数电课程设计实验报告.docx
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数电课程设计实验报告.docx
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数电课程设计实验报告
《电子技术》课程设计报告
题目简易直流稳压电源
学院(部)信息工程学院
专业通信工程
班级通信一班
学生姓名高潇洒
学号2404100125
12月19日至12月30日共2周
指导教师(签字)
前言
随着电子产品的普及,数字显示可调直流稳压电源的应用越来越广泛。
它能够更好的控制电流的输入,延长电子产品的寿命。
现在神会发展的趋势越来越智能化,电路的控制越来越精确,人们对电子产品的要求越来越高。
目前,数字式直流稳压电源是电子技术常用的设备之一,广泛应用于我们生活、工作、科研、各个领域。
本文将介绍一种简易直流稳压电源,要求输出电压量程±12V,0V~+12V连续可调;输出电压可数字显示,显示精度优于±0.1%;输出电流<=400mA。
在拿到设计题目以后,我们首先重点温习模电课本中稳压电源部分,对直流稳压电压的原理,结构框图,变压、整流滤波、稳压三大部分有了初步了解。
然后到图书馆借阅相关资料,参考相关文献,又通过互联网查找了相关的知识。
确定了整体设计方案,画出了电路原理草图。
最后进行仿真操作,从安装程序到使用软件,元器件的查找,仿真结果出不来等等,我们小组边学习边探索,一直到最后原理图完成,仿真成功,开始撰写设计报告。
在整个设计过程中,我们组的分工还是比较明确的,各自对自己所负责的模块进行研究、设计和调试,最好将各个模块进行组合、安装、调试以求最后的整体方案能够协调工作,从而达到设计要求。
稳压电源部分主要由我负责,莫新存同学负责AD转换部分,兼顾数字显示部,高晓梅同学主要负责数字显示部分,同时兼顾AD转换部分。
完成单元电路后最后进行整体连接调试,并完成所负责部分的报告。
由于经验的欠缺以及知识面的限制,我们的报告中可能会出现一些错误与不足,请读者见谅,同时希望能够积极指正,谢谢!
摘要4
关键字5
技术要求5
一.整体思路5
二.单元电路设计方案的选择与论证6
1.稳压电源设计方案的选择与论证6
1.1变压器6
1.2整流电路7
1.3滤波电路10
1.4稳压电路11
1.5稳压电源电路图及multisim仿真15
2.AD转换设计方案的选择与论证16
3.显示部分设计方案的选择与论证16
三.系统综述17
存在的问题及总结18
鸣谢18
元器件明细表19
参考资料21
收获与体会21
简易直流稳压电源
摘要:
电源是各种电子、电气设备工作的动力,是自动化不可或缺的组成部分。
在工农业生产中主要采用交流电,而在电子线路和自动化控制中还需要稳定的直流电。
为了得到直流电除了直流发电机外多采用直流稳压电源。
本文设计的是量程为
12V且在0~12V可调的简易直流稳压电源,其最大输出电流为400mA,其中利用A/D转化,将输出的连续电压信号变为离散的数字信号,并通过显示电路在数码管上显示出来。
该稳压电源具有结构简单,调节方便,电压电流指标精度高的特点。
关键词:
稳压、可调、AD转换、数值显示
Abstract:
Powerisallkindsofelectronic,electricalequipmentworkmotivation,isanintegralpartofautomation.Intheindustrialandagriculturalproductionmainlybyalternatingcurrent(ac),andintheelectroniccircuitandautomationcontrolneedstabledc.Inordertogetthedcinadditiontothedcgeneratorisusedmoredcregulatedpowersupply.
Thispaperdesignisrangefor12vandin0~12vadjustablesimpledcregulatedpowersupply,themaximumoutputcurrentfor400ma,includinguseofA/Dconversion,theoutputofthecontinuousvoltagesignalintodiscretedigitalsignal,andthroughthedisplaycircuitinthedigitaltubedisplay.Theregulatedpowersupplyissimpleinstructure,convenientadjustment,thevoltagecurrentindexthecharacteristicsofhighprecision.
Keyword:
Voltageregulator,adjustable,ADconversion,numericaldisplay
技术要求:
1.输出电压
12V;
2.输出电流
400mA;
3.输出电压数字显示,显示精度优于
0.1%;
4.输出电压在0~12V之间连续可调。
一.整体思路
电路的整个设计过程大体可分为三个模块:
1、稳压电源:
生成直流稳定电压
A、变压器
B、整流滤波电路
C、稳压电路
2、AD转换:
将模拟的电压值转换成离散的数字信号
3、显示:
将电压值通过数码管显示出来
设计思路基本框图如下:
2.单元电路设计方案的选择与论证
1、稳压电源设计方案的选择与论证
直流稳压电源一般由电源变压器、整流滤波电路、稳压电路组成,其基本原理框图如图1所示。
(1)首先选用合适的电源变压器将电网电压降到所需要的交流电源。
(2)降压后的交流电压,通过整流电路整流变成单项脉动直流电压。
直流脉动电压经过滤波电路变成平滑的、脉动小的直流电压,即滤除交流成分,保留直流成分,滤波电路一般有电容组成,其作用是把脉动直流电压中的大部分纹波加以滤除,以得到较平滑的直流电压。
(3)稳压电路:
稳压电路的作用适当外界因素(电网电压、负载、环境温度)发生变化时,能是输出直流电压不受影响而维持稳定的输出。
1.1、变压电路模块
变压器是将来自电网的220V电压变为电路所需要的电压。
变压电路如图所示:
假设变压器的输入电压为Ui,输出电压为Uo,则Ui/Uo=10:
1
1.2、整流电路模块
◆方案一:
单相半波整流电路
(a)电路图
U2U0Ud
(b)波形图
图1单相半波整流电路
在变压器次级电压U2为正的半个周期内(如图1(a)中所示上正下负),二极管导通,在RL上得到一个极性为上正下负的电压;而在U2为负的半个周期内,二极管反向偏置,电流基本上等于0。
所以在负载上的电压
的极性是单方向的(如图1(b)所示)。
正半周内Uo=U2,Ud=0;负半周内Uo=0。
Ud=U2。
由此可见,由于二极管的单向导电作用,把变压器次级的交流电压变换为单向脉动电压,达到了整流的目的。
其优点是结构简单,使用的元件少,但也有明显的缺点:
输出电压脉动大,直流成分比较低;变压器有半个周期不导电,利
用率低;变压器含有直流部分,容易饱和。
只能用于输出功率较小,负载要求不高的场合。
◆方案二:
单相全波整流
(a)电路
U0
O
tO
tO
t
(b)波形图
图2全波整流电路
全波是利用具有中心抽头的变压器与两个二极管配合,使两个二极管在正、负半周轮流导电,而且二者流过RL的电流保持同一方向,从而使正、负半周在负载上均有输出电压。
电路如图2(a)所示。
正半周内D1导通,D2截止,在负载RL上得到的电压极性为上正下负;负半周内,D1截止,D2导通,在负载上得到的电压仍为上正下负,与正半周相同。
全波整流波形如图2(b)。
全波整流的输出电压是半波整流的两倍,输出波形的脉动成分比半波整流有所下降。
全波整流电路在负半周时二极管承受的反向电压较高,其最大值等于
,且电路中每个线圈只有一半时间通过电流,所以变压器利用率不高。
◆方案三:
单相桥式整流
(a)电路图
U2IoUo
O00
(b)波形图
图3单相桥式整流电路
单相桥式整流电路如图3(a)。
由图可见,U2正半周时D1、D4导通,D3、D2截止,在负载电阻RL上形成正向脉动电压;而在U2负半周时,D2、D3导通,D1、D4截止,在RL上仍形成上正向的脉动电压。
如果忽略二极管内阻,有Uo≈U2。
桥式整流电路波形如图3(b)所示。
正负半周均有电流流过负载,而且电路方向是一致的,因而输出电压的直流成分提高,脉动成分降低。
单相桥式整流电路主要参数:
输出直流电压
脉动系数S,二极管正向平均电流I
二极管最大反向峰值电压U
。
桥式整流电路解决了单相整流电路存在的缺点,用一次级线圈的变压器,达到了全波整流的目的。
因此选用方案三单相桥式整流。
1.3、滤波电路模块
该模块实现降低输出电压的脉动成分,尽量保留直流成分的功能。
利用电容和电感的滤波作用达到降低交流保留直流成分的目的。
◆方案一:
电容滤波
(a)电路图
(b)滤波输出后的波形
图4单相桥式整流电容滤波电路
如图4所示为单相桥式整流电容滤波电路。
利用电容的储能特性,使波形平滑,提高直流分量,减小输出波纹,其输出波形如图4(b)所示。
电容滤波有以下特点:
1加入滤波电容后,输出电压的直流成分提高,脉动成分减小
2电容滤波放电时间常数(
)越大,放电过程越慢,输出直流电压越高,纹波越小,效果越好。
为了获得较好的滤波效果,一般选择电容值满足
~5)
,此时,输出电压的平均值
。
3电容滤波电路的输出电压随输出电流的增大而减小,所以电容滤波适合于负载电流变化不大的场合。
◆方案二:
电感滤波
单相桥式整流电感滤波电路如图5,利用电感不能突变的特性,使输出电流波形平滑,从而使输出电压波形也平滑,提高直流分量,减小输出纹波。
(a)电路
滤波前滤波后
(b)滤波后的输出波形
图5单相桥式整流电感电路
综合考虑,由于在小功率电源中电容滤波最为常见,,满足本设计要求,故选择方案一
1.4、稳压电路模块
稳压电路是使输出的直流电压稳定,不随交流电网电压和负载的变换而变化。
◆方案一、三端可调式集成稳压器LM317
三端稳压电源构成直流可调的原理框图
在稳压部分选用的LM317,输出的基准电压为1.25V,所以需要一个补偿电路来达到输出电压为0V。
由R2和R1C4稳压管Dz组成的稳压电路便可达到此效果(通过稳压管使A点为-1.25V,这样当Rp=0时,VA和输出的基准电压相抵消,便可近似认为U0为0V);通过改变Rp的阻值大小,即可调节输出电压U0的大小,实现电压从0V起连续可调。
在集成稳压器离滤波电容较远时,应在LM317靠近输入端处接上一只0.33μF的旁路电容C2,接在调整端和地之间的电容C3是用来旁路RP两端的波纹电压,当C3为10μF纹波抑制比可提高20dB,减到原来的1/10。
另一方面,由于在电路中接了电容C3,此时一旦输入端或输出端发生短路,C3中储存的电荷会通过稳压器内部的调整管和基准放大器而损坏稳压器。
为了防止在这种情况下C3的放电电流通过稳压器,在R1两端并接一只二极管D5。
LM317集成稳压器在没有容性负载的情况下可以稳定工作。
但当输出端有500-5000pF的容性负载时,就容易发生自激。
为了抑制自激,在输出端接一只1μF的钽电容或25μF的铝电解电容C4。
该电容还可以改善电源的瞬态响应。
但是接上盖地拿容以后,集成稳压器的输入端一旦发生短路,C4将对稳压器的输出端放电,其放电电流可能损坏稳压器,故在稳压器的输入与输出端之间,接一只保护二极管D4。
稳压电路图
采用可调三端集成稳压电路,该芯片的基准电压为1.25V,在设计一个补偿电路来实现电压从0V起连续可调,所用原件较少,结构简单,成本较低,组装方便且可靠性高。
◆方案二、由运算放大器和晶体管等器件组成的组合电路实现
电路如图所示
稳压电路图
市电通过变压器,连接到稳压电源电路,由整流桥IBQ40整流、C1平滑滤波,输出至电压调整管Q1的集电极。
这个电路具有不同于其他电源的特点。
电源的基准电压用一个固定增益的运算放大器U2跟一个可调电阻R6提供,它实现了电压可以从零可调,D1选用稳压值3.3V左右的稳压管。
接通电源后电压增加到使D3导通,通过R1稳定在3.3V附近,因为设置R3等于R1,根据放大倍数A=(1+R3/R2)得U1的放大倍数为2,其输出电压约是6.6V。
U2的放大倍数约为2倍,根据调节电位器R6可实现它的输出电压能从0~12V可调。
电路另一个特征就是用三极管的射极输出可以大幅增大输出电流。
当调节滑动变阻器的阻值,在输出端就可以得到0到12v连续的电压。
至于题目要求的-12v到0范围的取值,只需要把万用表的正负极反接即可得到所要求的-12v到+12V的任意电压。
发挥部分:
利用电路中的R7实现电压微调功能
在实际应用中,可能会由于器件的长时间应用,会使某些元件出现损耗的情况,导致输出电压出现微小偏差,这时可以通过R7的细微调节来改变其分压比,从而达到校准电压的目的
以上为变化前后的电路图
此方案中电阻中所用原器件较多,但是原理简单,电压值容易调节,不过元器
件受温度等因素影响所造成的误差也是不可避免的。
两种方案都各有利弊,但由于第一种方案中所需的芯片和个别元件在仿真软件中无法搜索到,所以就采用后一种稳压方案。
1.5、稳压电源电路图及Multisim仿真
综合以上论证,确定最终稳压电源部分的总电路如图:
稳压电路图
图中电路各个元件的参数应该满足一定的关系或在一定的范围内取值:
电容:
RC>=(3~5)T/2T=1/50kHZ=0.02mS
R1:
由于D3的击穿电压约为3.3V,为使其能在稳压状态下工作,R2应该合适
取值,保证稳压管两端的电压大于其击穿电压。
R2、R3:
U1的电压放大倍数为2,则R3/R2=1
R6、R5:
U2的电压放大倍数大于2,则R6/R5>1
电位器A的增量:
根据观察计算,电位器每增加0.79%,电压值就增加0.1,所
以将电位器的增量设为0.79%。
2、AD转换设计方案的选择与论证
经过论证,此模块采用芯片ADC实现模拟电压到数字形式的转换,并通过比较电路实现二进制数到十进制数的变换,电路如下:
3、显示部分设计方案的选择与论证
在前期设计过程中,由于存在不足,调节电位器改变电压值时,数码管无法显示正确的电压值,所以在显示电路部分采取了相应的改造措施,弥补了不足,经论证,采用如下显示电路:
3.系统综述
经过论证与选择,最终确定的总电路图如下:
总电路图
存在的问题及总结
本设计介绍的简易直流稳压电源,有机地将数字技术和模拟技术结合起来,它主要由整流滤波部分,稳压电路部分,十进制计数器,显示译码驱动器,数码管显示器等组成,但是由于缺乏经验,电路设计仍有不足,仍然存在微小误差及个别无法解决的问题。
比如在仿真过程中,调节电位器改变输出电压值时,通过万用表测量出的电压值与理论值存在误差,特别是在输出电压越小时误差越大;有如,调节完电位器以后,数码管上显示的电压值不能长时间保持,过一定的时间以后会发生变化,只有通过适当减小计数脉冲的频率来减小这种误差,但不能达到完全避免这种情况的产生。
鸣谢
本次设计我们最应感谢的人就是各位指导老师,是你们指出我们方案中存在的问题、给了我们非常有建设性的启示,使我们的设计才得以顺利完成。
同时,我们也应该感谢在我们遇到困难时积极帮助我们的同学(张泽峰、李高峰、侯旭阳、宋红丹),当然,我还要感谢我的队友,正是由于我们之间很好的合作才能使我们成功解决设计中存在的问题。
元器件明细表
元件
型号
数量
代号
图
交流源
220v,50Hz
1
V3
时钟源
10V-10V,100kHz
1
V1
变压器
10:
1
1
T1
桥式整流器
1B4B42
1
D1
电容
3.3uF
1
C1
电阻
1.5kΩ
1
R1
电阻
5kΩ
3
R2,R3,R5
滑动变阻器
20kΩ
1
R4
电阻
5.36kΩ
1
R6
电阻
28Ω
1
R7
电阻
617Ω
1
R8
稳压管
1N4728
1
D3
晶体管
TIS99
1
Q1
集成运放器
INA105̲CMP
2
U22,U23
地
3
直流源
12V
3
VDD
直流源
25.6V
1
VCC
开关
Key=Space
1
非门
7404N
1
U8A
异或门
74LS86D
8
U13A,U13B,U13C,U13D,U14A,U14B,U15C,U16D
或门
74LS32D
7
U9A,U10B,U11C,U12D,U17A,U18B,U19C
AD转换器
ADC
1
U5
四位二进制数计数器
74LS161D
2
U3,U4
四位十进制数计数器
74LS160D
3
U1,U2,U20
数码管
DCD̲̲HEX
3
U6,U7,U21
参考文献
1.林涛••数字电子技术•清华大学出版社•2006
2.林涛•数字系统原理与应用•电子工业出版社•2005.11.
3.林涛..模拟电子技术基础.清华大学出版社.2010.11
4.何希才.稳压电源电路的设计与应用.北京中国电力出版社.2006
5.杨欣•电子设计从零开始•清华大学出版社•2005
6.崔瑞雪·电子技术动手实践.北京航天航空大学出版社·2007
7.李海燕...电路设计与虚拟仿真.北京电子工业出版社.2012.2
收获与体会
在起初刚刚布置了课设任务的时候,我心里没有太大压力,觉得挺容易的,但经过了这两个星期,我真的觉得这没有我先前想的那么简单,确实像老师说的那样,两个礼拜的时间,连滚带爬的,感觉还是挺辛苦的,设计过程中,我们遇到了许多问题和困难,但是我们并没有轻易放弃,在设计之前,参考了许多相关
的资料。
在设计中又参考了课本上给出的相关原理图,开始时我还不太明白电路是如何连接的,并且对其原理也不甚了解,但通过对所学知识更深入的学习和老师的答疑讲解和帮助,最终使我们克服了难关,理解了许多东西。
一路走来,我收获了知识,收获了希望和努力后的成果。
通过这次课程设计,我发现了以往学习中的许多不足,我更加深深地体会到了自学的重要性。
比如我们在画电路图时,要用到那些专门的画电路的软件,而我之前确实没有接触过,就好用Word来绘制电路图,画的比较生硬,要用到文档中去也比较麻烦,而且好多功能都没办法实现。
因此,我就在想,其实大学中很多东西都是要靠自己去学的,当然,我们不能盲目的去学一些对自己专业没有很大帮助的东西。
相反,我们应该抽时间好好的学习那些对我来说很有用的软件。
课设的过程中,真的让我看到了自身存在的某些不足,甚至是一些致命的缺点,相信我会将其转换为以后努力学习的动力,以更加积极地态度对待我的学习、对待我的生活。
同时,在课设过程中,我发现了很多别的同学身上的优点,比如快速准确的分析问题的能力,坚持不懈解决问题的能力,以及积极帮助周围同学的优秀品质,我想,这将会成为我努力地方向吧!
课设过程完成后,我才真正明白了理论的根基性和实践的重要性,理论知识不扎实,想要动手实践就会没有方向或者说走错方向,甚至于不知道何从下手,而实践过程不重视的话,就无法将自己学到的理论知识运用于实际,更没办法发现实际中存在的问题,这对一个人的发展是有很大的影响的。
以上就是我从这次课程设计中得到的收获与体会,我觉得接下来的学习生活中我会以此为勉励,正视自己的不足,充实自己,完善自我。
评语
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