數(shù)字顯示可調(diào)直流穩(wěn)壓電源的設(shè)計(jì)

1、.wd.wd.wd.畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)說(shuō)明書(shū)數(shù)字顯示可調(diào)直流穩(wěn)壓電源的設(shè)計(jì)專 業(yè)電氣自動(dòng)化技術(shù)班 級(jí)14電氣2班學(xué)生姓名 陳沛波 指導(dǎo)教師 盛繼華 2014年2月-2014年6月浙江工業(yè)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)論文任務(wù)書(shū)成教學(xué)院系 電氣自動(dòng)化技術(shù) 專業(yè) 2014 級(jí) 1班 姓名 陳沛波畢業(yè)設(shè)計(jì)論文題目： 數(shù)字顯示可調(diào)直流穩(wěn)壓電源的設(shè)計(jì) 起止日期： 2016/04/2016/06/ 指導(dǎo)教師：盛繼華畢業(yè)設(shè)計(jì)論文要求包括日程安排和進(jìn)度：任務(wù)：1、學(xué)習(xí)病床呼叫控制系統(tǒng)的特點(diǎn)，熟悉其工作原理，明確控制要求； 2、選擇PLC的病床控制系統(tǒng)的核心部件，完成系統(tǒng)的硬件和軟件設(shè)計(jì)；3、完成控制系統(tǒng)中主要元件選型工作；4、完

2、成調(diào)試工作； 5、寫出設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)。要求：1重視畢業(yè)設(shè)計(jì)工作，按時(shí)獨(dú)立完成畢業(yè)設(shè)計(jì)論文任務(wù)書(shū)所規(guī)定的全部任務(wù)。2畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)論文完備、內(nèi)容正確、概念清楚、數(shù)據(jù)可靠、文字通順、書(shū)寫工整，電路圖標(biāo)準(zhǔn)、標(biāo)準(zhǔn)。3熟悉論文中相關(guān)內(nèi)容，辯論時(shí)正確地答復(fù)以下問(wèn)題。日程安排： 2017/2/152014/3/30 下達(dá)任務(wù)書(shū)，收集資料，熟悉控制要求 2014/4/12014/4/19 系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì) 2014/4/202014/4/31 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)及調(diào)試 2014/5/12014/5/14 完成畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 2014/5/152014/5/31 對(duì)設(shè)計(jì)及論文進(jìn)展整改和定稿2014/6/12014/6/10

3、 準(zhǔn)備畢業(yè)辯論審查意見(jiàn)： 院系負(fù)責(zé)人： 年 月 日注 ：本任務(wù)書(shū)由指導(dǎo)教師填寫并經(jīng)審查后，復(fù)印一份交學(xué)生裝訂在畢業(yè)設(shè)計(jì)論文的封面之后，原件存主辦源系、單位。摘要隨著科技的開(kāi)展，電氣、電子設(shè)備已經(jīng)廣泛的應(yīng)用于日常、科研、學(xué)習(xí)等各 個(gè)方面。電源已經(jīng)成為電氣和電子設(shè)備中必不可少的能源供應(yīng)部件，對(duì)電源的研 究和開(kāi)發(fā)已經(jīng)成為新技術(shù)、新設(shè)備開(kāi)發(fā)的重要環(huán)節(jié)，在推動(dòng)科技開(kāi)展中起著重要 作用。 本文介紹了一種數(shù)字顯示連續(xù)可調(diào)直流穩(wěn)壓電源的設(shè)計(jì)方案，此方案應(yīng)用 7824及7924芯片組成穩(wěn)壓電源的電源模塊，用 ICL7107芯片組成了數(shù)顯模塊，最 終通過(guò)兩個(gè)模塊的連接實(shí)現(xiàn)連續(xù)可調(diào)直流穩(wěn)壓功能。同時(shí)，本文還對(duì)電源模

4、塊和 數(shù)顯模塊的 基本原理，參數(shù)計(jì)算和性能指標(biāo)等進(jìn)展了分析講解。 這種電源價(jià)格廉價(jià)， 電路簡(jiǎn)單， 并且可通過(guò)旋鈕在-24V24V 范圍內(nèi)調(diào)節(jié)電壓， 使用方便、安全、穩(wěn)定性高。關(guān)鍵詞：穩(wěn)壓電源 A/D 轉(zhuǎn)換器 電源模塊 穩(wěn)壓模塊金華高級(jí)技師學(xué)院電氣工程專業(yè)論文目錄第一章 緒論 . 11.1 直流穩(wěn)壓電源的介紹 . 11.2 直流穩(wěn)壓電源的技術(shù)指標(biāo) . 11.2.1 描述輸入交流電壓變化對(duì)輸出電壓影響的技術(shù)指標(biāo) . 11.2.2 描述負(fù)載變化對(duì)輸出電壓影響的技術(shù)指標(biāo) . 21.3 穩(wěn)壓電源的分類 . 3第二章 電源總體方案確定 . 52.1 電源模塊的選定 . 52.1.1 晶體管串聯(lián)式直流穩(wěn)壓電

5、路 . 52.1.2 用單片機(jī)制作的可調(diào)直流穩(wěn)壓電源 . 52.1.3 采用三端集成穩(wěn)壓器電路 . 62.1.4 方案確實(shí)定 . 72.2 顯示模塊的選定 . 72.2.1 采用雙積分 A/D 轉(zhuǎn)換器 MC14433 的方案 . 72.2.2 采用 ICL7107 的方案 . 72.2.3 方案確定 . 7第三章 電源模塊的設(shè)計(jì) . 83.1 三端穩(wěn)壓器的工作原理 . 83.2 穩(wěn)壓器的主要參數(shù) . 83.2.1 輸出電壓 V。 . 83.2.2 輸出電壓偏差 . 83.2.3 最大輸出電壓 ICM . 83.2.4 最小輸入電壓 Vimin . 93.2.5 最大輸人電壓 Vimax . 9

6、3.2.6 最小輸入、輸出電壓差(Vi-Vo) .93.2.7 電壓調(diào)整率 SV . 93.2.8 電流調(diào)整率 Si . 93.2.9 輸出電壓溫漂 ST . 93.2.10 輸出阻抗 Z。 . 103.2.11 輸出噪聲電壓 VN . 103.3 7824 芯片的技術(shù)指標(biāo) . 103.4 7924 芯片的技術(shù)指標(biāo) . 113.5 電源模塊確實(shí)定 . 123.6 電路參數(shù)的計(jì)算 . 133.6.1 輸入電壓 Ui . 133.6.2 變壓器副邊的輸出電壓 U2 . 133.6.3 整流二極管及濾波電容 . 133.7 電源電路原理圖確定 . 14第四章 數(shù)顯模塊的設(shè)計(jì) . 154.1 A/D

7、轉(zhuǎn)換器原理 . 154.2 ICL7107 簡(jiǎn)介 . 184.3 ICL7107 的管腳排列 . 184.4 ICL7107 功能說(shuō)明 . 214.4.1 模擬局部 . 214.4.2 數(shù)字局部 . 23 4.5 元器件的選擇 . 254.5.1 積分電阻 . 25 4.5.2 積分電容 . 25 4.5.3 自動(dòng)教校零電容 . 264.5.4 參考電容 . 26 4.5.5 振蕩器元件 . 26 4.5.6 參考電壓 . 264.5.7 ICL7107 的電源供電 . 26 4.6 數(shù)顯模塊電路原理圖確定 . 27 第五章 電路功能模塊的連接 . 29 5.1 數(shù)顯模塊和電源模塊的連接 .

8、29 5.2 總電路原理圖圖 . 29 完畢語(yǔ) . 30致謝 . 31 參考文獻(xiàn) . 32 附錄 . 33 附錄 1：總電路原理圖 . 33第一章1.1 直流穩(wěn)壓電源的介紹緒論直流穩(wěn)壓電源又稱直流穩(wěn)壓器。它的供電電源大都是交流電源，當(dāng)交流供電電源 的電壓或負(fù)載電阻變化時(shí)，穩(wěn)壓器的直接輸出電壓都能保持穩(wěn)定。直流穩(wěn)壓電源分 連續(xù)導(dǎo)電式與開(kāi)關(guān)式兩類。前者由變壓器把單相或三相交流電壓變到適當(dāng)值，然后 經(jīng)整流、濾波，獲得不穩(wěn)定的直流電源，再經(jīng)穩(wěn)壓電路得到穩(wěn)定電壓(或電流)。這 種電源線路簡(jiǎn)單、紋波小、相互干擾小，但體積大、耗材多，效率低(常低于40 60)。 后者以改變調(diào)整元件(或開(kāi)關(guān))的通斷時(shí)間比來(lái)調(diào)

9、節(jié)輸出電壓， 從而到達(dá)穩(wěn)壓。 這類電源功耗小，效率可達(dá)85左右。所以，80年代以來(lái)開(kāi)展迅速。從工作方式上 可分為：可控整流型。用改變晶閘管的導(dǎo)通時(shí)間來(lái)調(diào)整輸出電壓。斬波型。輸 入是不穩(wěn)定的直流電壓，以改變開(kāi)關(guān)電路的通斷比得到單向脈動(dòng)直流，再經(jīng)濾波后 得到穩(wěn)定直流電壓。變換器型。不穩(wěn)定直流電壓先經(jīng)逆變器變換成高頻交流電， 再經(jīng)變壓、整流、濾波后，從所得新的直流輸出電壓取樣，反響控制逆變器工作頻 率，到達(dá)穩(wěn)定輸出直流電壓的目的。1.2 直流穩(wěn)壓電源的技術(shù)指標(biāo)衡量一臺(tái)穩(wěn)壓電源的好壞，一方面要從功能角度來(lái)看，即容量大小(輸出電壓和 輸出電流)、調(diào)節(jié)范圍大小、效率上下等，人們稱其為使用指標(biāo)或性能指標(biāo);另

10、一方 面要從外觀、形狀、體積、重量等直觀形象來(lái)看，這些稱為電氣指標(biāo);更重要的是要 看它的質(zhì)量上下，即輸出電壓的穩(wěn)定度等，一般稱為質(zhì)量指標(biāo)。下面重點(diǎn)介紹質(zhì)量 指標(biāo)。1.2.1 描述輸入交流電壓變化對(duì)輸出電壓影響的技術(shù)指標(biāo)(1)穩(wěn)壓系數(shù) 穩(wěn)壓系數(shù)有絕對(duì)穩(wěn)壓系數(shù)和相對(duì)穩(wěn)壓系數(shù)兩種。絕對(duì)穩(wěn)壓系數(shù)表示負(fù)載不變而 輸入交流電壓變化時(shí)， 穩(wěn)壓電源輸出直流電壓變化量U0 與輸入交流電壓變化量Ui 之比，即K=?U 0 ?U i(式 1.1)它表示輸入交流電壓變化U，引起輸出電壓變化U0 越小輸出電壓就越穩(wěn)定。 這種表示方法在工程中常常用到。相對(duì)穩(wěn)壓系數(shù)表示負(fù)載不變時(shí)，穩(wěn)壓電源輸出直 流電壓 U0 的相對(duì)變化量

11、U0/ U0 與輸入交流電壓 U，的相對(duì)變化量Ui/ U0 之比，即?U 0 S= ?U iU0 Ui式 1.2(2)電壓調(diào)整率 電壓調(diào)整率表示負(fù)載電流為額定值時(shí)輸入交流電壓在額定值上下變化 10%時(shí)， 穩(wěn)壓電源輸出電壓的相對(duì)變化量(百分?jǐn)?shù))，即Su =?U 0 100% U0式 1.3)一般直流穩(wěn)壓電源的電壓調(diào)整率為 1%，0.1%，0.01%等。有的也可以用絕對(duì)值表 示。1.2.2 描述負(fù)載變化對(duì)輸出電壓影響的技術(shù)指標(biāo)(1)負(fù)載調(diào)整率(也稱電流調(diào)整率) 在交流電源額定電壓的條件下，負(fù)載電流從零變化到最大時(shí)，輸出電壓的最大 相對(duì)變化量，用百分?jǐn)?shù)表示。 ?U i/ 100% U0Si =(式

12、1.4)(2)輸出電阻(也稱內(nèi)阻) 在額定輸出電壓的條件下，負(fù)載電流變化 ?I L 引起輸出電壓變化U0，那么輸出電 阻為R0 = ?U 0 ?I L(式 1.5)(3)紋波電壓(現(xiàn)稱周期和隨機(jī)漂移，用 PARD 表示) 1最大紋波電壓 在額定輸出電壓和額定輸出電流條件下，輸出紋波(包括噪聲)電壓的絕對(duì)值大 小，通常以峰值或有效值表示。 2紋波系數(shù) 在額定輸出電壓和額定電流條件下，輸出紋波電壓的有效值 Urms 與輸出直流電 壓 U0 之比，即=U rms 100% U0(式 1.6)(4)溫度漂移和溫度系數(shù) 環(huán)境溫度的變化會(huì)影響元器件參數(shù)的變化，從而引起穩(wěn)壓電源輸出電壓的變化， 稱為溫度漂移

13、。常用溫度系數(shù)表示溫度漂移的大小，溫度每變化 1 0 C 所引起輸出電 壓值的變化 ?U uT 稱為絕對(duì)溫度系數(shù)，單位是 V/ 0 C 或 mV/ 0 C。溫度每變化 1 0 C 所引 起的輸出電壓相對(duì)變化U0r/ U0T 稱為相對(duì)溫度系數(shù)，單位是%/ 0 C。 (5)漂移 穩(wěn)壓電源在輸入電壓、負(fù)載電流和環(huán)境溫度保持一定的情況下，經(jīng)過(guò)一定的工 作時(shí)間后元器件參數(shù)的不穩(wěn)定也會(huì)造成輸出電壓的變化，慢變化叫做漂移，快變化 叫噪聲。在一般使用中只考慮漂移就可以了。 表示漂移的方法有兩種，一種是用指定時(shí)間內(nèi)輸出電壓值的變化U0 來(lái)表示;另一種 是用指定時(shí)間內(nèi)輸出電壓的相對(duì)變化Uot/Uo、來(lái)表示?？疾炱?/p>

14、移時(shí)間可以定為 1 分 鐘、10 分鐘、1 小時(shí)、8 小時(shí)或更長(zhǎng)。1.3 穩(wěn)壓電源的分類現(xiàn)代應(yīng)用的穩(wěn)壓電源的種類比較多，分類方式也很多。 按穩(wěn)定對(duì)象分有交流穩(wěn)壓電源和直流穩(wěn)壓電源。是交流還是直流要看穩(wěn)壓電源 的輸出電壓是交流還是直流。 按穩(wěn)定方式分，有參數(shù)穩(wěn)壓電源和反響調(diào)整穩(wěn)壓電源。參數(shù)穩(wěn)壓電源電路簡(jiǎn)單， 利用元件的非線性實(shí)現(xiàn)穩(wěn)壓，構(gòu)造也簡(jiǎn)單。比方，用一只電阻和一只可控硅穩(wěn)壓管 就能構(gòu)成參數(shù)穩(wěn)壓電源。反響調(diào)整型穩(wěn)壓電源是一個(gè)負(fù)反響閉環(huán)自動(dòng)調(diào)整系統(tǒng)，它 根據(jù)穩(wěn)壓電源的輸出電壓的變化量，經(jīng)過(guò)取樣、比較放大、再反響給控制調(diào)整元件， 使輸出電壓得到補(bǔ)償而趨于原值，從而到達(dá)穩(wěn)定。此電路較復(fù)雜，但穩(wěn)定度高

15、。 按穩(wěn)壓電源的調(diào)整元件與負(fù)載的聯(lián)接方式來(lái)分類，可以分為并聯(lián)穩(wěn)壓電源和串 聯(lián)穩(wěn)壓電源兩種。調(diào)整元件與負(fù)載并聯(lián)的叫并聯(lián)穩(wěn)壓電源或分流穩(wěn)壓電源，它通過(guò) 改變調(diào)整管元件流過(guò)的電流的多少來(lái)適應(yīng)輸入電網(wǎng)電壓的變化及負(fù)載電流的變化， 以保持輸出電壓的穩(wěn)定。這種穩(wěn)壓電源效率較低，只有某些專用場(chǎng)合才適用。調(diào)整 元件與負(fù)載串聯(lián)的穩(wěn)壓電源叫做串聯(lián)穩(wěn)壓電源。在這種穩(wěn)壓電源中，調(diào)整元件串聯(lián) 在輸入端和輸出端之間，輸出電壓就依靠調(diào)整元件改變自身的等效電阻來(lái)維持恒定。 按調(diào)整元件分，有輝光放電管穩(wěn)壓電源，穩(wěn)壓管穩(wěn)壓電源，電子管穩(wěn)壓電源， 晶體管穩(wěn)壓電源，可控硅穩(wěn)壓電源等。按調(diào)整元件的工作狀態(tài)分，有線性穩(wěn)壓電源 和開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓

16、電源。所謂線性穩(wěn)壓，就是其調(diào)整管工作在線性放大區(qū)。這種穩(wěn)壓電源的主要優(yōu)點(diǎn)是調(diào)壓范圍寬、穩(wěn)定度高，但變換效率低;開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源的調(diào)整管工作在 開(kāi)關(guān)狀態(tài)，主要的優(yōu)越性就是變換效率高，可達(dá) 70%一 95%。 根據(jù)需要， 還可以有其他分類方法， 例如集成電極輸出型、 發(fā)射極輸出型;高壓、 低壓;通用、專用等。第二章所研究穩(wěn)壓電源的技術(shù)指標(biāo)如下： 輸入電壓： 輸出電壓：電源總體方案確定本課題要求電源可靠性高，電壓調(diào)節(jié)方便，并且電壓顯示正確、穩(wěn)定。 220V 交流電壓； -24V24V 直流電壓；2.1 電源模塊的選定電源的設(shè)計(jì)方法有很多種,比較簡(jiǎn)單的有三種。2.1.1 晶體管串聯(lián)式直流穩(wěn)壓電路電路框圖如

17、圖2.1 所示,該電路中,輸出電壓UO經(jīng)取樣電路取樣后得到取樣電壓, 取樣電壓與基準(zhǔn)電壓進(jìn)展比較得到誤差電壓,該誤差電壓對(duì)調(diào)整管的工作狀態(tài)進(jìn)展 調(diào)整,從而使輸出電壓發(fā)生變化,該變化與由于供電電壓UI 發(fā)生變化引起的輸出電壓 的變化正好相反,從而保證輸出電壓UO 為一恒定值(穩(wěn)壓值) 。因輸出電壓要求從0V 起實(shí)現(xiàn)連續(xù)可調(diào),因此要在基準(zhǔn)電壓處設(shè)計(jì)一輔助電源,用以控制輸出電壓能夠從0V 開(kāi)場(chǎng)調(diào)節(jié)。圖 2.1 串聯(lián)式穩(wěn)壓電源電路圖單純的串聯(lián)式直流穩(wěn)壓電源電路是很簡(jiǎn)單的,但增加了輔助電源后,電路比較復(fù) 雜,由于都采用分立元件,電路的可靠性也難以保證。2.1.2 用單片機(jī)制作的可調(diào)直流穩(wěn)壓電源該電路采用

18、可控硅作為第一級(jí)調(diào)壓元件,用穩(wěn)壓電源芯片LM317、LM337 作為第 二級(jí)調(diào)壓元件,通過(guò)AT89CS51 單片機(jī)控制繼電器來(lái)改變電阻網(wǎng)絡(luò)的阻值,從而改變 調(diào)壓元件的外圍參數(shù),并加上軟啟動(dòng)電路,獲得024V電壓,驅(qū)動(dòng)能力可達(dá)1A ,同時(shí)可 以顯示電源電壓值和輸出電流值的大小。其硬件電路主要包括變壓器、整流濾波電 路、壓差控制電路、穩(wěn)壓及輸出電壓控制電路、電壓電流采樣電路、掉電前重要數(shù) 據(jù)存儲(chǔ)電路、單片機(jī)、鍵盤顯示等幾局部,硬件局部原理圖如圖2.2所示。圖 2.2 用單片機(jī)制作的直流穩(wěn)壓電源電路圖正、 負(fù)端壓差控制電路的作用是減少LM317 和LM337 輸入端和輸出端的壓差以降 低LM317

19、和LM337 的功耗。穩(wěn)壓電路由三端穩(wěn)壓芯片LM317(負(fù)壓用LM337) 及外圍器 件組成,輸出電壓控制電路采用繼電器控制的電阻網(wǎng)絡(luò)。電阻網(wǎng)絡(luò)的每個(gè)電阻都需要 精細(xì)匹配,電阻的精細(xì)程度直接影響輸出電壓的精度。電壓電流采樣電路由單片機(jī)控 制實(shí)時(shí)對(duì)當(dāng)前電壓電流進(jìn)展采樣,以修正輸出電壓值。掉電前重要數(shù)據(jù)存儲(chǔ)電路用以 保存當(dāng)前設(shè)置的電壓值,可以方便用戶在重新上電后不用設(shè)置,而且也不會(huì)因?yàn)殡妷?值過(guò)高損壞用戶設(shè)備。該電源穩(wěn)定性好、精度高,并且能夠輸出24V 范圍內(nèi)的可調(diào)直流電壓,且其性能優(yōu)于傳統(tǒng)的可調(diào)直流穩(wěn)壓電源,但是電路比較復(fù)雜, 成本較高,使用于要求較高的場(chǎng)合。2.1.3 采用三端集成穩(wěn)壓器電路該

20、電路框圖如圖2.3所示, 它采用輸出電壓可調(diào)且內(nèi)部有過(guò)載保護(hù)的三端集成 穩(wěn)壓器,輸出電壓調(diào)整范圍較寬,設(shè)計(jì)一電壓補(bǔ)償電路可實(shí)現(xiàn)輸出電壓從連續(xù)可調(diào), 因要求電路具有很強(qiáng)的帶負(fù)載能力,須設(shè)計(jì)一軟啟動(dòng)電路以適應(yīng)所帶負(fù)載的啟動(dòng)性 能。該電路所用器件較少,成本低且組裝方便,可靠性高。圖 2.3 集成穩(wěn)壓器穩(wěn)壓電源設(shè)計(jì)2.1.4 方案確實(shí)定根據(jù)要求，我們要實(shí)現(xiàn)-24V24V 連續(xù)可調(diào)，這種要求屬于日常應(yīng)用，因此我們 就要做到盡量使電源制作簡(jiǎn)單，成本低廉，穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性較高即可，第 3 種方案 正好能滿足要求，因此，選定采用三端集成穩(wěn)壓器組成穩(wěn)壓電路。2.2 顯示模塊的選定為了使穩(wěn)壓電源在使用中更加簡(jiǎn)便和更

21、具人性化，增加一個(gè)數(shù)字電壓顯示模塊 是一個(gè)既簡(jiǎn)單又實(shí)用的方法。 對(duì)于數(shù)顯模塊的選擇，我們主要有兩種方案。2.2.1 采用雙積分 A/D 轉(zhuǎn)換器 MC14433 的方案采用雙積分 A/D 轉(zhuǎn)換器 MC14433，它有多路調(diào)制的 BCD 碼輸出端和超量程輸出 端，采用動(dòng)態(tài)掃描顯示，便于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制。但芯片只能完成 A/D 轉(zhuǎn)換功能，要實(shí) 現(xiàn)顯示功能還需配合其它驅(qū)動(dòng)芯片等，使得整局部硬件電路板布線復(fù)雜，加重了電 路設(shè)計(jì)和實(shí)際焊接的工作。2.2.2 采用 ICL7107 的方案采用雙積分 A/D 轉(zhuǎn)換器 ICL7107，它是大規(guī)模集成芯片，將模擬電路和數(shù)字電路 集成在一個(gè)有 40 個(gè)功能端的電路內(nèi)，

22、包含了 A/D 轉(zhuǎn)換、 邏輯控制、譯碼驅(qū)動(dòng)等電路， 只需外接少量元件就能組成三位半數(shù)字電壓表。電路設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，電路板布線不復(fù)雜， 便于焊接、調(diào)試。 電源采用穩(wěn)壓電源提供的5V 輸出，顯示局部采用共陽(yáng)極數(shù)碼管。2.2.3 方案確定由于采用 ICL7107 芯片連接簡(jiǎn)單，材料廉價(jià)并且較準(zhǔn)確，因此，在此次設(shè)計(jì)中 采用 ICL7107 芯片組成的顯示模塊電路作為數(shù)顯模塊。第三章 電源模塊的設(shè)計(jì)在第二章中，我們已經(jīng)確定使用三端穩(wěn)壓器實(shí)現(xiàn)穩(wěn)壓電路，在三端穩(wěn)壓器中最 常用的就是 78XX 和 79XX 系列芯片，這種芯片的特點(diǎn)是價(jià)格低廉，穩(wěn)壓性能好， 組成電路簡(jiǎn)單等特點(diǎn)，又因?yàn)槲覀冸娫捶秶?24V24V，因

23、此穩(wěn)壓電路我們就選用 7824 和 7924 芯片組成。3.1 三端穩(wěn)壓器的工作原理三端集成穩(wěn)壓器大多采用串聯(lián)穩(wěn)壓方式。從圖3.1所示方框圖中可以看出，它由 啟動(dòng)電路、基準(zhǔn)電路、誤差放大器、調(diào)整管、取樣電阻及保護(hù)電路等組成。它與分 立元件的串聯(lián)調(diào)整穩(wěn)壓器電路工作原理完全一樣。78XX、 圖 3.1 78XX、79XX 穩(wěn)壓集成電路原理框圖3.2 穩(wěn)壓器的主要參數(shù) 3.2.1 輸出電壓 V。輸出電壓是指穩(wěn)壓器的各工作參數(shù)符合規(guī)定時(shí)的輸出電壓值。對(duì)于固定輸出穩(wěn)壓 器，它是常數(shù);對(duì)于可調(diào)式輸出穩(wěn)壓器，它是輸出電壓范圍。 。3.2.2 輸出電壓偏差對(duì)于固定輸出穩(wěn)壓器，實(shí)際輸出的電壓值和規(guī)定的輸出電壓

24、Vo 之間往往有一定的 偏差。這個(gè)偏差值一般用百分比表示，也可以用電壓值表示。3.2.3 最大輸出電壓 ICM最大輸出電流指穩(wěn)壓器能夠保持輸出電壓不變的最大電流。3.2.4 最小輸入電壓 Vimin輸人電壓值在低于最小輸入電壓值時(shí)，穩(wěn)壓器將不能正常工作。3.2.5 最大輸人電壓 Vimax最大輸入電壓是指穩(wěn)壓器安全工作時(shí)允許外加的最大電壓值。3.2.6 最小輸入、輸出電壓差(Vi-Vo)它是指穩(wěn)壓器能正常工作時(shí)的輸入電壓 U 與輸出電壓八是最小電壓差值。3.2.7 電壓調(diào)整率 SV電壓調(diào)整率是指當(dāng)穩(wěn)壓器負(fù)載不變而輸入的直流電壓變化時(shí)，所引起的輸出 電壓的相對(duì)變化量。SV 常用下式表示:Sv =

25、式中:Vo輸出電壓變化量; Vi輸入電壓變化量。?V 100%(% / v ) ?V ? ?V式 3.1電壓調(diào)整率有時(shí)也用某一輸入電壓變化范圍內(nèi)的輸出電壓變化量表示。 電壓調(diào)整車用來(lái)表征穩(wěn)壓器維持輸出電壓不變的能力。3.2.8 電流調(diào)整率 Si電流調(diào)整率是指，當(dāng)輸入電壓保持不變而輸出電流在規(guī)定范圍內(nèi)變化時(shí)，穩(wěn)壓器 輸出電壓相對(duì)變化的百分比，可用下式表示:Si =?Vo 100 % Vo式 3.2電流調(diào)整率有時(shí)也用負(fù)載電流變化時(shí)輸出電壓的變化量來(lái)表示。3.2.9 輸出電壓溫漂 ST輸出電壓溫漂也稱輸出電壓的溫度系數(shù)。其定義為，在規(guī)定的溫度范圍內(nèi)，當(dāng) 輸入電壓和輸出電流不變時(shí)，單位溫度變化引起的輸

26、出電壓變化量，用公式表達(dá)為:ST =?Vo 100% ?T ? Vo式 3.3式中:T溫度變化量。3.2.10 輸出阻抗 Z。輸出阻抗指，在規(guī)定的輸入電壓和輸出電流的條件下，在輸出端上所測(cè)得的交 流電壓與交流電流之比，即Zo =dV o dI o式 3.4輸出阻抗反映了在動(dòng)態(tài)負(fù)載狀態(tài)下，穩(wěn)壓器的電流調(diào)整率。3.2.11 輸出噪聲電壓 VN它是指當(dāng)穩(wěn)壓器輸入端無(wú)噪聲電壓進(jìn)入時(shí)，在其輸出端所測(cè)得的噪聲電壓值。 輸出噪聲電壓是由穩(wěn)壓器內(nèi)部產(chǎn)生的，它對(duì)許多負(fù)載是有害的。3.3 7824 芯片的技術(shù)指標(biāo)7824 芯片參數(shù)如以以下圖所示圖 3.2 7824 芯片參數(shù)3.4 7924 芯片的技術(shù)指標(biāo)7924

27、 芯片參數(shù)如以以下圖所示圖 3.3 7924 芯片參數(shù)3.5 電源模塊確實(shí)定7824、7924芯片都是定值穩(wěn)壓芯片，而我們要求的是連續(xù)可調(diào)的直流穩(wěn)壓電源， 因此我們必須要設(shè)計(jì)一個(gè)電路，使7824和7924組成的穩(wěn)壓電路可以實(shí)現(xiàn)調(diào)壓功能。7824、7924穩(wěn)壓集成電路 圖3.4 7824、7924穩(wěn)壓集成電路電路如圖3.4所示，由變壓器輸出交流雙向電壓經(jīng)橋式整流對(duì)整流，C1、C2濾波 得到一直流電壓，其中變壓器雙電源的中心抽頭作為公共接地端，然后分別把該直 流電壓正負(fù)極接入7824的1腳和7924的3腳。7824的3腳接到電位器 w2的滑動(dòng)觸片“d 上，7924的1腳接到電位器 w1的滑動(dòng)觸片“

28、c上。當(dāng)將觸片“c滑到“0端接地 時(shí)，調(diào)節(jié) w2，即可從“a端得到正向可變電壓；假設(shè)將觸片“d滑到“0端接地，調(diào)節(jié) w1，在“b端就可得到負(fù)向可變電壓，將 w1、w2換成同軸電位器，將獲得正 負(fù)對(duì)稱的可調(diào)電源，輸出電壓值連續(xù)可調(diào)，可到達(dá)同步調(diào)節(jié)的目的。3.6 電路參數(shù)的計(jì)算 3.6.1 輸入電壓 Ui輸出電壓 U0 應(yīng)與穩(wěn)壓電源要求的輸出電壓的大小范圍一樣，穩(wěn)壓電路的最大允 許電流 ICM Io max3.6.3 整流二極管及濾波電容整流二極管 VD 的反向擊穿電壓 URM 應(yīng)滿足URM 2U 2式 3.7式 3.8額定工作電流 IF 應(yīng)滿足IF Io max濾波電容 C 的容量估算公式為式

29、3.9CIct ?Uip ? p式 3.10式中：Uip-p穩(wěn)壓器輸入端紋波電壓的峰-峰值 Ic電容 C 放電電流 t電容 C 放電時(shí)間，t=T/2=0.01S 濾波電容 C 的耐壓值應(yīng)大于 2U 2 ，也可用下式估算T Io max 2 C (3 5) Ui min式 3.113.7 電源電路原理圖確定根據(jù)以上各式確定數(shù)值后，電路圖如下：圖 3.5 電源電路原理圖第四章數(shù)顯模塊的設(shè)計(jì)電源模塊設(shè)計(jì)完成后，接下來(lái)就是數(shù)顯模塊的設(shè)計(jì)。根據(jù)前面介紹我們選定了 ICL7107 芯片作為數(shù)顯模塊，ICL7107 是一個(gè) 3 位半 A/D 轉(zhuǎn)換器，是常用的數(shù)顯模塊 芯片，本模塊設(shè)計(jì)的重點(diǎn)就是了解它的原理，

30、確定他的參數(shù)參數(shù)，選擇元器件并設(shè) 計(jì)出電路。4.1 A/D 轉(zhuǎn)換器原理隨著數(shù)字技術(shù)，特別是信息技術(shù)的飛速開(kāi)展與普及，在現(xiàn)代控制、通信及檢測(cè) 等領(lǐng)域，為了提高系統(tǒng)的性能指標(biāo)，對(duì)信號(hào)的處理廣泛采用了數(shù)字計(jì)算機(jī)技術(shù)。由 于系統(tǒng)的實(shí)際對(duì)象往往都是一些模擬量如溫度、壓力、位移、圖像等 ，要使計(jì)算 機(jī)或數(shù)字儀表能識(shí)別、處理這些信號(hào)，必須首先將這些模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)； 而經(jīng)計(jì)算機(jī)分析、處理后輸出的數(shù)字量也往往需要將其轉(zhuǎn)換為相應(yīng)模擬信號(hào)才能為 執(zhí)行機(jī)構(gòu)所承受。這樣，就需要一種能在模擬信號(hào)與數(shù)字信號(hào)之間起橋梁作用的電 路-模數(shù)和數(shù)模轉(zhuǎn)換器。 將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)的電路，稱為模數(shù)轉(zhuǎn)換器簡(jiǎn)稱 a/d 轉(zhuǎn)換器

31、或 adc,analog to digital converter,它主要用以下三種方法實(shí)現(xiàn) A/D 轉(zhuǎn)換：逐次逼 近法、雙積分法、電壓頻率轉(zhuǎn)換法。 (1)逐次逼近法 逐次逼近式 A/D 是比較常見(jiàn)的一種 A/D 轉(zhuǎn)換電路，轉(zhuǎn)換的時(shí)間為微秒級(jí)。 采用逐次逼近法的 A/D 轉(zhuǎn)換器是由一個(gè)比較器、D/A 轉(zhuǎn)換器、緩沖存放器及控制邏輯 電路組成，如圖 4.1 所示。 基本原理是從高位到低位逐位試探比較，好似用天平稱物體，從重到輕逐級(jí)增減砝 碼進(jìn)展試探。圖 4.1 逐次逼近式 A/D 轉(zhuǎn)換器原理框圖逐次逼近法轉(zhuǎn)換過(guò)程是：初始化時(shí)將逐次逼近存放器各位清零；轉(zhuǎn)換開(kāi)場(chǎng)時(shí)， 先將逐次逼近存放器最高位置 1，送

32、入 D/A 轉(zhuǎn)換器，經(jīng) D/A 轉(zhuǎn)換后生成的模擬量送入 比較器，稱為 Vo，與送入比較器的待轉(zhuǎn)換的模擬量 Vi 進(jìn)展比較，假設(shè) VoVi，該位 1 被 保存，否那么被去除。然后再置逐次逼近存放器次高位為 1，將存放器中新的數(shù)字量送 D/A 轉(zhuǎn)換器，輸出的 Vo 再與 Vi 比較，假設(shè) Vo7V ，此公共點(diǎn)的電壓才有較 低的電壓系數(shù)0.001/V和較低的輸入阻抗15 ，典型情況下的溫度系數(shù)小 于 80ppm/oc。 另外，片上參考源的一些缺乏也必須充分予以重視。在 ICL7107 中，由于驅(qū)動(dòng) LED 數(shù)碼管而導(dǎo)致的內(nèi)部發(fā)熱會(huì)使性能下降。由于塑料的熱阻比陶瓷的大，因此塑封 電路比陶瓷電路在這方面

33、的性能要差，由于參考源的溫度系數(shù)、片上功耗和封裝的 熱阻等原因，會(huì)使接近滿量程時(shí)的噪聲從 25Vp-p 上升到 80Vp-p 。 另外，高 成效例如顯示值為 1000，二十段顯示與低功耗例如顯示值為 1111，八段顯示 使得線性度之差會(huì)到達(dá)一個(gè)字，甚至更多。參考源有正溫度系數(shù)的電路在量程溢出 時(shí)會(huì)多出幾個(gè)字。這是因?yàn)橐绯鰰r(shí)三個(gè)低位數(shù)字均不顯示，而處于低功耗狀態(tài)。相 似地，參考源為負(fù)溫度系數(shù)的電路會(huì)在溢出和非溢出讀值之間來(lái)回交替變化。這是 由于芯片不斷被加熱和冷卻的結(jié)果。所有這些問(wèn)題在使用外部參考源時(shí)自然就解決 了。4.4.2 數(shù)字局部圖 4.6 畫出了 ICL7107 的數(shù)字局部框圖，有 6V

34、 穩(wěn)壓二極管和一個(gè)很大的 P 溝管 子構(gòu)成的源極跟隨器形成了內(nèi)部數(shù)字地，這樣電源連續(xù)方式在背極BP電壓以方 波輸出時(shí)可吸納較大的容性電流。背極電壓的頻率為始終頻率除以 800，在每次三秒 讀數(shù)刷新速率時(shí)，它為 60Hz 的方波。標(biāo)稱電壓幅度為 5V；LED 的端驅(qū)動(dòng)電壓與此背 極電壓同頻、同幅，不顯示時(shí)為同相，顯示時(shí)為反相，在各種條件下，字符段兩端 的平均電流電壓可以忽略，字符段驅(qū)動(dòng)電流為 8mA.圖 4.6 ICL7107 的數(shù)字局部框圖圖 4.7 和圖 4.8 畫出了 ICL7107 的時(shí)鐘連接方式， 可在這兩種 基本的連接方式中 選擇一種使用。 1如圖 4.7 中所示，一外接振蕩器連接到

35、第 40 腳。 2如圖 4.8 中所示，用三個(gè)管腳構(gòu)成 R-C 振蕩器。 該振蕩頻率被除以 4，然后再進(jìn)入下一級(jí)計(jì)數(shù)器，以形成一個(gè)測(cè)量周期的三個(gè)階 段。他們是信號(hào)積分階段1000 個(gè)計(jì)數(shù)值 ，參考源反向積分階段0 至 2000 個(gè)計(jì) 數(shù)值和自動(dòng)校零階段10003000 個(gè)計(jì)數(shù)值 。在輸入信號(hào)小于滿量程時(shí)，自動(dòng)校 零將參考源中為用足的局部進(jìn)展反積分，這樣，使得一個(gè)完整的測(cè)量過(guò)程為 4000 個(gè) ，而與輸入信號(hào)無(wú)關(guān)。需要每秒三次的讀數(shù)刷新速率時(shí)， 計(jì)數(shù)值16000 個(gè)時(shí)鐘脈沖 可選用 48KHz 的振蕩頻率。 為使電路對(duì) 60Hz 的工頻有最大的抑制能力， 信號(hào)積分階段的時(shí)間應(yīng)為 60KH 的 工

36、頻的整數(shù)值， 這樣， 可選的震蕩頻率為 240KHz、 120KHz、 80KHz、 60KHz、 48KHz、 40KHz 等，同樣地，為了對(duì) 50KHz 的工頻有最好的抑制能力，可選的振蕩頻率有 200KHz、100KHz、40KHz 等。請(qǐng)注意，40KHz 額振蕩頻率每秒 2.5 個(gè)度數(shù) ，對(duì) 50KH 和 60KHz 的工頻均有抑制能力400Hz 和 440Hz 也可以 。圖 4.7 時(shí)鐘電路 A圖 4.8 時(shí)鐘電路 B4.5 元器件的選擇 4.5.1 積分電阻緩沖放大器的積分器都帶有甲類輸出放大器，靜態(tài)電流均為 100A 左右。輸 出為 4A 時(shí)的非線性度很小，可忽略不計(jì)。積分電阻必

37、須足夠大，以使在整個(gè)輸入 信號(hào)范圍內(nèi)的積分電流都落在這個(gè)線性度很好的區(qū)間。同時(shí)積分電流又必須大到印 刷版上的漏電電流可以忽略。對(duì)于 2V 的滿量程，470K是最優(yōu)的，滿量程為 200mV 時(shí)，可選 47K。4.5.2 積分電容積分電容的選擇須使得最大電壓擺幅不到達(dá)積分器輸出電壓的最大飽和擺幅， 約比電源和地低 0.3V 和高 0.3V 。當(dāng) ICL7107 的模擬公共端做參考點(diǎn)時(shí)，積分器 輸出滿量程標(biāo)稱為 2V 時(shí)最正確，當(dāng) ICL7107 用+5V 電源供電，模擬公共端接地時(shí)， 3.5V 只+4.5V 的標(biāo)稱輸出擺幅為最好。在每秒 3 個(gè)讀數(shù)時(shí)，CINT 的標(biāo)稱值分別為 0.22 F 和 0

38、.10F。當(dāng)然，在使用不同的震蕩頻率時(shí)，該電容的值也要往相反的方向進(jìn) 行修正，以保持同樣的輸出擺幅。 選擇積分電容的另一個(gè)要求時(shí)其漏電要小，以減少翻轉(zhuǎn)誤差。較適宜的電容式 聚丙烯電容，它的漏電幾乎可以完全忽略，而成本又很低。4.5.3 自動(dòng)教校零電容自動(dòng)校零電容的大小對(duì)系統(tǒng)的噪聲會(huì)有些影響。在 200mV 滿量程時(shí)，噪聲顯 得很重要。推薦使用 0.047F 電容，這樣，噪聲在合理范圍內(nèi)，同時(shí)，也加快了過(guò) 載時(shí)的恢復(fù)速度。4.5.4 參考電容在絕大多數(shù)使用場(chǎng)合下，0.1F 的電容效果最好。然而，當(dāng)存在較大的共模電 壓即 REF LO 管腳未與模擬公共端連接和使用 200mV 的滿量程時(shí)，可選用較

39、大的 電容，以防止產(chǎn)生翻轉(zhuǎn)誤差。一般地，1F 的電容在這種情況下可將翻轉(zhuǎn)誤差控制 在 0.5 個(gè)顯示字范圍內(nèi)。4.5.5 振蕩器元件在所有的頻率范圍內(nèi)，推薦使用 100K的振蕩電阻，振蕩電容的值用下式進(jìn)展 推算，f=0.45/RC。在 48KHz 振蕩頻率時(shí)每秒 3 個(gè)度數(shù) ，C=100pF。4.5.6 參考電壓產(chǎn)生滿量程讀數(shù)值輸出2000 個(gè)計(jì)數(shù)值所需的模擬輸入電壓為 Vin=2VREF,這樣， 對(duì)于 200mV 和 2V 的量程，VREF 應(yīng)分別為 100mV 和 1V。然而在許多應(yīng)用場(chǎng)合，該 A/D 電路直接連接到傳感器的輸出，在數(shù)字輸出和輸入電壓間就存在一量程因子的問(wèn)題。 例如，在一稱重系統(tǒng)中，設(shè)計(jì)者可能會(huì)希望傳感器的電壓輸出為 0.662V 時(shí)，A/D 轉(zhuǎn) 換器的數(shù)字輸出為滿量程。這時(shí)，它應(yīng)將傳感器的輸出電壓直接接到 A/D 輸入，參 考電壓調(diào)至 0.331V， 而不是將傳感器的輸出電壓衰減至 200mV ，并將積分電阻和 積分電容選至適宜的 120K和 0.22F。這樣會(huì)使系統(tǒng)顯得簡(jiǎn)潔，并去掉了輸入端 的衰減網(wǎng)絡(luò)。 在用5V 供電的 ICL7107 的輸入端可承受4V 的輸入信號(hào)，這類系統(tǒng)的另一個(gè) 優(yōu)點(diǎn)是在輸入電壓 VIN0 時(shí)，可將輸出數(shù)字讀數(shù)調(diào)為零。這對(duì)于測(cè)溫和稱重系統(tǒng)就 是一個(gè)例子：為方便地將數(shù)字輸出調(diào)為零，可將傳感器的輸出電壓接至 IN HI