简易可编程直流稳压电源的设计方案 .docx

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1、精品名师归纳总结目录第一部分系统设计1.1设计题目及要求31.2总体设计方案 31.2.1设计思路31.2.2方案论证与比较4其次部分单元电路设计2.1单元 电路及其工作原理或功能说明102.2单元 电路元件的选取与运算19第三部分整机电路3.1整机电路图21第四部分性能指标的测试4.1 电路调试234.1.1 测试仪器与设备4.1.2 功能指标测试及测量数据4.1.3 故障分析及处理4.2 电路实现的功能和系统使用说明第五部分课程设计总结 第一部分系统设计1.1设计题目及要求设计题目：设计制作一个简易的可编程直流稳压电源。1、基础功能： 1）可实现 5v、9v、12v 和 15v 的可编程直

2、流稳压电源。23232424 252）负载电流： IO=500mA。3）纹波电压： VO10m。V4）采纳单 15V 变压器作电源输入。2、发挥部分： 1）对指定的任意一种电压进行挑选和保持，保持时间为4S ，保状态。2）通过数码管显示当前电压的大小，用0、1、2、3 分别表示3.2 元件清单22持后返回巡回5V、9V、12V、可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结15V。1.2 总体设计方案1.2.1 设计思路依据电路所要实现的功能可将整个电路划分为六部分组成：时钟脉冲电路、保持电路、计数电路、规律掌握电路、功率输出电路、显示电路。每一个模块都有一个或几个主要芯片或器件组成。对于时

3、钟产生电路，第一要设计一个周期为 1s 的时钟脉冲信号，挑选 NE555 和一些电阻电容接成周期为 1s 的多谐振荡器，主要为计数电路部分供应时钟。保持电路的设计与脉冲电路的设计类似，也采纳 NE555 构成的电路，但是原理上保持电路是将 555 设计成一个单稳态电路，通过开关实现触发，输出产生4s 的暂稳态。由于暂稳态为高电平，所以需要连接一个反相器。反相器的输出端与计数电路74LS161 的 P 端连接，形成4s 的保持电路。该电路主要用于实现对当选定输出电压进行保持，保持时间为4S，保持完后返回巡回状态。计数电路由四位二进制的 74LS161 芯片构成计数电路，此芯片仍有保持功能。时钟输

4、入端即由时钟电路输入，输出端只需用到低两位即可掌握4 个电压输出的循环转换。规律掌握电路主要用来掌握计数器保持在相应的计数值上，规律门电路用来检测四个按键的状态，并将信息传达至计数器的预置数上，从而掌握模拟开关选通对应通道实现对应电阻的接入进而掌握输出电压的大小。主功率部分主要由 LM317 构成， LM317的输出端和调整端之间接一个电阻产生恒定电流， 公共端和的之间为 4 个不同阻值的电阻，掌握模拟开关接通相应电阻使恒定电流流经这些电阻就产生不同的电压。这 4 个电阻的通用三极管作为开关来掌握，三极管由模拟开关掌握，模拟开关由计数器掌握其巡回选通。显示电路主要由 CD4511和数码管构成，

5、 CD4511是专用于将二 - 十进制代码 BCD）转换成七段显示的专用译码器。输入端可以直接连接计数电路输出端的低两位，输出端连接 LED 数码管对应段选端，通过电平变化显示相应的数字，用 0， 1， 2，3 分别表示输出 5V， 9V， 12V 和15V。模块结构图：可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结时钟脉冲电路计 数 器电路模拟开关掌握电路可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结单稳态触发器按键+规律门译码显示电路1.2.2 方案论证与比较方案主要分析比较功率输出、电压选通以及保持电路部分。1.2.2.1 功率输出电路

6、功率输出部分有四个档位，分别输出5V，9V， 12V 和 15V，可以采纳特的的固定电压电源芯片，也可以使用输出可调剂的电源芯片以及用运放搭建的反馈掌握电路。以下对这三种方案对比论证。方案一：使用 LM78XX系列稳压芯片，即 LM7805，LM7809， LM7812，LM7815构成四路不同的稳压输出。只要选通对应的稳压芯片支路就可以实现对应的电压输出。方案二：在运放同相输入端接一个稳压管，再从输出电压中采样并引入负反馈到运放反相输入端，反馈可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结电压与运放同相输入端的固定电压比较放大，运放输出电压用来掌握功率管的导通程度从而起到掌握输出电压大小的

7、目的。方案三：使用芯片 LM317 ，通过模拟开关挑选相应的电阻接入，从而达到掌握电压输出的目的。可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结方案论证与比较：第一种方案中四路电路输出电压相互独立，输出精确稳固，纹波较小，电路原理简洁易懂。缺点是需要 4 个 78XX 芯片，所需其它元件也多，成本较高, 而其次种方案优点是成本较低，只要由运放和功率管构成，电路比较简洁，缺点是输出纹波较大，输出电流受三极管放大倍数的影响。第三种方案电路简洁，成本较低，缺点是温度变化时电阻值会受到影响，输出电压也会有所偏移。综上所述 , 考虑成本等因素打算采纳方案三。1.2.2.2 预置数电路方案一：采纳八位优

8、先编码器 CD4532，低四位与按键连接，当按键接通时高电平输入优先编码器输入端，从而产生编码输出，编码输出连接至计数器预置数输入端，从而实现按键按下时实现任可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结意电压输出的目的。方案二：采纳与门和与非门产生对应的二进制编码，将编码输出至74LS161 的预置数输入端实现任意四档电压输出。可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结方案论证与比较：方案一电路简洁，只需一个优先编码器和一些外围元件，方案二采纳门电路芯片，电路相对也简洁，但由于在4S 保持电路上使用了一个非门，芯片上仍剩下几个与非门，因此为了利用剩余的门电路于是采纳方案二。1.2.2

9、.3 4S保持电路方案一：用一个电阻和电容组成充放电路，一个三极管起反相作用。可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结方案二：用一个 555 设计成单稳触发器，在 555 输出端接一个与非门实现非门功能，从而当555 处于咱稳态时与非门输出低电平使计数器暂停计数。方案论证与比较：方案一优点是电路简洁，成本低，缺点是由于要界定三极管导通的精确电压，因此时间不易精确运算。方案二理论上可以运算出比较精确的时间，成本稍高但也简洁易于实现，因此采纳方案二。可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结其次部分单元电路设计2.1 单元电路及其工作原理或功能说明2.1.1 时钟脉冲电路2.1.1.

10、1 电路工作原理电路利用 NE555 和外接电阻电容组成多谐振荡器，产生周期为1s 的矩形脉冲。外接电容两端电压会在 1/3Vcc 和 2/3Vcc 之间不断变化，由此每经过一个周期就能输出一个矩形脉冲。只要挑选合适的电阻以及电容就可以使得矩形脉冲波形的周期是1s。2.1.1.2 器件说明可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结2.1.2 4S保持电路NE555 芯片管脚图：NE555 的功能表：输入输出状态0低导通1 2/3Vcc1/3Vcc低导通1 2/3Vcc1/3Vcc不变不变1 2/3Vcc1/3Vcc高截至1 2/3Vcc1/3Vcc高截至2.1.2.1 电路工作原理可编辑

11、资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结对输出电压和数码管显示的任意增益保持4 秒，用 NE555 构成单稳态触发器来对计数器进行保持。单稳态触发器有如下几个特点：1. 单稳态触发器有稳态和暂稳态两个不同的工作状态。2. 在外界触发脉冲作用下，能从稳态翻转到暂稳态，在暂稳态维护一段时间以后，再自动返回稳态。3 暂稳态维护时间的长短取决于电路本身的参数，与触发脉冲的宽度和幅度无关。由于单稳态触发器有以上几个特点，所以用它来实现挑选任一档位保持4 秒后，再回到原先的档位循环之中。2.1.2.2 器件说明器件说明与 2.1.1.2相同2.1.3 计数电路2.1.3.1 电路工作原理74LS161

12、计数器对由 NE555构成的多谐振荡器所产生的时钟进行计数，其输出为四位二进可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结制数。由于一共有 4 个电压档次，所以我们只需用到输出的后两位依据 00， 01，10，11 循环，并用 0、1、2、3 显示。 71LS161 仍具有计数保持功能，当 555 保持电路输出 4S 低电平到计数器保持掌握端时，计数器输出端会保持四秒不变。由于保持信号低电平有效，所以在输入保持信号时要与一个 74LS00 的与非门连接。将产生的 4s 高电平信号转换为低电平信号。74LS161功能表：110保持但2.1.3.2 器件说明芯片管脚图：CPEPET工作状态0置零

13、10预置数1101保持C=0）1110计数2.1.4 规律门电路可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结2.1.4.1 电路工作原理门电路只要有两部分功能，其中一部分用来检测按键状态，当有按键按下时门电路最终输出高电平到 NE555 的触发端使其输出 4S 的高电平脉冲，再经与非门反相后输出到计数器保持端使计数器暂停计数。另外一部分门电路用来检测不同按键的接通从而输出对应的两位二进制数到计数器的预置数端并使能计数器的预置数功能，最终计数器输出对应二进制数值使电压输出为对应值同时数码管显示对应的数字。2.1.4.2 器件说明芯片管脚图：74LS00 ）C1ln2放电时间 T2=R2C1l

14、n2故电路的周期为： T=T1+T2=R1+2R2C1ln 2=1s,通过运算的挑选合适的占空比以及T=1S 可以运算出 R1=R2=22K 。 C1=22 F可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结2.2.2 保持电路对于 555 组成的单稳态触发器，由于要求单稳态电路产生保持时间为4s, 所以T=R3C2ln3=1.1R3C2=4S,取 C2=100uf 运算得到 R3=36K.2.2.3 规律门电路门电路中用到按键检测，由于未按下时门电路输入为高电平，因此按键处需要用到上拉电阻，此处上拉用 4 个 3.6K电阻。2.2.4 功率输出电路依据 LM317 的器件特性 , 调整端与输

15、出端电阻上的电流在5mA 到 15mA 之间比较好 , 这里取R8=100, 就其电流为 I =1.25/100=12.5mA.因此 Uo=由以上公式 , 各输出电压对应的 Rx 阻值如下 : Uo=5V时, RW1=300。Uo=9V时, RW2=620。Uo=12V时, RW3=860。Uo=15V时,RW4=1100。可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结考虑到电阻的实际误差，所以此本设计中RW、1由一个 220与一个 1K 的多圈电位器串联组成。RW2和 RW3都用 1K 的多圈电位器代替， RW4就可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结2.2.5 显示电路显示电路

16、中单个数码管通过的最大电流一般设为几十个毫安，因此在数码管共阴端到的之间接一个 100的电阻。可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结第三部分整机电路3.1 整机电路图可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结3.2 元件清单器件名称参数与数量定值电阻22K 2 36K 1 3.6K 8 1002 2201多圈电位器0 9994电容10nF2100nF7去耦电容） 22uF12200uF1220uF 3100uF2数码管共阴 1按键开关4个集成芯片74LS00174LS081NE555 274LS1611CD45111CD4052 1 LM317 1第四部分性能指标的测试4.1

17、电路调试4.1.1 测试仪器与设备1、数字万用表2、水泥负载电阻4.1.2 模块指标测试及测量数据4.1.2.1 时钟脉冲电路在时钟脉冲的输出端接一电阻和发光二极管到的即可依据发光二极管的亮灭粗略运算时钟周期，经测试其周期约为 1S，符合设计要求。4.1.2.2 保持电路可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结保持电路的测试方法与时钟脉冲的测试方法类似，依据发光二极管的亮灭情形得出其暂稳态时间约为 4S，同样符合设计要求。4.1.2.3 计数电路在计数器的输出端的低两位接上二极管串联上电阻到的，观看二极管的放光情形。以亮表示为1，灭表示为 0，就可以看到二极管以00， 01，10，11

18、 的次序循环变化，切换时间为1S。4.1.2.4 规律门电路规律电路主要用来检测按键的状态，输出接至计数器预置数端。测试时分别按住不同的按键，同时用万用表电压挡测量预置数的B、A 端电平，以 1 表示高电平， 0 表示低电平。当按键0，1，2，3 分别按下时， B、A 端口电平为 00，01，10，11，同时触发保持电路，计数器暂停计数并使能预置数。因此门电路部分工作正常。4.1.2.5 功率输出电路先将四路电位器调至设定值，然后上电，再分别长按四个按键，用万用表测量输出电压，然后微调电位器，最终万用表显示电压分别为5.008V， 9.003V，11.98V 和 15.01V。最终用万用表的毫

19、伏挡测量输出电压纹波，分别为2mV，3mV，5mV和 8mV，输出电压输出纹波5.008V2mV9.003V3mV11.98V5mV15.01V8mV其最大纹波电压小于要求的 10mV指标。4.1.3 故障分析及处理故障一：首次通电后发觉数码管不能正常显示，并且显示较暗。经检查发觉输入译码芯片的二进制数正常，于是问题应当显现在译码芯片上，因此再用万用表测量芯片的供电管脚VCC电压，发觉仍不到 3V，于是顺藤摸瓜沿着 VCC线路检查后发觉了 PCB板上线路有一处显现了短路，可能是腐蚀过程中被腐蚀。故障二：当电路显示部分正常以后于是测量输出电压，但发觉最大输出电压只有8V 多，远远达不到15V，检

20、查模拟开关输入的二进制数没有问题，后来又发觉调剂某一挡位电位器时其它三路的输出电压也会转变，也就是说四路没有完全隔绝，而各路电阻的选通是通过三极管来实现的。于是检查三极管的基极电压，发觉未选通的三极管基极电压也超过0.6V，开头以为是模拟开关输出电压不够低从而使三极管不能有效截止，于是断开模拟开关与三极管的基极，但仍是发觉可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结三极管基极电压超过0.6V 且三极管都是新的，不行能损坏，于是干脆拿几个1K 的电阻将三极管的基极下拉到的，然而三极管仍旧处于导通状态。最终经过认真检查才发觉原先三极管的管脚是 E、B、C, 但焊接的时候误以为是C、B、E 了，

21、也就是说将 C和 E极反过来了。原先三极管由于 C、E 结的不同， C、E 反接后会产生漏电流，从而导致三极管不能有效截止。最终将三极管重新正确焊接以后故障就排除了。4.2 电路实现的功能和系统使用说明电路的功能是巡回输出 5V ，9V ，12V 和 15V 的电压，巡回切换时间为 1S，由 NE555 构成的多谐振荡器产生频率为1HZ 的时钟输出到74LS161 计数器中。此外电路仍具有任意挡电压 输出并保持功能，按键 0，1， 2， 3 分别按下时电压输出分别为 5V， 9V， 12V 和 15V 并保持 4 秒时间，然后连续进入巡回状态。电路仍具有显示功能，电路输出5V ，9V， 12V

22、 和 15V 时数码管分别显示 0， 1，2，3 从而达到提示的作用。第五部分课程设计总结这次课程设计开头时我就挑选了简易可编程稳压电源这道题目，由于电源比较有用于是就准备做成 PCB 板，于是托人买了散热片和一些接插件。课程设计开头后第一开头的是进行电路的设计，其中LM317 部分的电路比较简洁，只需要接入不同的电阻就能实现不同电压的输出。于是用到模拟开关选通不同的通路。时钟电路和保持电路都可以用所学的 555 芯片来实现，计数方面就用74LS161。显示电路也比较简洁，只要使用一个 CD4511 就能很便利实现数码管显示功能。电路的设计难点在于扩展功能部分，由于要求实现任意挡次电压的输出，

23、于是想到用四个按键来对应不同挡次电压的输出，并且想到运用门电路来识别不同按键的按下。最终理论上的设计胜利确定了方案。理论电路方案确定后接下来就利用Altium Designer 进行电路原理图的绘制和PCB 板的布线工作，经过一成天的努力软件部分的电路绘制和布板也完成了。接着就到创新试验室做板腐蚀，又搞了一晚上最终把板做好了，剩下的工作就是元件的焊接安装以及电路的调试工作了。当晚回去宿舍把电路焊接了一大半，到了次日早上又把剩余的元件焊接完成，至此，电路的元件安装已经全部完成，最终一个环节就是上电调试。一般情形下 , 上电后一切工作正常的概率仍是比较小的 , 这块电路板也不例外，上电后就发觉电路

24、的显示部分不正常，于是检查译码芯片的供电，最终发觉是由于短线造成的芯片供电故障，排除以后就复原正常显示了，这一部分相对来说比较简洁解决。另外一个故障的确花费了我不少时间，整整弄了一个下午。那就是电路的主输出部分，发觉输出电压最大只有8V，经过认真的检查才最终发觉是由于当开关用的NPN三极管的 C、E 极焊接反了，从而造成四路电阻不能隔绝。最终把这个故障排除后电路才最终完全正常工作。从这次稳压电源的设计来看 , 题目表达了模数结合的特点，也让我体验到了一些数字电路可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结芯片的使用，以前做的主要都是模电为主的电路。由于电压的输出是巡回变化的，保持电路也只能保持 4 秒钟，在一般的运用方面不便利，于是在保持电路的电容上并接了一个电阻从而按下某个按键之后输出电压就能始终保持在对应的电压上直到按下其它按键时输出电压才会改 变。总之这次的课程设计仍是比较好玩的，能够锤炼到同学的动手才能，不过我期望老师可以给出更多好玩有用的电路作参考，这样同学就能够依据自己的爱好爱好去挑选自己想做的东西，进而激发更多同学的热忱。可编辑资料 - - - 欢迎下载