193的四個計數(shù)輸出端與驅(qū)動共陰極數(shù)碼顯示器的bcd碼四位七段譯碼器74hc4511的四位輸入端相連接，通過74hc4511譯碼后驅(qū)動共陰極數(shù)碼管顯示相應(yīng)的電壓值，實現(xiàn)電壓輸出與顯

19、示值同步。五、 組裝調(diào)試51 系統(tǒng)組裝組裝調(diào)試過程中，使用的主要儀器，儀表及工具包括：直流電壓源，萬用表，烙鐵等。組裝時，應(yīng)注意的方面：檢查電路板上的銅線是否存在斷線和短路問題，若存在應(yīng)及時解決，可用焊錫對斷線進行修補，如果斷線很嚴(yán)重可用搭連導(dǎo)線解決。在焊接的時候烙鐵的溫度不要太高，這樣于焊接不利。52系統(tǒng)調(diào)試過程調(diào)試部分：（1）調(diào)試時，要注意各芯片的安裝是否正確。連通電源，輸入+12v直流電壓，用萬用表測量各芯片的電源電壓vcc的電壓值。該實驗調(diào)試中，測得7805的輸入輸出端電壓分別為+8.1v和+4.9v，lm317的輸入輸出端電壓分別為+12v和3.3v。4051的電源電壓vcc為+11

20、.9v，74ls193，74ls00，4511的電源電壓均近似為+4.9v。（2）接下來逐一排查各芯片工作是否正常。接通電源，數(shù)碼管顯示數(shù)字為2，用萬用表表筆測量74ls193的計數(shù)輸出的高低電平的狀態(tài)（一般電壓值小于0.17v左右為低電平，電壓值大于2.7v為高電平），經(jīng)測量74ls193的計數(shù)狀態(tài)輸出端qd qc qb qa的電壓值分別為0v，0v，4.3v，0v，這與顯示值是對應(yīng)的。（3）將cd4051芯片拔出，開通電源，用導(dǎo)線分別代替各開關(guān)，調(diào)節(jié)變阻器，觀察lm317的電壓輸出值的變化。若輸出電壓值隨變阻器阻值的變化而變化，且用萬用表測得4051插槽的各引腳的高低電平狀態(tài)與原理圖上對應(yīng)

21、的預(yù)期的理論值接近，則說明連接cd4051各管腳的銅線無斷線，短線現(xiàn)象。(4)在調(diào)試過程中我們發(fā)現(xiàn)lm7805和74hc4511會特別的發(fā)燙，而且數(shù)碼管會很亮，分析后我們將譯碼器與數(shù)碼管之間加上了470限流電阻，這一問題得到了很好的解決。53系統(tǒng)連接測試分塊測試完成后，把系統(tǒng)整體進行連接，進行整機測試?？紤]到使用方便，操作簡潔，合理連接各內(nèi)部模塊，完成后進行測量，實測結(jié)果達到指標(biāo)。 該設(shè)計的電路經(jīng)調(diào)試后基本能達到設(shè)計指標(biāo)要求，能做到穩(wěn)定直流電壓輸出與顯示同步進行，顯示2v9v。由于考慮到cd4051內(nèi)阻的存在，變阻器的靈敏度不高，使得測得模擬電壓存在一定得誤差。接入負載為10 10w的大功率電

22、阻：標(biāo)準(zhǔn)電壓（v）實際電壓（v）實際電流（a）標(biāo)準(zhǔn)功率（w）22.090.21012*0.28=3.3633.070.30712*0.32=3.8444.000.412*0.41=4.9255.020.512*0.52=6.2466.040.60412*0.64=7.6877.010.7012*0.74=8.8888.020.80212*0.81=9.7299.070.90712*0.96=11.52效率=實際功率與標(biāo)準(zhǔn)功率的比值=（9.07*0.907）/（0.96*12）=71.4%由于設(shè)計電路及測量本身的誤差，屬于正常。六、 實際pcb布線圖如圖6.1為實際pcb布線圖：圖6.1七、 方案分析及改進電路的設(shè)計結(jié)構(gòu)簡單，能實現(xiàn)數(shù)字控制模擬電壓輸出，且將模擬輸出電壓值在數(shù)碼管上顯示，具有較好的同步性。該方案結(jié)構(gòu)系統(tǒng)圖較簡單，易于實現(xiàn)，便于組裝調(diào)試，但該方案實現(xiàn)的模擬電壓輸出范圍有限，元器件需求量多，且按鍵消抖處理有待改善。建議用555定時器來產(chǎn)生一個下降沿作用到計數(shù)器脈沖計數(shù)端，這就避免了按鍵消抖的不完善之處。也可以用