《模拟电子技术》课程设计

郑州科技学院模拟电子技术课程设计题目可调直流稳压电源学生姓名专业班级电气工程及其自动化学号院（系）电气工程学院指导教师完成时间引言随着计算机、通信、工业自动化、家用电器以及电机电器等行业的发展，电源电子线路的动力源也迅猛发展。当今电源的设计潮流不仅表现在对电源更加准确的稳定度要求，还表现对便捷、使用寿命及节能等方面的要求。电源技术是一门实践性很强的技术，是模拟电子技术和数字电子技术课程中的一个重点课程。众所周知，电源是各种电器和电子设备工作的动力源泉，是各种电器和电子设备工作不可缺少的组成部分，就像人不能离开心脏一样。可调直流稳压电源的应用是非常广泛的，直流稳压电源的控制芯片采用的是目前较成熟的进口元件，功率部件是采用目前国际上最新研制的大功率器件，可调直流稳压电源的设计方案省去了传统直流电源因工频变压器而体积笨重。本课程设计为可调直流稳压电源，通常，在许多参考书上都有类似的电路设计图，在我们需要用时经常面临一个选择的问题，并且在具体操作过程中也总会遇到许多问题而且这些问题在书上又不能找到具体的解决方法。此外，大多部分参考书上所提供的电路图的实物结果都是理想情况下的，并且有些元器件在现实生活中又买不到，还有些电路看似简单，但是实际操作时会发现有很多你没有考虑到的问题，这个课程设计是我构思了两个星期才把仿真图画出来的，把课本上理论知识与实践结合起来、融会贯通，综合掌握模拟电路设计的基本方法、设计步骤，培养创新能力和创新思维。目录摘要11课程设计的目的12课程设计的任务与要求121课程设计的任务122课程设计的要求13设计方案和论证14电路工作原理及其说明141电路工作原理142单元电路的设计（计算与说明）15硬件的制作与调试151焊接实物图152焊接过程出现的问题153调试16MULTISIM仿真161仿真软件的介绍162电路仿真分析和图示163电子产品的调试结果与分析17总结1参考文献1附录1总体电路原理图1附录2实物图1附录3元器件清单1摘要可调直流稳压电源一般由电源变压器，整流滤波电路及稳压电路所组成。变压器把市电交流电压变为所需要的低压交流电。整流电路的作用利用二极管的单相导电性，将正负交替的正弦交流电压变换为单方向的脉动电压。滤波电路的作用是将脉动电压中的脉动成分滤掉，使输出电压成为比较平滑的直流电压。稳压电路的作用是使输出的直流电压在电网电压或负载电流发生变化时仍保持稳定。本设计主要采用直流稳压构成集成稳压电路，通过变压，整流，滤波，稳压过后将220V交流电变为稳定的直流电，并实现电压在125128V可调。在电子电路中都需要稳定的直流电源，在检定检修指示仪表时，不仅要有合适的标准仪器，还要有合适的直流稳压电源和调节装置。当由交流电网供电时，则需要把电网供给的交流电转换为稳定的直流电。关键词直流；稳压；变压；整流；滤波1课程设计的目的1、学习基本理论在实践中综合运用的初步经验，巩固和掌握模拟电路设计的综合理论知识、基本方法，掌握元件的特点应用、电路的仿真、典型电路的应用及线路焊接实现设计的要求，锻炼实际动手操作能力，同时培养交流、表达与合作能力；2、培养实践技能，掌握电子电路安装和调试的方法及和故障排除方法，提高分析和解决实际问题的能力，培养创新能力和创新思维；3、学会可调稳压电源的设计和性能指标测试方法提高电子电路实验技能及仪器使用能力，一定要掌握对电子测量，焊接，电路的深层次认识；4、通过老师、同学间的帮助及通过查阅手册和文献资料，感受实际操作中设计和制作的一般操作流程，培养对实践操作的兴趣以及与搭档合作交流意识，逐步形成良好的工程意识。2课程设计的任务与要求21课程设计的任务在电子线路中，一般都需要稳定的直流电源供电。如一些自动控制装备及电子设备。目前，电能主要由共频交流电形式供给，为了得到直流电源，获得直流电源的方法较多，如干电池、蓄电池直流电机等。但是比较经济实用的方法是，把交流电源变成直流电源。我的课程设计的任务就是设计一个可调直流稳压电源，为单相小功率可调电源，将频率为50HZ、有效值为220V的单相交流电压通过变压、整流、滤波、稳压转换为幅值稳定、输出电流为几十安以下的可调直流电压。可调范围为125128V的稳定电压。22课程设计的要求1、设计一个可调直流稳压电源，要求同时输出125128V的可调电压，输出电流最大为15A，电源输出纹波电压小于5MV,其稳压系数小于0005，电源输出电阻小于01欧2、选择电路方案，完成对选定方案电路的设计。计算出电路元件的参数，选择合适的变压器、整流二极管、滤波电容、稳压管以及电位器等元器件，一定要细心，并且用MULTISIM软件画出构思的总体电路原理图，并画出系统组成的框图，阐述其基本原理；3、完成电路的理论设计、安装调试；4、并按照规定的格式按时写出课程设计报告书。3设计方案和论证可调直流稳压电源的课程设计方案有很多种，最终要选择那个方案却需要考虑很多因素，考虑它是否容易调试，元器件是否容易买到，经济是否允许，设计方案是否简单易懂，时间上是否允许，在仿真时是否能达到理想效果等因素。不管选那一种方案，它都需要经过变压，整流，滤波，稳压这四个基本环节。通过MULTISIM11仿真，我们可以对这三种可调直流稳压电源课程设计方案进行对比，最终得到合适的方案。方案一设变压器副边电压31TUSIN2当变压器的副边电压在U2的正半周内，二极管D1，D2导通，D3，D4截止；U2的负半周内，D3，D4导通，D1，D2截止。正负半周内部都有电流流过的负载电阻RL，且方向是一致的。如图31同时，可以对比方案二、方案三总电路图做出比较，如图32。图31直流稳压电源方框图图32方案一总电路图方案二直流稳压电源一般将频率为50HZ、有效值为220V的单相交流电压转换为交流低压，再经整流滤波电路以及稳压电路输出幅值稳定的直流电，其组成基本框图如图33，同时，可以对比方案一、方案三总电路图做出比较，如图34。图33可调直流稳压电源基本框架图图34方案二总电路图方案三直流稳压电源一般由电源变压器、整流电路、滤波电路及稳压电路四部分组成。流程图如图35所示图35直流稳压电源流程图同时，可以对比方案一、方案二总电路图做出比较，如图36图36可调直流稳压电源原理图经过与方案一、方案二经行比较之后，更加容易调试、简练、吸引我的是方案三，由于我考虑到时间的紧张，经过商量比较之后我们选择了方案三。4电路工作原理及其说明41电路工作原理可调直流稳压电源的工作流程如下图41可调直流稳压电源的设计电路框图图42直流稳压电源的方框图结合图41、图42，我们可以得出直流稳压电源的工作原理电路输入幅值为220V频率为50HZ的电网电压U1通过电源变压器，将220V的电压幅值转化为所需要的电路工作压值U2。通过电源变压器把输送来的交流低压，再经过桥式整流电路，转换为单方向全波脉动的直流电压。由上图可知由于单方向全波脉动的直流电压中含有较大的交流成分，会影响负载电路的正常工作；例如交流分量将混入的输入信号被放大电路放大，甚至在放大电路的输出端所混入的电源交流分量大于有用信号；因而不能直接作为电子电路的供电电源。为了减小电压的脉动，需通过低通滤波电路滤波，使输出电压平缓。理想情况下，应将交流分量全部滤掉，使滤波电路的输出电压仅为直流电压。然而由于滤波电路为无源电路，所以接入负载后必将影响其滤波效果。对于稳定性不高的点子低昂路，整流、滤波后的直流电压可以作为供电电源。平滑的直流电压，在整流电路的后面加一个滤波电路，以滤去交流成分，电容C就起到这个作用；对于要求不高的电路，经过滤波后的直流电压可以直接应用，对于一些要求比较高的电路。我们在滤波电路的后面再接一个稳压电路，使输出的直流电压更加平滑。一般来说，滤波电容C的容量比较大，本身就存在着较大的等效电感，因此对于引入的各种高频干扰的抑制能力很差。为了解决这个问题在电容C旁并联一只小容量电容器C1、C2，就可有效地抑制高频干扰。另外，稳压器在开环增益较高、负载较重的状态下时，由于分布参数的影响有可能产生自激，C1、C2则兼有抑制高频振荡的作用。输出端接入电容器C3、C4、C5、C6，是为了改善瞬态负载响应特性和减小高频输出阻抗。42单元电路的设计（计算与说明）1、电源变压器。电源变压器的作用是将电网220V、50HZ的交流市电降压或升压。变换成整流滤波电路所需要的的交流电压。变压器由铁芯和绕组组成，绕组又分为一级侧和二级测两部分。变压器的效率为（41）12P式中P1为变压器一次测的功率；P2为变压器二次测的功率。如下图43变压器的实物图初边的电压为220V、频率为50HZ,次边电压为12V,画仿真图时先在MULTISIM仿真软件里用万用表测出变压器的副边电压为12V，如图44，为万用表所测的副边电压12V图43变压器的实物图图44变压器的副边电压2、整流电路。整流滤波电路是将变压器输出的交流电变成脉动的直流电，我们都知道，半导体二极管具有单向导电性。因此可利用二极管组成整流电路，将交流电压变成单相脉动电压。在交流电源的作用下，整流二极管周期性的导通和截止，使负载得到脉动直流电。常用的整流电路有桥式整流、全波整流和半波整流三种电路。整流电路的任务是将交流电变换成直流电。完成这一任务主要是靠二极管的单向导电作用，因此，二极管是构成整流电路的关键元件。在小功率整流电路中，常见的几种整流电路有单相半波、全波、桥式和倍压整流电路。图45单相桥式整流电路图如图45所示是容性负载单相桥式整流电路。它的四臂是由四只二极管构成，当变压器次级的1端为正、2端为负时，二极管D2和D4因承受正向电压而导通，D1和D3因承受反向电压而截止。此时，电流由变压器1端通过D4经RL，再经D2返回2端。当1端为正时，二极管D1、D3导通，D2、D4截止，电流则由2端通过D3流经RL，再经D1返回1端。因此，与全波整流一样，在一个周期内的正负半周都有电流流过负载，而且始终是同一方向。负载上的直流电压VL和直流电流IL的计算图46单相桥式整流电路电压、电流波形42SIN210TDUAVO负载电压VL的平均值为43L2290直流电流为44RVIL2而谐波分量总称为纹波，它叠加于直流分量之上。常用纹波系数KR来表示直流输出电压中相对纹波电压的大小，即（45）VKLLRR2式子中的为谐波分量的有效值。VLR整流元件参数的计算在桥式整流电路中，二级管是两两轮流导通，所以流经每个二极管的电流为46RILD2450一般电网电压的波动范围为10到10之间，实际上选用的二极管的最大整流电流和最高反向电压应该留有大于10的余量。半波整流电路中只有在交流电压的半个周期内才有电流流过负载，这是直流电压U0等于半波电压在一个周期内的平均值，它等于变压器次级电压有效值U2的45即（47）O24503、滤波电路。图47滤波电路整流电路的输出电压虽然是单一方向的，但是含有较多的交流成分，不能适应大多数电子电路及设备的需要。因此一般在整流之后还需要利用滤波电路将脉动直流电压变为直流的平缓电压。电容滤波是最常见的滤波电路也是最简单的滤波电路，在整流电路并联一个电容即构成电容滤波电路，如图47所示。电容滤波电路图48桥式整流、电容滤波电路滤波电容容量较大，因而一般均采用电解电容，在接线时要注意电解电容的正、负极。电容滤波电路利用电容的充放电作用，使输出电压趋于平滑。滤波电容是并联在整流电源电路输出端，用以降低交流脉动波纹系数、平滑直流输出的一种储能器件。为了获得好的滤波效果，选择的滤波电容的电容量都比较大，最常用的为数百至数千微法的电解电容，要求高的场合也有使用钽电容或者铌电容的；但在几十千赫兹甚至更高频率的场合，对频率特性的要求比对容量的要求显得重要得多。这次用了一个470UF电解电容，在电路里起到了滤波的作用。瓷片电容具有小的正电容温度系数的电容器，用于高稳定振荡回路中，作为回路电容器及垫整电容器。低频瓷介电容限于在工作频率较低的回路中作旁路或隔直流用，或对稳定性和损耗要求不高的场合，这种电容器不宜使用在脉冲电路中，因为它们易于被脉冲电压击穿。这里并联了一个是1UF电容吸收回路，起抑制浪涌反向峰值电压对二极管的冲击，避免造成损坏。4、稳压电路。虽然整流滤波电路能将正弦交流电变换为平缓的直流电压，但是当电网电压波动时或者负载发生变化时，输出电压将随之产生相应的波动。为了获得稳定性好的直流电压，必须采用稳压措施。LM317是应用最为广泛的电源集成电路之一，它不仅是具有固定式三端稳压电路的最简单形式，又是具备输出电压可调的特点。此外，还具有调压范围宽、稳压性能好、噪声低、纹波抑制比高等优点。LM317是可调节3端正电压稳压器，在输出电压范围125伏到37伏时能够提供超过15安的电流，此稳压器非常易于使用。LM317有三个管脚，第一引脚，为电压调节脚；第二引脚，为电压输出脚；第三引脚，为电压输入脚。本次实验用的是LM317T，要求焊接的时候千万不能接错。图49LM317T实物图因为要求输出电压可调，所以选择三端可调式集成稳压器。可调式集成稳压器，常见主要有CW317、CW337、LM317、LM337。317系列稳压器输出连续可调的正电压，337系列稳压器输出连可调的负电压，可调范围为12V37V，最大输出电流为15A。稳压内部含有过流过热保护MAXOI电路，具有安全可靠，性能优良、不易损坏、使用方便等优点。其电压调整率和电流调整率均优于固定式集成稳压构成的可调电压稳压电源。其LM317系列和LM337系列的引脚功能相同，这里我们采用的是LM317T,管脚图和典型电路如图49图410输出电压表达式为（48）1251RPUO式中，125V是集成稳压块输出端与调整端间的固有参考电压，EFV此电压加于给定电阻两端，将产生一个恒定电流通过输出电压调节电位1R器，电阻经常取值2K，在这里，采用10K的电位器，其最大阻值为1RP11036K再串联一个R2，其阻值为22K,根据LM317输出电压表达式，取R122K,R22K。我们一般使用精密电位器，与其并联的电容器C可进P一步减小输出电压的纹波。图中加入了二极管D，用于防止输出端短路时10F大电容放电倒灌入三端稳压器而被损坏。LM317其特性参数电压可调范围125V37V；输出负载电流15A；输入与输出工作压差UUIUO340V；能满足设计要求,故选用LM317T组成稳压电路。图410稳压电路5硬件的制作与调试51焊接实物图图51实物图侧面图52实物图正面52焊接过程出现的问题在焊接前我和搭档一起合作把元器件在板子上总体布局了一下，元件放置总体还算整齐，本来感觉一定能成功，但是由于那天的电烙铁一点也不好用，再加上心里浮躁，结果导致焊坏了板子，但是最终还是成功了，由于时间上还比较充足，我们决定再从新焊一个可调电源。用了半天我们又制作了一个，但是我认为我们焊的第二个还是不太完美，如图53所示。在焊的过程中由于板子没有放平，再加上我们用焊锡代替导线，导致焊点大，大麻烦。而且焊点外观上不太好看，影响输出电压。以后在焊接时，一定要认真布局好电路，将元件排布整齐，这样检查电路和更换元件时会比较容易。焊接技术还有待提高。图53实物图的背面53调试电路焊接完毕后，必须在没有接电的情况下，对电路板进行认真细致的检查，以便纠正安装错误。我有个细心的搭档，在焊完之后，我检查了一遍没有问题，准备通电时，他突然发现我少焊了个整流二极管，幸好我有个细心的搭档，避免了通电之后烧坏稳压管的故障。检查应特别注意以下问题1元器件引脚之间有无短路。2电解电容的正负、负极性有没有接反，正级负极之间有没有短路现象，电源线、地线是否接触良好，插头与电源线的连接处是否漏电。组成桥式整流的整流二极管是否接反，稳压管的管脚是否接错，电位器的管脚是否接错等等。3检查一下电路板是否有虚焊、漏焊，接线是否接错等。严格按照步骤进行仔细检查。4通电观察用数字万用表进行测试，红接正，黑接负。千万不能短接，然后改变滑动变阻器电阻值，观察其电压值，其可调范围。6MULTISIM仿真61仿真软件的介绍随着计算机计算机技术的不断发展和普及，利用计算机电子仿真软件对电子技术实验进行虚拟仿真，作为传统实验室中通过仪器做实验的一种辅助手段，越来越显现出它的优越性。虚拟仿真具有投资少，不存在损坏仪器，电子元器件丰富，测量仪器齐全等诸多优点。我们可以从仿真里调试所设的电路是否能运行。仿真软件给我们带来很多方便。62电路仿真分析和图示图61仿真电路图图62下面电路调试时的的输出波形通道A为变压器副边交流电的正弦波形，通道B是由变压器副边交流电的正弦波形，经整流电路、滤波、稳压后的输出直流电压波形为最小电压125V。如图63的电压表显示的示数为仿真图调试后的最小值125V。UMIN1251V图63调试后最小测试电压图64经桥式整流后的全波波形图65调试时的电路图的接法图66调试后的最大电压UMAX12809V图67调试后的最大电压的输出波形63电子产品的调试结果与分析图68电子产品的测试726V为电子产品的最小调试电压，1855V为实物图的最大调试电压以上是仿真的结果为1251281V可调，而实际电路制作的电路在经万用表的测试得到的测量结果为电压的可调范围在7261855V之间。说明实践与理论结果存在误差。1、所选电解电容与模拟仿真时所用型号略有差别其耐压值不同；2、电位器可调范围与仿真时的可调范围有差距；3、变压器的副边电压约为16V与仿真时的12V有差距；4、万用表测量输出电压时接触点之间的微小电阻产生的误差；5、万用表本身的精确度造成的误差；6、稳压管的型号与仿真的略有差距。7总结通过这一周的学习，从选电路、仿真、调试、买元器件、焊接到完成整个电路的实验过程中发现了很多问题，同时认识到与搭档合作的的重要性，我和搭档一起选题、一起仿真、一起在炎热的天气里去市区里买元器件、一起焊接、一起调试、一起度过种种困难、一直到一起收获成果。我们积极主动，相互督促，团结协作，克服实验中的种种困难，在我们的努力下终于成功地完成了这次实验，收获很多，在看到万用表上显示着可调的电压时心里很是高兴，让我们尝试到了付出努力就会得到成功的喜悦和成就感。我们俩在选题前其实换了好多课题，本来说一开始做声光控开关的，由于我怕难，然而换成了交替闪关灯，因为其他班的人说交替闪光灯很简单绝对能做成，可是后来又听同学说交替闪光灯太简单，没有挑战性，于是又换了，最后老师提醒我们说其实可调电源挺不错的，又不太难再加上又可以学习课本上的理论知识，将理论与实践相结合，融会贯通。最终我们选择了可调直流稳压电源。在设计过程中，我们俩人经历了很多波折和失败，但最终成功的完成了课程设计的要求。在设计时，我们首先把课本上关于直流稳压源的内容仔细浏览了一遍，并且从图书馆又找到了好多关于可调稳压电源的参考书。理出了设计直流稳压电源的四个主要部分的功能，器件参数要求和电路搭接。然后从参考书上找了图进行仿真，一开始面对全是英文的仿真软件头都大了，不知道从何下手，看到一系列英文，有一种茫然的感觉。于是我们就边看软件尝试操作，边查边单词，各种辛酸，真后悔不好好学英语通过与同伴的共同探讨与学习，我们终于学会了如何使用MULTISIM软件进行仿真，但是下面的问题又来了，仿真出来了却不能进行调试一直出错，真是无奈加伤心，经过半天的调试还是以失败告终，后来在老师与同学的帮助下又重新调整了下元器件的参数才使仿真图能够成功地调试。实验一开始时，由于烙铁的原因，我们把电路板焊坏了，在焊接期间最难焊的是LM317稳压管，一定要首先掌握它的三个引脚怎么接，焊接时一定不能浮躁。最后通过我们的合作，我们一点一点地解决了问题。一次次的尝试。实践证明失败并不可怕，不能因为一两次的失败就畏手畏脚，要从失败中汲取教训，从失败中总结经验，然后应用到下次的实践当中,不断地失败不断地重新开始，直至成功。这是一个不断否定自我，完善自我的过程，就像破茧而出蝴蝶，不经历就不会有