数字显示直流稳压电源

1、电子技术课程设计报告设计课题： 数字显示直流电源 专业班级： 学生姓名： 学生学号： 指导教师： 设计时间： 数字显示直流电源设计任务与要求 设计一个可显示出电压值的直流稳压电源1、设计一个直流稳压电源。主要技术指标：(1) 输出电压范围：09.9V，文波电压<10mV(2) 最大输出电流：3A(3) 工作电压2-6V，典型值5V，工作电流<5mA。2、设计数字显示电路，显示位数2位，精确到小数点后1位。步进值0.1V。3、完成电路全部设计后，通过仿真验证设计课题的正确性。 目录1前言-5页2方案设计与论证-6页2.1总体分析-6页2.2稳压电源部分方案-6页2.3三端集成稳压芯片

2、-7页2.4数字显示部分-8页3单元电路设计与参数计算-8页 3.1整流滤波稳压电路-8页 3.1.1整流电路-8页 3.1.2滤波电路-10页 3.1.3稳压电路-12页 3.2数字显示电路的设计-14页 3.3D/A 转换电路 （数模转换器）的设计-16页3.3.1DAC0832 工作原理介绍-16页3.3.2DAC0832 芯片的特点-17页4总原理图及元器件清单-19页4.1总原理图-19页4.2元件清单-20页5仿真与调试-21页 5.1纹波电压的测试-21页5.2数据测量-21页5.3误差分析-22页6性能测试与分析-22页6.1系统软件设计的原则-23页6.2程序设计流程图-23

3、页6.3按键设置流程图-24页6.4DA转换流程图-25页7结论与心得-26页8参考文献-27页一、前言当今社会人们极大的享受着电子设备带来的便利，但是任何电子设备都有一个共同的电路-电源电路。大到超级计算机、小到袖珍计算器，所有的电子设备都必须在电源电路的支持下才能正常工作。当然这些电源电路的样式、复杂程度千差万别。超级计算机的电源电路本身就是一套复杂的电源系统。通过这套电源系统，超级计算机各部分都能够得到持续稳定、符合各种复杂规范的电源供应。袖珍计算器则是简单多的电池电源电路。不过你可不要小看了这个电池电源电路，比较新型的电路完全具备电池能量提醒、掉电保护等高级功能。可以说电源电路是一切电

4、子设备的基础，没有电源电路就不会有如此种类繁多的电子设备。由于电子技术的特性，电子设备对电源电路的要求就是能够提供持续稳定、满足负载要求的电能，而且通常情况下都要求提供稳定的直流电能。提供这种稳定的直流电能的电源就是直流稳压电源。直流稳压电源在电源技术中占有十分重要的地位。另外，很多电子爱好者初学阶段首先遇到的就是要解决电源问题，否则电路无法工作、电子制作无法进行，学习就无从谈起。 与信号发生器（信号源）一样，直流稳压电源也是一种常用仪器。在有些场合（例如实验室）存在着供需矛盾：电网提供的是交流电，而实际需要直流电。为了解决这一矛盾，于是就产生了直流稳压电源这种电子设备。 本设计为数字显示直流

5、电源，其电压采用数字显示，主要用于电源要求精度比较高的场合，或科研实验电源使用，并且此设计未用到单片机，使用了数字技术的DA转换器，译码显示等电路，具有控制精度高，制作比较容易等优点。 由于本人能力有限，在刚拿到课题时感觉十分陌生，对于一些元器件的选取以及电路设计，在西图书馆翻阅了大量资料，以设计时进行参考 ，如有不到之处，请老师多多见谅。二、方案设计与论证2.1总体分析 要设计数字显示直流电源，首先要设计一个直流稳压电源电路，这里要解决的问题有两个：一是如何把交流电变成直流电，二是如何使直流电压实现稳定。一个完整的直流稳压电源由四部分构成：电源变压器、整流电路、滤波电路和稳压电路。 电源变压

6、器的功能是吧电网电压220v市电变成整流电路所需要的交流电。 整流电路是把交流电变成单向脉动电，使其具有直流成分。 滤波电路是把脉动大的电压波形变成脉动小的电压。稳压电路是把不稳定的直流电实现稳压，使其不受电网电压变化及负载变化的影响。其次应设计一个数字显示电路，包含数字显示驱动(采用两块 74LS248 芯片),转换电路、数码显示系统（7448驱动BS201A）。2.2稳压电源部分方案方案一：简单的并联型稳压电源；并联型稳压电源的调整元件与负载并联，因而具有极低的输出电阻，动态特性好，电路简单，并具有自动保护功能；负载短路时调整管截止，可靠性高，但效率低，尤其是在小电流时调整管需承受很大的电

7、流，损耗过大。方案二：输出可调的开关电源；开关电源的功能元件工作在开关状态，因而效率高，输出功率大；且容易实现短路保护与过流保护，但是电路比较复杂，设计繁琐，在低输出电压时开关频率低，纹波大，稳定度差，因而也不能采用此方案方案三：串联型稳压电源并联稳压电源有效率低、输出电压调节范围小和稳定度不高这三个缺点。而串联稳压电源正好可以避免这些缺点，所以现在广泛使用的一般都是串联稳压电源。而简易串联稳压电源输出电压受稳压管稳压值得限制无法调节，必须对简易稳压电源进行改进，增加一级放大电路，专门负责将输出电压的变化量放大后控制调整管的工作。由于整个控制过程是一个负反馈过程，所以这样的稳压电源叫串联负反馈

8、稳压电源。综合考虑效率，输出功率，输入输出电压，负载调整率，纹波系数，本设计选用方案三，要求较低，因而较易实现.对于效率和纹波的要求可以通过仔细调整磁性元件的参数(L，Q，M等)使其工作在最佳状态，所以我们在选择方案的时候考虑到电路要简单，元件要容易找，还有在电路设计的时候避免遇到某些不必要的问题，所以我们选择了上述的方案中的第三个方案;第三个方案就能够达到我们的要求，所以方案三我们采用了。稳压电路部分可以采用三极管等分立元件来实现，也可以采用集成三端集成稳压芯片。从性价比来说，采用三端集成稳压芯片来实现要好很多，现在的稳压芯片功能强大，且价格低廉，很适合我们此次的设计。2.3三端集成稳压芯片

9、方案一: 采用7805三端稳压器电源;     固定式三端稳压电源(7805)是由输出脚Vo，输入脚Vi和接地脚GND组成，它的稳压值为+5V，它属于CW78xx系列的稳压器，输入端接电容可以进一步的滤波，输出端也要接电容可以改善负载的瞬间影响，此电路的稳定性也比较好，只是采用的电容必须要漏电流要小的钽电容，如果采用电解电容，则电容量要比其它的数值要增加10倍，但是它不可以调整输出的直流电源;所以此方案不易采用.    方案二:采用LM317可调式三端稳压器电源;     LM317可

10、调式三端稳压器电源能够连续输出可调的直流电压.      不过它只能连续可调的正电压，稳压器内部含有过流，过热保护电路;由一个电阻(R)和一个可变电位器(RP)组成电压输出调节电路，输出电压为:Vo=1.25(1+RP/R).由此可见此稳压器的性能和稳压稳定度都比上一个三端稳压电源要好，所以此此方案可选，此电源就选用了LM317三端稳压电源，也就是方案二。LM317其特性参数输出电压可调范围：1.2V37V输出负载电流：1.5A输入与输出工作压差U=Ui-Uo：340V能满足设计要求,故选用LM317组成稳压电路。2.4数字显示部分方案：采用D/A转换器

11、DAC0832DAC0832是8分辨率的D/A转换集成芯片。这个DA芯片有价格低廉、接口简单、转换控制容易等优点，由8位输入锁存器、8位DAC寄存器、8位D/A转换电路及转换控制电路构成。将高性能和低成本结合在一起。由于内部集成了驱动电路，因此外围电路十分简单，可以很容易实现本次设计中的电压数字显示功能。三、单元电路设计与参数计算3.1整流滤波稳压电路 因为课题需要0V-9.9V的稳压直流电，所以需要用到220V转26V的变压器把高压的交流电转成低压交流电。因为课题不需要用到20V以上的电压，所以应该选用18V-24V的变压器，这样可以降低LM317集成芯片的功耗，达到低功耗，高效率的要求。

12、3.1.1整流电路整流电路的任务是将交流电变换成直流电4。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，常见的集中整流电路有单相半波、全波、桥式和倍压整流电路。本设计采用单相桥式整流电路。单相桥式整流电路是工程上最常用的单相整流电路。在工作时，电路中的四只二极管都是作为开关运用，当正半周时，二极管V1、V3导通（V2、V4截止），在负载电阻上得到正弦波的正半周；当负半周时，二极管V2、V4导通（V1、V3截止），在负载电阻上得到正弦波的负半周。在负载电阻上正、负半周经过合成，得到的是同一个方向的单向脉动电压。桥式整流电路原理图如图所示。在桥式

13、整流电路中，每个二极管都只在半个周期内导电，所以流过每个二极管的平均电流等于输出电流的平均值的一半，即电路中的每只二极管承受的最大反向电压为 (U2是变压器副边电压有效值)。单相桥式整流电路输出电压平均值:单相桥式全波整流电路中二极管的平均电流和输出电流：单相桥式全波整流电路二极管上承受的最高反向电压：设计时可考虑一定的余量。根据计算，1N4007的二极管符合设计要求，可以用作整流桥。桥式整流电路电压和电流波形如图所示。桥式整流电路电压和电流波形3.1.2滤波电路交流电压经整流电路整流后输出的是脉动直流，其中既有直流成分又有交流成份。滤波电路就是利用储能元件电容两端的电压(或通过电感中的电流)

14、不能突变的特性, 将电容与负载RL并联(或将电感与负载RL串联)，滤掉整流电路输出电压中的交流成份，保留其直流成份，达到平滑输出电压波形的目的。这一过程称为滤波。电容滤波电路由于电容在电路中也是起到储存能量的作用，并联的电容器在电源供给的电压升高时，能够把部分能量储存起来，而当电源电压减低的时候，就能把能量释放出来，是负载电压比较平滑稳定，也就是电容也有平波的作用。电容滤波电路比较简单，而且负载直流电压比较高，纹波也比较少，适用于负载电压较高，负载变动不大的场合，也减轻了电路设计和实际焊接的工作6。电容滤波电路原理图如图所示。电路经过滤波，电路的电压、电流波形如图2-6所示。滤波电解电容C的选

15、择原则是：取其放电时间常数RLC大于充电周期的35 倍，其耐压值必须大于脉动电压峰值。对于桥式整流电路来说，脉动电压峰值为2U2，C的充电周期等于交流电源周期T的一半，即C(35) T2RL，式中RL为整流后的等效负载电阻，经过考虑，本设计取C为2200uF。桥式整流、电容滤波时的电压、电流波形设电容两端初始电压为零，并假定t=0时接通电路，输入电压U2为正半周，当U由零上升时，V1、V3导 通，C被充电，同时电流经V1、V3向负载电阻供电。忽略二极管正向压降和变压器内阻，电容充电时间常数近似为零，因此Uo=UcU2，在u2达到最大值时，Uc也达到最大值，然后U2下降，此时，Uc>U2，

16、D1、D3截止，电容 C向负载电阻RL放电，由于放电时间常数=RLC一般较大，电容电压Uc按 指数规律缓慢下降，当下降到|U2|>Uc时，V2、V4导通，电容C再次被充电，输出电压增大，以后重复上述充放电过程。其输出电压波形近似为一锯齿波直流电压，使负载电压的波动大为减小。3.1.3稳压电路随着半导体工艺的发展,现在已生产并广泛应用的单片集成稳压电源，具有体积小,可靠性高,使用灵活,价格低廉等优点。最简单的集成稳压电源只有输入，输出和公共引出端,故称之为三端集成稳压器。根据设计所要求的性能指标，选择集成三端稳压器。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

17、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1.2V37V，最大输出电流 为1.5A。稳压内部含有过流、过热保护电路，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。LM317系列和lM337系列的引脚功能相同，管脚图和典型电路如图1和图2.      图1 图2 稳压电源电路如图稳压电源的输出电压可用下式计算：Vo=1.25(1+R2/R1)仅仅从公式本身看,R1、R2的电阻值可以随意设定。

18、然而R1和R2的阻值是不能随意设定的。首先317稳压块的输出电压变化范围是Vo=1.25V37V(高输出电压的317稳压块如LM317HVA、LM317HVK等,其输出电压变化范围是Vo=1.25V45V),所以R2/R1的比值范围只能是028.6。其次是317稳压块都有一个最小稳定工作电流,有的资料称为最小输出电流,也有的资料称为最小泄放电流。最小稳定工作电流的值一般为1.5mA。由于317稳压块的生产厂家不同、型号不同,其最小稳定工作电流也不相同,但一般不大于5mA。当317稳压块的输出电流小于其最小稳定工作电流时,317稳压块就不能正常工作。当317稳压块的输出电流大于其最小稳定工作电流

19、时,317稳压块就可以输出稳定的直流电压。如果用317稳压块制作稳压电源时(如图所示),没有注意317稳压块的最小稳定工作电流,那么你制作的稳压电源可能会出现下述不正常现象:稳压电源输出的有载电压和空载电压差别较大。要解决317稳压块最小稳定工作电流的问题,可以通过设定R1和R2阻值的大小,而使317稳压块空载时输出的电流大于或等于其最小稳定工作电流,从而保证317稳压块在空载时能够稳定地工作。此时,只要保证Vo/(R1+R2)1.5mA,就可以保证317稳压块在空载时能够稳定地工作。上式中的1.5mA为317稳压块的最小稳定工作电流。当然,只要能保证317稳压块在空载时能够稳定地工作,Vo/

20、(R1+R2)的值也可以设定为大于1.5mA的任意值。经计算可知R1的最大取值为R10.83K。又因为R2/R1的最大值为28.6。所以R2的最大取值为R223.74K。在使用317稳压块的输出电压计算公式计算其输出电压时,必须保证R10.83K,R223.74K两个不等式同时成立,才能保证317稳压块在空载时能够稳定地工作。当然在317稳压块的输出端并联泄流电阻R(如图所示),也可以为317稳压块提供最小稳定工作电流。但是,由于并联的泄流电阻不能随输出电压的变化而变化,如果要保证317稳压块在输出电压为1.25V时,其输出电流大于其最小稳定工作电流,则在317稳压块的输出电压为37V时,流过

21、泄流电阻的电流就太大了,这样不仅浪费了电能,而且增加了317稳压块的负担,不是一种妥当的办法。结论：1317稳压块的输出电压变化范围是Vo=1.25V37V，故R2/R1的比值范围只能是028.6。2317最小稳定工作电流的值一般为1.5mA，需要保证Vo/(R1+R2)1.5mA，经计算可知R1的最大取值为R10.83K，电阻R1常取值又因为R2/R1的最大值为28.6。所以R2的最大取值为R223.74K。因此理论上应采用LM317芯片，但在Multisim中未找到LM317芯片，所以只能用LM7809CT芯片代替，仿真结果受到了影响。3.2数字显示电路的设计工作原理数字显示驱动采用两块

22、74LS248 芯片，74LS248 为四线七段译码驱动器，内部输出带上拉电阻它把从计数器传送来的二十进制码，驱动数码管显示数码。CD4511，七段译码器，输出高电平有效，适合于共阴极接法的七段数码管使用A3，A2，A1， A0，为8421BCD 码输入，a,b,c,d,e,f,g 为七段数码输出，LT 为试灯输入信号，用来检查，数码管的 好坏，IBR 为灭零输出信号，用来动态灭零，IB/QBR 为灭灯输出信号，如图1，显示电路如图2。图1.引脚图图2 显示电路元件选择 与CD4511功能相同的还有，74LS247，74LS248 等。 由于在Multisim中未找到CD4511芯片，最后只能

23、用74LS248芯片代替。3.3D/A 转换电路 （数模转换器）的设计3.3.1DAC0832 工作原理介绍数模转换电路，采用两块DAC0832 集成块，它是一个8 数/模转换电路，这里只使用高4 位 数字量输入端。由于DAC0832 不包含运算放大器，所以需要外接一个运算放大器相配，才构成完整 的D/A 转换器，低位DAC 输出模拟量经9：1 分流器分流后与高位DAC 输出模拟量相加后送入运 放，具体实现，由900 和100 的电阻相并联分流实现，运放将其转换成与数字端输入的数值成正 比的模拟输出电压，运放采用具有调零的低噪声高速优质运放NE5534。DAC0832 芯片主要功能引脚的名称和

24、作用如下：d7d0：8 位二进制数据输入端；ILE：输入锁存允许，高电平有效；CS：片选信号，低电平有效；WR1，WR2：写选通信号，低电平有效；XFER：转移控制信号，低电平有效；Rf：内接反馈电阻，Rf=15K ；IOUT1，IOUT2：输出端，其中IOUT1 和运放反相输入相连，IOUT2 和运放同相输入端相连并接地端；Vcc ：电源电压，Vcc的范围为+5V+15V；Vref：参考电压，范围在-10V+10V;GND：接地端。当ILE=1,CS=0,WR=0，输 入数据d7d0 存入8 位输入寄存器中，当WR2=0，XFER=0 时入寄存器中所存内 容进入8 位DAC 寄存器并进行D/

25、A 转换。3.3.2DAC0832 芯片的特点DAC0832 最具特色是输入为双缓冲结构，数字信号在进入D/A 转换前，需经过两个独立控制的 8 位锁存器传送。其优点是D/A 转换的同时，DAC 寄存器中保留现有的数据，而在输入寄存器中可送入新的数据。系统中多个D/A 转换器内容可用一公共的选通信号选通输出。 由于DAC0832 输出级没有加集成运放，所以需外加NE5534 相配适用。NE5534 封装如下图 1。IN-为反相输入端,IN+为同相输入端； OUT 为输出端； Balance 为平衡输入端,主要作用是,使内部电路的差动放大电路处于平衡状态； COMp/Bal 的作用为,通过调节外

26、接电阻, 以达到改善放大器的性能和输出电压； VCC-和Vcc+为正负电源供。图1 封装图图2转换电路图 但由于Multisim中未找到DAC0832，只能用DAC8541代替。四、四、总原理图及元器件清单4.1总原理图4.2元件清单元件序号型号主要参数数量备注电容0.1f1100µf51000µf12f30f2电阻1k3100190014.7k1定位器5003三极管2N17112NE55342LM78093桥堆1B4B42374LS192274LS2482DAC85412五、仿真与调试在调试的时候出现了这样一个问题：就是当液晶显示为一个电压值时，输出电压却是另外一个值，这

27、个说明电压没有得到相应的跟随，跟随不成1的比例，通过调试滑动电阻，经过长期调试达到要求。5.1纹波电压的测试 纹波就是一个直流电压中的交流成分。直流电压本来应该是一个固定的值， 但是很多时候它是通过交流电压整流、滤波后得来的，由于滤波不干净，就会有剩余的交流成分，即便如此，就是用电池供电也因负载的波动而产生波纹。如下图：经过测试，纹波系数小于10mV,符合指标。5.2数据测量数据测量的方法是：通过独立按键预设液晶的显示电压值，启动D/A转换按钮，然后用精度为0.00V的万用表检测系统最终输出端的电压值。每设置一次液晶的显示值，测试一次最终的电压输出值，连续测量10次。下面分别列出了系统仿真和实

28、物的数据测量值，见表。仿真数据预设输出电压（V）实际输出电压（V）误差（）0.00.570.571.00.980.022.01.950.053.02.930.074.03.900.105.04.880.126.05.860.147.06.820.188.07.800.209.08.770.2310.09.750.25此结果是通过邮箱请别人用Proteus软件仿真得出的结果。由于芯片不足，用Multisim得不出来这个结果。5.3误差分析由于上述仿真数据在相同条件下多次测量同一量值时，绝对值和符号均不改变，为此上述数据的误差只可能是系统误差，不可能是随机误差。下面分别计算出上述数据的绝对误差。绝

29、对误差定义为被测量值x和测量的真值A的差值。上述把预设的电压作为真值，绝对误差用符号表示。计算出上述数据绝对误差的平均值：=8=0.12六、性能测试与分析(软件设计与调试)软件是整个系统设计的另一个重要环节，灵活性很强，可以根据系统的要求和功能而变化。在硬件结构一定的情况下，只要改变相应的软件就能实现一些不同的功能。在本系统中，软件结构采用模块化设计，各功能程序分别编写和调试。各模块调试成功后，再将所有模块连接起来，构成系统的软件。这样的设计有利于程序代码的优化，而且便于编程、调试和维护。6.1系统软件设计的原则应用系统中的应用软件是根据系统功能要求设计的，应可靠实现系统的各种功能在本系统中，

30、软件设计要求做到以下几点11：(1)软件结构清晰、简捷、流程合理。(2)并功能程序实现模块化，子程序化。这样，既便于调试，连接，又便于移植，修改。(3)程序存储区，数据存储区要合理规划，既能节约内存容量，又使操作方便。(4)运行状态实现标志化管理。这个功能程序运行状态，运行结果以及运行要求都要设置状态标志以便查询，程序的转移、运行、控制都可通过状态标志条件来控制。(5)经过调试修改后程序应进行规范化，出去修改的痕迹，以便于交流和借鉴，也为以后的软件模块化、标准化打下基础。(6)实现全面软件抗干扰设计。6.2程序设计流程图 程序设计流程图如图所示。 程序开始以后，首先液晶初始化，显示液晶初试的预

31、设电压值。然后进行按键检测，如果没有按键按下，显示液晶当前的初试电压；如果有按键按下，进入电压检测中断程序，确认当前液晶的调整值。接着检测D/A是否启动，启动以后进行数模转换，将转换后的模拟量送给系统最终输出端。程 序 初 始 化键 盘 扫 描显 示 程序开始检测 按键NYD/A 转 换延时程序结束电压 检测中 断YN6.3按键设置流程图虽然把按键子程序直接放在了主程序中，但是作为控制模块，按键程序仍然是比较重要的模块。按键设置过程中，流程如下图所示：按键设置流程图6.4DA转换流程图D/A转换设置过程中，程序写入D/A中，D/A转换对数据进行转换，其流程图见图。显示模块流程图液晶显示设计过程

32、中，对液晶进行初始化清0等操作，其流程图见图。液晶显示流程图七、结论与心得为期两周的课程设计，有很多的心得体会。首先，学会了有效率的搜集资料和选取元器件，还学会了仿真画图调试，虽然仿真的结果不尽人意，但仍然感到很满足。本次课程设计以学生自己设计为主，因此培养了我的学习的积极性，让我能够独立去分析问题、发现问题、解决问题的能力。它使我对课本以及以前学过的很多知识有了很好的理解，也知道了理论与实践是有很大差距的。理论只是成功的一半，调试以及故障检查也是非常必要的，而且也是一项很有技巧性的工作，需要在实践中不断地提高。这次课程设计也增强我与老师同学交流沟通和合作完成任务的能力，在课设的这几周里，遇到无法解决的难题时，老师