畢業(yè)設計基于數(shù)顯直流穩(wěn)壓電源的設計(000001)

1、摘要當今社會人們極大的享受著電子設備帶來的便利，但是任何電子設備都有一個共同的電路-電源電路。大到超級計算機、小到袖珍計算器，所有的電子設備都必須在電源電路的支持下才能正常工作。常用的穩(wěn)壓電源有交流和直流之分，當然這些電源電路的樣式、復雜程度千差萬別。不可否認電源已經(jīng)廣泛地應用于我們生活的方方面面，所以，學習并了解電源的制作原理和技術對于我們的生產(chǎn)和發(fā)展都具有積極的意義。由于電子技術的特性，電子設備對電源電路的要求就是能夠提供持續(xù)穩(wěn)定、滿足負載要求的電能，而且通常情況下都要求提供穩(wěn)定的直流電能。提供這種穩(wěn)定的直流電能的電源就是直流穩(wěn)壓電源。直流穩(wěn)壓電源在電源技術中占有十分重要的地位。本文主要設

2、計并制作數(shù)字顯示的直流穩(wěn)壓電源。本電源作為一個微型啟動器，具有可調整電壓，調壓范圍是1.25V-20V，而且具備輸出電壓可以顯示的功能。本文介紹了直流穩(wěn)壓系統(tǒng)的總體的設計方案，它主要由變壓器部分、整流濾波部分、穩(wěn)壓部分、電壓數(shù)字顯示部分和輸出部分組成。電源的穩(wěn)壓部分用三端集成穩(wěn)壓管LM317完成，數(shù)字顯示部分用ICL7107芯片完成。ICL7107是一種市場上應用非常廣泛的集成芯片，內置程序，可以直接驅動LED數(shù)碼管。本設計的顯示部分是采用ICL7107芯片制作LED顯示的數(shù)字電壓表，并聯(lián)到輸出端，完成電壓顯示的功能。本電源具有設計簡單靈活，成本低，效率高，調整精度高等優(yōu)點，在市場上有很好的應

3、用前景。1 前言1.1 穩(wěn)壓直流電源的研究背景直流穩(wěn)壓電源一般由三大部分組成，它們分別是變壓器部分，整流濾波部分和穩(wěn)壓器部分。通過變壓器把220V的市電變?yōu)殡娫此枰牡蛪航涣麟?，然后?jīng)過整流器，把交流電變成直流電，但是這時候的直流電并不穩(wěn)定，需要經(jīng)過濾波后，再由穩(wěn)壓器穩(wěn)壓輸出穩(wěn)定的直流電。本設計采用lm317芯片作為集成穩(wěn)壓電路的芯片，不僅電路簡單，而且電壓可以在1.25V-37V內連續(xù)可調，而且它效率高，性能好，有較高的調整精度，各方面都適合設計的要求。本電源在市場上很有應用前景，可以作為收音機或掌機的外接電源，也可以用作手機電池的充電器，功率高點的還作為小型電視或其他家用電器的電源。直流

4、穩(wěn)壓電源是電子技術常用的儀器之一，它現(xiàn)在廣泛的應用在學校教學，科學研究等領域，是電子設計人員進行實驗操作和科學研究必不可少的電子儀器。在日常的電子電路中，供電電源常常要用到穩(wěn)壓直流電源。所以，穩(wěn)壓直流電源具有非常重要的研究意義。在日常生活中，很多家用電器或者IT產(chǎn)品都要用到穩(wěn)壓直流電源供電。但是在實際生活中，我們的家庭用電都是用到220V的交流電網(wǎng)。這就需要通過變壓，整流，濾波，穩(wěn)壓電路來將交流電轉換成穩(wěn)壓的直流電，供家用電器使用。變壓器可以將220V的交流電轉換成適合用電器的低壓交流電。整流器由二極管組成，用于濾去整流輸出電壓中的紋波。1.2 課題的主要內容1.2.1 電源的輸出控制本系統(tǒng)利

5、用lm317的穩(wěn)壓及其電壓可調的功能，通過旋轉接在調整腳的電位器，實現(xiàn)輸出電壓在1.25-20V內連續(xù)可調，調整精度較高。LM317的電壓調整電路圖如圖1所示。圖1 lm317的電壓調整原理電路圖如圖1所示，通過調整可調電阻RV1的阻值，就可以調整輸出電壓Vo的大小。所以，如果希望調整的精度高，可調電阻RV1的調整精度也要高。1.2.2 穩(wěn)壓直流電源的功能本設計的穩(wěn)壓直流電源，除了可以輸出穩(wěn)定的直流電壓和實現(xiàn)電壓的平滑連續(xù)可調外，還有數(shù)顯功能，能夠用LED數(shù)碼管顯示輸出端的電壓。1.2.3 性能指標輸出最大電壓：20V輸出最小電壓：1.25V輸出最大電流：1.5A最大傳送功率：20W1.2.4

6、 論文的總體結構第一部分主要介紹課題的背景，研究意義，介紹本文的主要研究內容，包括實現(xiàn)的功能和性能指標等。第二部分提出穩(wěn)壓直流電源的總的設計思路和幾種可行的方案，以及各方案實現(xiàn)的功能，并對這些不同的方案進行分析，最終選擇了本方案，并對本方案需要用到的元器件進行詳細的介紹。第三部分對選擇的方案進行分析闡述，把電路分模塊地論述，給出各部分電路圖。第四部分對穩(wěn)壓直流電源的性能參數(shù)進行測量和評估，以及對被控對象進行研究。第五部分給出設計的實物圖。第六部分對本穩(wěn)壓直流電源給出本課題的結論，作結束語。2 方案的選擇和設計思路2.1 方案設計與論證1 輸出電壓范圍1.25V-20V；2 波紋系數(shù)盡量小，輸出

7、穩(wěn)定；3 能數(shù)字顯示電壓。三個方案的選擇：方案一：開關電源，采用PWM脈寬調節(jié)。它的功耗比較小，效率高，穩(wěn)壓范圍寬，電路的形式多樣。但是，PWM占空比的線性變化使相應的電流呈非線性變化，經(jīng)分析發(fā)現(xiàn)濾波電容的存在對占空比很小的PWM波積分效果明顯，導致電壓的非線性變化更顯著，特別是PWM占空比很小的時候，即希望調出很小的電壓的時候。方案二：用單片機控制輸出電壓的調整，使用電壓采樣電路，通過A/D轉換實現(xiàn)閉環(huán)控制。主要由微控制器模塊，穩(wěn)壓控制模塊，電壓采樣模塊，顯示鍵盤模塊，電源模塊五部分組成。方案二系統(tǒng)框圖如圖2所示。輸出電壓控制單元51單片機掉電貯存單元按鍵電路LCD顯示單元電壓/電流采樣電路

8、電源電路電壓/電流采樣電路圖2 方案二系統(tǒng)框圖方案三：利用lm317集成穩(wěn)壓芯片為核心，通過變壓器之后整流濾波再穩(wěn)壓輸出穩(wěn)定的直流電。再用ICL7107芯片制作數(shù)字顯示電壓表頭，芯片的供電也是用lm317制作+5V的穩(wěn)壓電源提供。方案三系統(tǒng)框圖如圖3所示。輸出LM317穩(wěn)壓電路變壓器220AC輸入LED顯示ICL7107圖3 方案三系統(tǒng)框圖根據(jù)課題的要求最終選擇方案三，雖然方案三電壓調節(jié)精度不及方案二，但是連續(xù)可調的直流電壓比較符合課題，方案二中的數(shù)控直流電源是步進調壓的。而且方案三具有電路簡單，價格低廉，便于操作等優(yōu)點，而且經(jīng)過調試，其電壓輸出穩(wěn)定，調壓精度高，效率高，完全符合課題的要求。2

9、.2 芯片的選擇2.2.1 LM317三端可調節(jié)穩(wěn)壓器Lm317是可調節(jié)三端正電穩(wěn)壓器，在輸出電壓的范圍是1.25V-37V的時候能夠提供超過1.5A的電流，此穩(wěn)壓器非常容易使用，只要兩個外部電阻來設置輸出電壓。此外，還使用內部限流，熱關斷和安全工作區(qū)補償從而使之能防止燒斷保險絲。Lm317是應用很廣泛的集成電路之一。它不僅能構成三端穩(wěn)壓電路的最簡單形式，同時輸出電壓具有可調的功能。此外，它還有眾多的優(yōu)點，例如，調壓范圍寬，穩(wěn)壓性能好，噪聲低，紋波抑制比高。它的主要性能參數(shù)如下：輸出電壓：1.25-37V DC；輸出電流：5mA-1.5A；保護電路：芯片內部有過熱，過流，短路保護電路；最大輸入

10、輸出電壓差：40V DC；最小輸入輸出電壓差：3V DC集成穩(wěn)壓器有多種型號供選擇，每種型號有著不同的性能指標，可用于功能要求不一樣的各種電路。表1為幾種集成穩(wěn)壓器的型號與性能指標：表1 幾種集成穩(wěn)壓器的型號與性能指標類型三段固定三端可調大電流可調參數(shù)符號單位78Mxx、79Lxxlm317、LM337LM138輸入電壓V1V+-（8-40）+-（3-40）35輸出電壓V0V+-（5-24）+-（1.2-37）1.2-32最小電壓差（Vi-Vo）minV+-(2.0-2.5)2.8電壓調整率Sv%V3-180.010.01電流調整率Si%12-150.10.03溫度系數(shù)S/300(0-75)

11、紋波抑制比RRdB53-62、6065、77-8060-75調整端電流IduA50、65-100輸出阻抗Zo最小負載電流IominmA3.5輸出電流IoA空擋（1.5）M（0.5）L（0.1）最大功耗PmaxW0.6-20輸出噪聲電壓VnuV(峰-峰值)4-70、125-600502.2.2 ICL7107三位半LCD/LED顯示A/D轉換器ICL7107是現(xiàn)時一種在數(shù)字儀表領域上應用非常廣泛的三位半A/D轉換器，它的用途非常廣泛，不僅可以用于制作數(shù)字顯示電壓表，電路稍加改造，還可以用于制作數(shù)字電流表和數(shù)字溫度計等實用的電路或儀表。ICL7107是一種高性能，高效率，低功耗的三位半A/D轉換器

12、電路。它集成了七段譯碼器，顯示驅動器，參考源和時鐘系統(tǒng)，并且可以直接驅動發(fā)光二極管。ICL7107芯片將高精度，低成本和通用性非常好地集于一身，而且極性誤差小于一個字。真正的差動輸入和差動參考源在各種各樣的系統(tǒng)中都發(fā)揮了非常大的作用。而且，只要用十來個作用的無源電子元件和LED發(fā)光管就可以與ICL7107構成一個具有高性能的儀表面板，充分表現(xiàn)出ICL7107芯片的低成本還有電路設計簡單等優(yōu)點。ICL7107芯片共有40個引腳，芯片的第一腳，是將芯片正放，眼睛面對芯片的型號字符，在芯片的左下方就是它的第一腳。當知道了那個腳是第一腳，按照逆時針方向排列，依次是第二引腳到第四十引腳。芯片的第一引腳是

13、供電，需要接入DC5V的電壓。第36引腳是基準電壓，正確數(shù)值時100mv，第26引腳是負電源引腳，它的電壓數(shù)值是負的，最好是-3.2v到-4.2v左右，不能夠是正電壓或者零電壓。芯片第31引腳是信號輸入引腳。芯片的電源地是21腳，模擬地是32腳，信號地是30腳，基準地是35腳，在通常的情況下，這四個引腳都接地。下面給出ICL7107芯片的管腳排列圖，如圖4所示：圖4 ICL7107的管腳排列圖表2為ICL7107芯片的各種極限參數(shù)的表格，包括工作溫度、儲存溫度、熱阻和最大結溫等。表2 ICL7107的極限參數(shù)參數(shù)類型型號符號參數(shù)范圍單位電源電壓ICL7106V+V-15V電源電壓ICL7107

14、V+GND6V電源電壓ICL7107V-GND-9V模擬輸入電壓ICL7106/ICL7107V+V-參考源輸入ICL7106/ICL7107V+V-時鐘輸入ICL7106TESTV+時鐘輸入ICL7107GNDV+工作溫度ICL7106/ICL7107Topr070貯存溫度ICL7106/ICL7107Tstg-65150熱阻ICL7106/ICL710750/W最大結溫ICL7106/ICL71071503 可調穩(wěn)壓直流電源的設計3.1 可調穩(wěn)壓直流電源的基本組成穩(wěn)壓電源一般分為五部分，由變壓器降壓電路，全橋整流電路，濾波電路，穩(wěn)壓電路和保護電路組成。穩(wěn)壓電源電路圖如圖5所示。圖5 穩(wěn)壓電

15、源電路原理圖Lm317可調式集成穩(wěn)壓電源的原理圖如圖5所示，只要接線正確，一般能良好地實現(xiàn)它的功能。交流220V電壓經(jīng)過電源變壓器降壓整流后得到直流電壓Vin，電壓Vin經(jīng)過濾波電路輸入到集成穩(wěn)壓器的輸入端，在集成穩(wěn)壓器輸出端課調出1.25V-20V（可調范圍取決于R2和R3的取值，最大范圍可以從1.25V調到37V。）的電壓。為獲得較高的輸出電壓值，LM317穩(wěn)壓器的調節(jié)端與地之間的電阻R2值及其壓降往往較大，在R2兩端并接一個不小于10uF的電容C3，可有效地抑制輸出端的紋波。由于穩(wěn)壓器在11的深度負反饋下工作，當輸出端負載為容性的某一值時，穩(wěn)壓器有可能出現(xiàn)自激現(xiàn)象。因此，在穩(wěn)壓器的輸入端

16、接入0.1uF的電容C2，輸出端接入10uF的電解電容C5，提供足夠的電流供給，同時可以防止可能發(fā)生的自激振蕩以及減小高頻噪聲和改善負載的瞬態(tài)響應。當輸入端發(fā)生短路時，C5通過穩(wěn)壓器的調整管放電，C5值較大，則放電時的沖擊電流很大，電壓會通過穩(wěn)壓器內部的輸出晶體管放電，可能造成輸出晶體管發(fā)射結反向擊穿。為此，在穩(wěn)壓器兩端并接二極管D6，輸入端短路時C5通過D6放電，保護LM317穩(wěn)壓器。3.2 整流濾波電路因為課題需要5V-12V的穩(wěn)壓直流電，所以需要用到220V轉18V的變壓器把高壓的交流電轉成低壓交流電。因為課題不需要用到20V以上的電壓，所以應該選用18V-24V的變壓器，這樣可以降低L

17、M317集成芯片的功耗，達到低功耗，高效率的要求。3.2.1 整流電路整流電路的任務是將交流電變換成直流電。完成這一任務主要是靠二極管的單向導電作用，因此二極管是構成整流電路的關鍵元件。在小功率整流電路中，常見的集中整流電路有單相半波、全波、橋式和倍壓整流電路。本設計采用單相橋式整流電路。單相橋式整流電路是工程上最常用的單相整流電路。在工作時，電路中的四只二極管都是作為開關運用，當正半周時，二極管V1、V3導通（V2、V4截止），在負載電阻上得到正弦波的正半周；當負半周時，二極管V2、V4導通（V1、V3截止），在負載電阻上得到正弦波的負半周。在負載電阻上正、負半周經(jīng)過合成，得到的是同一個方向

18、的單向脈動電壓。橋式整流電路原理圖如圖6所示。圖6 橋式整流電路原理圖選擇二極管要依據(jù)二極管的反向耐壓VRM和正向電流IF。由于濾波電容的容量愈大，二極管導通角愈小，通過二極管脈沖電流的幅度愈大，因此，整流管的幅值電流必須加以考慮。流過整流管的平均電流：式中Ii 為穩(wěn)壓器的輸入電流，IR1、IR2、Iadj 分別為流過R1、R2，以及調整端的電流，則：考慮到電容充電電流的沖擊，正向電流一般取平均電流的23 倍。二極管最大反向電壓：式中U2為電源變壓器次級電壓有效值，Ui為整流輸出電壓(即穩(wěn)壓器輸入電壓)。為了保證穩(wěn)壓器LM317穩(wěn)定運行，輸入電壓Ui與輸出電壓U0之差一般在515V范圍，取Ui

19、-U0=10V，得：設計時可考慮一定的余量。根據(jù)計算，1N4007的二極管符合設計要求，可以用作整流橋。橋式整流電路電壓和電流波形如圖7所示。 圖7 橋式整流電路電壓和電流波形如圖7所示，在交流電壓u2的整個周期內，負載Rl都有同方向的電流通過，故Rl上得到單方向全波脈動的直流電壓。這樣，四個二極管組成的整流橋就完成了整流的功能。3.2.2 濾波電路整流電路將交流電變?yōu)槊}動直流電，但其中含有大量的交流成分（稱為紋波電壓）。所以我們需要在整流電路之后加入濾波電路進行濾波，才能得到穩(wěn)定的直流電壓。對于濾波電路的選擇有兩種方案：方案一：采用電感濾波電路。由于電感在電路中有儲能的作用，所以在電路中可以

20、串聯(lián)電感，當電源供給的電流增加時，它能夠把能量儲存起來，當電流減小時，它有可以把能量釋放出來，是負載電流比較平滑，有平波的作用。在電感濾波電路中，整流管的導電角度比較大，峰值電流很小，輸出特性比較平坦，但是由于鐵芯的存在，比較笨重，體積比較大，而且容易引起電磁干擾。一般的情況下只適用于低電壓，大電流的場合。電感濾波電路圖如圖8所示：圖8 電感濾波電路方案二：采用電容濾波電路。由于電容在電路中也是起到儲存能量的作用，并聯(lián)的電容器在電源供給的電壓升高時，能夠把部分能量儲存起來，而當電源電壓減低的時候，就能把能量釋放出來，是負載電壓比較平滑穩(wěn)定，也就是電容也有平波的作用。電容濾波電路比較簡單，而且負

21、載直流電壓比較高，紋波也比較少，適用于負載電壓較高，負載變動不大的場合，也減輕了電路設計和實際焊接的工作。電容濾波電路原理圖如圖9所示。圖9 電容濾波電路經(jīng)過分析，最終決定采用方案二。經(jīng)過濾波，電路的電壓、電流波形如圖10所示。濾波電解電容C的選擇原則是：取其放電時間常數(shù)RLC大于充電周期的35 倍，其耐壓值必須大于脈動電壓峰值。對于橋式整流電路來說，脈動電壓峰值為2U2，C的充電周期等于交流電源周期T的一半，即C(35) T2RL，式中RL為整流后的等效負載電阻，經(jīng)過考慮，本設計取C為2200uF。設電容兩端初始電壓為零，并假定t=0時接通電路，輸入電壓U2為正半周，當U由零上升時，V1、V

22、3導 通，C被充電，同時電流經(jīng)V1、V3向負載電阻供電。忽略二極管正向壓降和變壓器內阻，電容充電時間常數(shù)近似為零，因此Uo=UcU2，在u2達到最大值時，Uc也達到最大值，然后U2下降，此時，Uc>U2，V1、V3截止，電容 C向負載電阻RL放電，由于放電時間常數(shù)=RLC一般較大，電容電壓Uc按 指數(shù)規(guī)律緩慢下降，當下降到|U2|>Uc時，V2、V4導通，電容C再次被充電，輸出電壓增大，以后重復上述充放電 過程。其輸出電壓波形近似為一鋸齒波直流電壓，使負載電壓的波動大為減小。圖10 橋式整流、電容濾波時的電壓、電流波形3.3 穩(wěn)壓電路穩(wěn)壓電路是整個設計之中一個很重要的組成部分，幾乎

23、所有的電子設備都需要穩(wěn)定的直流電源供電才能正常工作。所以，研究和熟悉穩(wěn)壓電路的組成和設計具有非常重要的意義。穩(wěn)壓電路主要用于提供更加穩(wěn)定的直流帶能源?？紤]到整流濾波電路的輸出電壓和理想的直流電源還是有相當?shù)木嚯x，主要是存在兩方面的問題：第一方面，但負載電流變化的時候，因為整流濾波電路存在一定的內阻，所以輸出的直流電壓將有可能隨之發(fā)生變化。第二方面，由于電網(wǎng)電壓并不穩(wěn)定，當電網(wǎng)電壓發(fā)生波動時，整流電路的輸出電壓直接與變壓器副邊電壓有關，因此輸出直流電壓也相應的發(fā)生變化。因此，在設計中，采用三端集成穩(wěn)壓器lm317來實現(xiàn)穩(wěn)定電壓的功能。其中，調整管接在輸入端和輸出端之間。當電網(wǎng)電壓或負載電流波動時

24、，調整自身的集-射壓降使輸出電壓基本保持不變。放大短路將基準電壓與從輸出端得到的采樣電壓進行比較，然后再放大并送到調整管的基極。放大倍數(shù)越大，則穩(wěn)定性能越好。由于三端集成穩(wěn)壓器是串聯(lián)型直流穩(wěn)壓電路的一種，而串聯(lián)型直流穩(wěn)壓電路的輸出電壓和基準電壓成正比，因此，基準電壓的穩(wěn)定性將直接影響穩(wěn)壓電路的輸出電壓的穩(wěn)定性。采樣電路由兩個分壓電阻組成，它將輸出電壓變化量的一步份送到放大電路的輸入端。啟動電路的作用是在剛接通電流輸入電壓的時候，是調整管、放大電路和基準電源等建立各自的工作電路，而當穩(wěn)壓電路正常工作是啟動電路被斷開，影響穩(wěn)壓電路的性能。保護電路主要起到限流保護，過熱保護和過壓保護的作用。穩(wěn)壓部分

25、的電路原理圖如圖11所示。 圖11 穩(wěn)壓電路原理圖 LM317作為輸出電壓可變的集成三端穩(wěn)壓塊，是一種使用方便、應用廣泛的集成穩(wěn)壓塊。317系列穩(wěn)壓塊的型號很多：例如LM317HVH、W317L等。電子愛好者經(jīng)常用317穩(wěn)壓塊制作輸出電壓可變的穩(wěn)壓電源。穩(wěn)壓電源的輸出電壓可用下式計算：僅僅從公式本身看，R3、R2的電阻值可以隨意設定。然而作為穩(wěn)壓電源的輸出電壓計算公式，R3和R2的阻值是不能隨意設定的。1，2腳之間為1.25V電壓基準。為保證穩(wěn)壓器的輸出性能，R3應小于240歐姆。改變R2阻值即可調整穩(wěn)壓電壓值。D5，D6用于保護LM317。首先317穩(wěn)壓塊的輸出電壓變化范圍是Vo1

26、.25V37V（高輸出電壓的317穩(wěn)壓塊如LM317HVA、LM317HVK等，其輸出電壓變化范圍是Vo1.25V45V），所以R2/R3的比值范圍只能是028.6。它的使用非常簡單，僅需兩個外接電阻來設置輸出電壓。此外它的線性調整率和負載調整率也比標準的固定穩(wěn)壓器好。LM317內置有過載保護、安全區(qū)保護等多種保護電路。其次是317穩(wěn)壓塊都有一個最小穩(wěn)定工作電流，有的資料稱為最小輸出電流，也有的資料稱為最小泄放電流。最小穩(wěn)定工作電流的值一般為1.5mA。由于317穩(wěn)壓塊的生產(chǎn)廠家不同、型號不同，其最小穩(wěn)定工作電流也不相同，但一般不大于5mA。當317穩(wěn)壓塊的輸出電流小于其最小穩(wěn)定工作電流時，3

27、17穩(wěn)壓塊就不能正常工作。當317穩(wěn)壓塊的輸出電流大于其最小穩(wěn)定工作電流時，LM317穩(wěn)壓塊就可以輸出穩(wěn)定的直流電壓。如果用LM 317穩(wěn)壓塊制作穩(wěn)壓電源時，沒有注意LM317穩(wěn)壓塊的最小穩(wěn)定工作電流，那么你制作的穩(wěn)壓電源可能會出現(xiàn)下述不正?，F(xiàn)象：穩(wěn)壓電源輸出的有載電壓和空載電壓差別較大。在使用317穩(wěn)壓塊的輸出電壓計算公式計算其輸出電壓時,必須保證R10.83K和R223.74K兩個不等式同時成立,才能保證317穩(wěn)壓塊在空載時能夠穩(wěn)定地工作。當然在317穩(wěn)壓塊的輸出端并聯(lián)泄流電阻R(如圖所示),也可以為317穩(wěn)壓塊提供最小穩(wěn)定工作電流。但是,由于并聯(lián)的泄流電阻不能隨輸出電壓的變化而變化,如果

28、要保證317穩(wěn)壓塊在輸出電壓為1.25V時,其輸出電流大于其最小穩(wěn)定工作電流,則在317穩(wěn)壓塊的輸出電壓為37V時,流過泄流電阻的電流就太大了,這樣不僅浪費了電能,而且增加了317穩(wěn)壓塊的負擔,不是一種妥當?shù)霓k法。通常LM117/LM317不需要外接電容，除非輸入濾波電容到LM117/LM317輸入端的連線超過6英寸（約15厘米）。使用輸出電容能改變瞬態(tài)響應。調整端使用濾波電容能得到比標準三端穩(wěn)壓器高的多的紋波抑制比。輸入至少要比輸出高2V，否則不能調壓。輸入電要最高不能超過40V。輸出電流不超過1A。輸入12V的話，輸出最高就是10V左右。由于它內部還是線性穩(wěn)壓，因此功耗比較大。當輸入輸入電

29、壓差比較大且輸出電流也比較大時，注意317的功耗不要過大。一般加散熱片后功耗也不超過20W。LM317屬于深度負反饋的穩(wěn)壓電路，其功耗比較大，所以有必要討論一下LM317穩(wěn)壓模塊的散熱問題。穩(wěn)壓器的最大允許功耗取決于芯片的最高結溫TJM,當T<TJM時穩(wěn)壓器才能正常工作。因此，穩(wěn)壓器的散熱能力愈強, 結溫就愈低，它所能承受的功率也愈大。穩(wěn)壓器的散熱能力取決于它的熱阻給半導體器件加散熱片后可減小總熱阻。若令R1表示從結到器件外殼的熱阻，R2表示從器件外殼到散熱片表面的熱阻，RA表示從結到散熱片表面的熱阻，則RA=R1+R2。若令Rd 表示散熱片到周圍空氣的熱阻，R表示加散熱片后結到空氣的總

30、熱阻，則R=RA+Rd。設集成穩(wěn)壓器的最高允許結溫為TJM，最高環(huán)境溫度為TAM，加散熱器后器件的功耗為PD，則有關系式：所以器件的最大功耗必須滿足PDMPD。3.4 過流保護在目前，各種直流電源產(chǎn)品的應用非常廣泛，電源技術已經(jīng)比較成熟。但是，基于成本的考慮，對于電源性能要求不是很高的場合，可采用帶有過流保護的集成穩(wěn)壓電路，同樣能滿足產(chǎn)品的要求。過流保護電路作為電源電路中不可缺少的一個組成部分，能夠有效地保護電子元件，根據(jù)其控制方法大致可以分為關斷方式和限流方式，而直流電機電源較宜采用關斷方式。過流保護電路首先要有一個電流取樣環(huán)節(jié)，常用做法是串聯(lián)一個小電阻或者是霍爾元件來獲得電流信號。由于霍爾

31、元件體積比較大，價格昂貴，因而考慮采用串聯(lián)一個小電阻的方法。電路的過流保護原理圖如圖12所示。 圖12 過流保護電路原理圖R6為取樣小電阻。當電源工作時，穩(wěn)壓器輸出端輸出正向直流電壓，電機開始啟動。由于直流電機啟動瞬時電流iout較大(約為額定電流的810倍)，iout流過小電阻R6，并經(jīng)R5對C4充電。通過設定R6、C4的值，使充電時間大于電機啟動時間，Q1(9013)處于截止狀態(tài)，電機啟動到穩(wěn)定狀態(tài)后，電流恢復到工作電流。一旦電機發(fā)生短路或堵轉，使電容C4兩端電壓達到Q1的導通電壓，則Q1導通，強制穩(wěn)壓器的輸出電壓降為基準電壓1.25V。電機啟動時必須滿足充電時間大于啟動時間，Q1不導通，

32、電機才能正常啟動。由于啟動電流很大，一般是額定電流的47倍，可看成不變，設為I=5I0。根據(jù)圖15，可得以下公式：由于R4R5，所以iR5iR5因此i約等于iR5。此時為一階零狀態(tài)輸入響應，求解得：假設電容C4的電壓達到0.7V為充電時間，得：設電機負荷在額定狀態(tài)下運行，電機電流I0已經(jīng)穩(wěn)定。電機短路或堵轉后，電流突然增大到短路電流IS，電容C4開始充電?？紤]一定的設計余量，取保護電流設定值IG<IS，式(1)同樣成立此為一階全響應方程，初始條件uc4 (0+)=I0iR5, 強制分量uc4 ()=IGR5, 求解得：假設增大到V2導通電壓0.7的充電時間為,則必須小于允許短路時間t,即

33、：要使保護起到作用，uc4 ()必須大于0.7V，即：3.5 顯示電路在電量的測量中，電壓、電流和頻率是最基本的三個被測量，其中電壓量的測量最為經(jīng)常。而且隨著電子技術的發(fā)展，更是經(jīng)常需要測量高精度的電壓，所以數(shù)字電壓表就成為一種必不可少的測量儀器。數(shù)字電壓表（Digital Voltmeter）簡稱DVM，它是采用數(shù)字化測量技術，把連續(xù)的模擬量（直流或交流輸入電壓）轉換成不連續(xù)、離散的數(shù)字形式并加以顯示的儀表。由于數(shù)字式儀器具有讀數(shù)準確方便、精度高、誤差小、靈敏度高和分辨率高、測量速度快等特點而廣泛應用于測量領域。制作數(shù)字電壓表有很多種方法，現(xiàn)在市面上很多種芯片都可以用作數(shù)字電壓表的核心?？梢?/p>

34、用ADC0808集成電壓轉換芯片和AT89C51單片機設計制作數(shù)字電壓表，具體方法是A/D轉換器在單片機的控制下完成對模擬信號的采集和轉換功能，最后由數(shù)碼管顯示采集的電壓值。這種方法具有精度高和穩(wěn)定的優(yōu)點而且功能強大，但是手工制作電路的話比較復雜，而且需要編程。所以最終決定用ICL7107芯片制作數(shù)顯電壓顯示電路。ICL7107是應用得比較成熟的芯片，二這種三位半的ADC的顯示精度對于本設計已經(jīng)足夠了?；贗CL7107的數(shù)顯電壓顯示電路簡單可靠，雖然它只是三位半的AD轉換器，但是已經(jīng)可以滿足日常的電壓測量或者電壓顯示的要求，所以這種電路應用非常廣泛，它的具體電路原理圖如圖13所示。圖13 基

35、于ICl7107的數(shù)顯電壓顯示電路原理圖ICL7107是一種內置程序的芯片，所以可以直接使用，免去了編程的麻煩。ICL7107本身帶有段式輸出，直接連接到LED上就可以顯示了，顯示用的數(shù)碼管應為共陽極數(shù)碼管。因為本設計不需要用到20V以上的電壓值，所以此數(shù)顯電壓表的量程為0-19.99V。ICL7107芯片的最大量程可以到達199.9V，如果需要用到其他的量程，可以通過修改輸出端電阻的參數(shù)來達到目的。3.5.1 參數(shù)的計算系統(tǒng)時鐘由IC的38、39、40腳決定。內部振蕩頻率為48Hz，顯示每秒刷三次。振蕩器頻率：fosc = 0.45/RC   Cosc > 50pF

36、   Rosc > 50K  fosc = 48K Hz (典型值)振蕩周期：Tosc = RC/0.45所以，38腳的C4取100pF，39腳的R5取100K。積分電路由IC的27、28腳決定。積分時鐘頻率：Fclock = Fosc / 4   積分周期：Tint = 1000 ×(4/Fosc) = 1000 ×(4/48K) = 83.3ms滿量程模擬輸入電壓：Vinfs = 200mV (典型值)最佳積分電流：Iint = 4uA積分電壓：Vint = 2V積分電阻：Rint = Vinfs / I

37、int = 200 mV/ 4uA = 50K 積分電容：Cint = (Tint)(Iint) / Vint = 83.3ms × 4uA / 2 = 0.166 uF所以，27腳C3取0.22uF， 28的R4取47K。C2用于防止系統(tǒng)噪音的影響以及過載輸入時電路的恢復，29腳的C2取0.47uF。參考電容：0.1uF < Cref <1uFC1為參考電容，我們取0.1Uf。電阻R2用于調整參考電壓，參考電源為0200mV可調。R3用于電壓校準。參考電壓與輸入電壓的關系為：Vin = 2×Vref如果要求電壓表的量程0199.9mV，參考電壓應設置為100m

38、V。如果需要需要測量的電壓大于200mV，就要通過分壓電路來實現(xiàn)。由于我們電源的指標是512V，所以要求電壓表的量程為020V。下面以20V來進行分壓電阻（Rx）的計算，這里我們設定R4形成的參考電壓為100mV，R2為1K，落在R2上的電壓降為2×100mV = 0.2V，Rx計算如下：為了方便電阻選擇，選用100 K電阻，其誤差可通過調整R2來彌補。3.5.2 元件的選擇制作時，顯示用的數(shù)碼管為共陽型，2 K可調電阻最好選用多圈可調精密電阻，分壓電阻選用誤差較小的金屬膜電阻，其他器件選用正品即可。R1選用100K的金屬膜電阻，R2選用2K的多圈可調精密電阻，R3選用24K的金屬膜

39、電阻，R4選用1K的多圈可調精密電阻，R5選用47K的金屬膜電阻，R6選用100K的金屬膜電阻。C1選用0.22uF的CCB電容，C2選用0.47uF的CCB電容，C3選用0.1uF的陶瓷電容，C4選用100 pF的CCB電容。3.5.3 ICL7107的校準首先，先校準參考電壓，用萬用表測IC的35和36之間的電壓，是否為100mV，如不是，則需要調節(jié)電位器R4使兩端電壓為100mV。然后，用萬用表測電源的輸出，如9.50V，然后通過調節(jié)電位器R2，使LED上的數(shù)值與萬用表上的一致。這樣，校準工作就算完成了。經(jīng)過校準后，ICL7107和萬用表的絕對誤差只有0.01V。3.5.4 ICL710

40、7的供電電源如圖18所示，ICL7107芯片需要+5V和-5V的雙電源供電。所以需要額外做一個供電電源，以下有三種方案：方案一：用7805和7905三端集成芯片提供+5V和-5V的電壓，正負5V供電電源電路原理圖如圖14所示。圖14 正負5V供電電源原理圖這種電路時標準的雙電源電路，能夠穩(wěn)定提供正負5V的直流電壓，但是需要用到7805和7905穩(wěn)壓模塊，增加了電路成本。方案二：利用LM317集成穩(wěn)壓模塊做一個+5V的電源，再利用ICL7660芯片把+5V電源變成-5V的電源。ICL7660是哈里斯公司采用CMOS工藝制成的高效率、小功率、低壓直流電源變換器，亦稱DC/DC電壓轉換器，國 產(chǎn)型號

41、為5G7660，它不僅能將單電源轉換成對稱輸出的雙電源，還能通過幾片串聯(lián)方式獲得多倍壓輸出，其空 載時轉換效率高達99.7%，帶負載后轉換效率仍可達95%，ICL7660本身耗電小于0.5mA，卻能向負載提供1020mA 的電流，其外圍電路十分簡單，只需接兩只電容即可工作。ICL7660+5V轉-5V電路原理圖如圖15所示。圖15 ICL7660+5V轉-5V電路原理圖這種方案也是比較常用的方案，但是缺點也是增加了電路成本。方案三：用LM317集成穩(wěn)壓模塊制作一個+5V的電源，然后用一只NPN三極管，兩只電阻，一個電感來進行信號放大，把芯片38腳的振蕩信號串接一個20K56K的電阻連接到三極管

42、“B”極，在三極管“C”極串接一個電阻（為了保護）和一個電感（提高交流放大倍數(shù)），在正常工作時，三極管的“C”極電壓為2.4V2.8V為最好。這樣，在三極管的“C”極有放大的交流信號，把這個信號通過2只4u7電容和2支1N4148二極管，構成倍壓整流電路，可以得到負電壓供給ICL7107的26腳使用。完整顯示電路就如圖16所示。圖16 單電源供電的ICL7107電路原理圖經(jīng)過考慮，最終選擇了方案三，因為這樣做既節(jié)省成本，又方便焊接且滿足設計要求。經(jīng)過測試，數(shù)顯電壓表正常工作。4 穩(wěn)壓直流電源的測試4.1 電源的輸出顯示精確度與紋波測試測試方法為空載狀態(tài)下電源的輸出接萬用表和示波器然后將電源的輸

43、出顯示數(shù)值與萬用表顯示數(shù)值相比較，在示波器上可以觀察到電源的紋波還有最大值、最小值和峰-峰值。電源的測試數(shù)據(jù)如表3所示。表3 電源的測試數(shù)據(jù)電源顯示數(shù)值（V）萬用表實測值（V）最大值Vmax（V）最小值Vmin（V）峰-峰值Vpp（V）1.251.261.601.006002.012.012.201.804003.013.013.202.804004.004.004.203.804004.994.985.204.804006.006.006.205.804007.017.007.206.804008.007.988.207.804009.008.999.408.8060010.009.9810

44、.29.8040011.0010.9711.210.640012.0011.9712.211.840013.0012.9713.212.840014.0013.9614.213.840015.0014.9515.214.840016.0015.9516.215.840017.0016.9517.216.840018.0017.9418.217.660019.0018.9419.218.660019.9919.9120.219.6600隨機抽取的幾組數(shù)據(jù)如表4所示。表4 電源的測試數(shù)據(jù)（隨機）電源顯示數(shù)值（V）萬用表顯示電壓數(shù)值（V）最大值Vmax（V）最小值Vmin（V）峰-峰值（V）3.303.303.603.006004.734.735.004.604007.767.748.007.604009.719.699.809.6020011.3811.3511.611.060