稳压电路与电压表设计(原创)

1、 电子技术课程设计 （2016 2017 第二学期）学 院 名 称： 电气与自动化工程学院 专 业（班 级）： 姓 名（学 号）：起 讫 日 期：2017年 月 日2017年 月 日 指 导 教 师： 系（教研室）负责人： 下发任务书日期 2017年6 月 6日目录一、设计目的3二、设计要求3三、设计方案及原理4（一）稳压电源4方案二 串联型稳压电源4（二）数字电压表5四、电路设计7（1）稳压电源7（2）数字电压表8五、元器件清单及参数计算14六、 仿真结果16（1）固定输出电压端仿真结果16（2）可调输出电压端仿真结果16七、数据表格17八、 问题解决与心得体会18遇到的问题：18改进设计：

2、18心得体会：18九、参考书籍与文献19 设计课题 稳压电源及数字电压表一、设计目的（1）通过电子技术的综合设计，熟悉一般电子电路综合设计过程、设计要求、应完成的工作内容和具体的设计方法。（2）通过设计有助于复习、巩固以往的学习内容，达到灵活应用的目的。（3）设计完成后在实验室进行自行安装、调试，从而加强学生的动手能力。在该过程中培养从事设计工作的整体概念。（4）了解稳压电源和简易数字电压表的设计方法。二、设计要求（一）设计一两路输出的稳压电源，技术指标如下： 1、输入电压变化范围为32V42V，输入接反稳压电源可正常工作；2、一路输出为12V，负载电流为0.1A0.15A；3、另一路输出为5

3、18V，最大负载电流0.1A。（二）设计一数字电压表用于显示上述稳压电源第二路的输出电压。三、设计方案及原理（一）稳压电源方案一 基于LM317和7812的稳压电源该方案采用整流桥自动转化电源极性，其后用一功率电阻分担电压降。对于第一路输出为12V稳定值的电路使用三端集成稳压器7812进行降压，在输入输出端并联电容抵消电感效应，防止自激振荡，抑制输出端的高频信号以及滤波，并在输出端串联功率电阻限制电流。第二路可调电压输出采用三端集成稳压器LM317降压到518V，同样并联电容抵消电感效应，防止自激振荡，抑制输出端的高频信号以及滤波，并在输出端用功率电阻限制电流。 方案一 基于LM317和781

4、2的稳压电源电路图方案二 串联型稳压电源该方案采用整流桥自动转化电源极性。稳压电路由调整管Q1、比较放大器Q2、R1构成，R3、R4、R5为取样电路，基准电压由R2、D2产生。整个稳压电路是一个具有电压串联负反馈的闭环系统，当电压波动或负载变动引起输出电压变化时，取样电路取出输出电压的一部分送人Q2，并与基准电压进行比较，产生的误差信号经Q2放大后送至调整管Q1的基极，使调整管改变其管压降，以补偿输出电压的变化，从而达到稳定输出电压的目的。调节R5可改变输出电压。方案二 串联型稳压电源电路图方案比较方案一：采用体积小、外接线路简单、使用方便的集成三端稳压器件。其内部电路有过压自动断电保护的功能

5、。工作性能比较稳定，抗干扰能力比较强，是广为运用的元器件。方案二：原理较简单，采用分立的元器件构成，接线较复杂，而且工作性能和抗干扰能力不如集成的三端稳压器。综合两种方案的优缺点，我们选择了接线较简单并且工作较稳定的第一种方案。（二）数字电压表方案一基于MC14433的数字电压表该方案大致分为五个模块，分别为基准电压模块；A/D转换模块；字形译码驱动模块；显示电路模块；字位驱动模块。由上图可以看出输出电压经过电阻分压分压后进入双积分转换器MC14433测量，再通过CD4511译码器经过A/D转换器位选电路送到LED显示，完成电压测试。方案一 基于MC14433的数字电压表方案二 基于ICL71

6、07数字电压表该方案将直流电源电压直接同芯片ICL7107连接组成，ICL7107将转换后的数据显示在LED显示数码管上。ICL7017为CMOS3 1/2为单片双积分式A/D转换器，集模拟部分的缓冲器、积分器、电压比较器、正负电压参考源和模拟开关，以及数字部分的振荡器、计数器、锁存器、译码器、驱动器、控制器和逻辑电路于一身的芯片。使用时只需少量电阻、电容等器件即可完成模拟量到数字量的转换。方案二 基于ICL7107数字电压表方案比较：方案一：选用A/D转换芯片MC14433、CD4511、MC1413、MC1403实现电压的测量，用四位数码管显示出最后的转换电压结果。缺点是工作速度低，优点是

7、精度较高，工作性能比较稳定，抗干扰能力比较强。器件价格合适，采购方便，成本低，易实施。方案二：选用专用电压转化芯片ICL7107实现电压的测量和控制。它包含3 1/2位数字A/D转换器，可直接驱动LED数码管。用四位数码管显示出最后的转换电压结果。缺点是精度比较低，且内部电压转换和控制部分不可控制。优点是价格低廉。综合比较两个方案，方案一结构简单，易实施，价格合适且工作精度高，比较稳定，抗干扰能力强；而方案二虽然价格低廉，但是精度较低。综合比较我们选择了方案一。四、电路设计（1）稳压电源部件构成 ：1、集成三端稳压器LM317：对输入电压进行降压到518V 2、三端稳压集成电路LM7

8、812：对输入电压进行降压到12V3、整流桥：保持三端稳压器输入电压为正4、电容：抵消电感效应，防止自激振荡，抑制输出端的高频信号以及滤波5、二极管：保护三端稳压器6、电阻：分担电压降以及限流器件详细介绍：1、集成三端稳压器LM317LM317是可调节3端正电压稳压器，在输出电压范围1.2伏到37伏时能够提供超过1.5安的电流，非常易于使用。其具体特性如下：可调整输出电压低到1.2V；保证1.5A 输出电流；典型线性调整率0.01%；典型负载调整率0.1%；80dB纹波抑制比；输出短路保护；过流、过热保护；调整管安全工作区保护；标准三端晶体管封装；电压范围LM117/LM317 11.1.25

9、V 至 37V 连续可调。它的使用非常简单，仅需两个外接电阻来设置输出电压。此外它的线性调整率和负载调整率也比标准的固定稳压器好。LM317内置有过载保护、安全区保护等多种保护电路。通常不需要外接电容，除非输入滤波电容到LM317输入端的连线超过6 英寸（约 15 厘米）。使用输出电容能改变瞬态响应。调整端使用滤波电容能得到比标准三端稳压器高的多的纹波抑制比。2、三端稳压集成电路LM7812LM7812是指三端稳压集成电路IC芯片元器件，适用于各种电源稳压电路，输出稳定性好、使用方便、输出过流、过热自动保护。其主要具体参数如下表：Parameter 参数Symbol 符号Conditions

10、条件MC7812 LM7812单位 最小典型最大 Output Voltage 输出电压VOTJ =+2511.51212.5V5.0mA IO1.0A, PO15W VI =14.5V to 27V11.41212.6Line Regulation 线性调整率 (Note1)ReglineTJ =+25VI =14.5V to 30V-10240mVVI =16V to 22V-3.0120Load Regulation 负载调整率 (Note1)RegloadTJ =+25IO =5mA to 1.5A-11240mVIO =250mA to 750mA-5.0120Dropout Vol

11、tage 电压差VDropIO =1A, TJ=+25-2-VOutput Resistance 输出电阻rOf =1KHz-18-mShort Circuit Current 短路电流ISCVI =35V, TA=+25-230-mAPeak Current 峰值电流IPKTJ =+25-2.2-A汇总电路图： 图4.1 稳压电源的设计（2）数字电压表部件构成：1、三位半A/D转换器(MC14433)：将输入的模拟信号转换成数字信号。2、基准电压（MC1403）：提供精密电压，供A/D转换器做参考电压。3、译码器（MC4511）：将二十进制（BCD）码转换成七段信号。4、驱动器（MC1413

12、）：驱动显示器的a，b，c，d，e，f，g七个发光段，驱动发光数码管（LED）进行显示。5、显示器：将译码输出的七段信号进行数字显示，读出A/D转换结果。原理介绍：    三位半数字电压表通过位选信号DS1DS4进行动态扫描显示，由于MC14433电路的AD转换结果是采用BCD码多路调制方法输出，只要配上一块译码器，就可以将转换结果以数字方式实现四位数字的LED发光数码管动态扫描显示。DS1DS4输出多路调制选通脉冲信号。DS选通脉冲为高电平时表示对应的数位被选通，此时该位数据在Q0Q3端输出。每个DS选通脉冲高电平宽度为18个时钟脉冲周期，两个相邻选通脉冲之间间

13、隔2个时钟脉冲周期。DS和EOC的时序关系是在EOC 脉冲结束后，紧接着是DS1输出正脉冲。以下依次为DS2，DS3和DS4。其中DS1对应最高位(MSD)，DS4则对应最低位(LSD)。在对应DS2，DS3和DS4选通期间，Q0Q3输出BCD全位数据，即以8421码方式输出对应的数字09，通过译码器显示在数码管上。器件详细介绍：1.三位半AD转换器MC14433在数字仪表中，MC14433电路是一个低功耗三位半双积分式AD转换器。MC14433AD转换器由积分器、比较器、计数器和控制电路组成。使用MC14433时只要外接两个电阻(分别是片内RC 振荡器外接电阻和积分电阻RI)和两个电容(分别

14、是积分电容CI和自动调零补偿电容C0)就能执行三位半的AD转换。MC14433内部模拟电路实现了如下功能：（1）提高AD 转换器的输入阻抗，使输入阻抗可达l00M以上；（2）和外接的RI、CI构成一个积分放大器，完成VT 转换即电压时间的转换；（3）构造了电压比较器，完成“0”电平检出，将输入电压与零电压进行比较，根据两者的差值决定极性输出是“1”还是“0”。比较器的输出用作内部数字控制电路的一个判别信号；（4）与外接电容器C0构成自动调零电路。MC14433原理框图   除“模拟电路”以外，MC14433 内部含有四位十进制计数器，对反积分时间进行3位半BCD码计数(01

15、999)，并锁存于三位半十进制代码数据寄存器，在控制逻辑和实时取数信号(DU)作用下，实现AD转换结果的锁定和存储。借助于多路选择开关，从高位到低位逐位输出BCD码Q0Q3，并输出相应位的多路选通脉冲标志信号DS1DS4实现三位半数码的扫描方式（多路调制方式）输出。    MC14433内部的控制逻辑是AD 转换的指挥中心，它统一控制各部分电路的工作。根据比较器的输出极性接通电子模拟开关，完成AD转换各个阶段的开关转换，产生定时转换信号以及过量程等功能标志信号。在对基准电压VREF 进行积分时，控制逻辑令4位计数器开始计数，完成AD 转换。  

16、  MC14433内部具有时钟发生器，它通过外接电阻构成的反馈，井利用内部电容形成振荡，产生节拍时钟脉冲，使电路统一动作，这是一种施密特触发式正反馈RC 多谐振荡器，一般外接电阻为360k时，振荡频率为100kHz；当外接电阻为470k时，振荡频率则为66kHz，当外接电阻为750k时，振荡频率为50kHz。若采用外时钟频率。则不要外接电阻，时钟频率信号从CPI(10脚)端输入，时钟脉冲CP 信号可从CPO(原文资料为CLKO)(11脚)处获得。MC14433内部可实现极性检测，用于显示输入电压UX 的正负极性；而它的过载指示(溢出)的功能是当输入电压Vx 超出量程范围时，输出过量程

17、标志OR（低有效）。MC14433是双斜率双积分AD 转换器，采用电压时间间隔(VT)方式，通过先后对被测模拟量电压UX和基准电压VREF 的两次积分，将输入的被测电压转换成与其平均值成正比的时间间隔，用计数器测出这个时间间隔对应的脉冲数目，即可得到被测电压的数字值。积分电阻电容的选择应根据实际条件而定。若时钟频率为66kHz，CI一般取0.1F。RI的选取与量程有关，量程为2V时，取RI为470k；量程为200mV时，取RI为27k。       选取RI 和CI 的计算公式如下：式中，UC为积分电容上充电电压幅度,UC = VDD - UX

18、(max) - U,U = 0.5V。例如，假定CI=0.1F，VDD=5V，fCLK=66kHz。当UX(max)=2V 时，代入上式可得RI=480k，取RI=470k。MC14433设计了自动调零线路，足以保证精确的转换结果。MC14433AD转换周期约需16000个时钟脉冲数，若时钟频率为48kHz，则每秒可转换3次，若时钟频率为86kHz，则每秒可转换4次。 MC14433 采用24引线双列直插式封装，外引线排列，参考右图的引脚标注，各主要引脚功能说明如下：(1) 端：VAG，模拟地，是高阻输入端，作为输入被测电压UX和基准电压VREF的参考点地。(2) 端：RREF，外接基准电压输

19、入端。(3) 端：UX，是被测电压输入端。(4) 端：RI，外接积分电阻端。(5) 端：RICI，外接积分元件电阻和电容的公共接点。(6) 端，C1，外接积分电容端，积分波形由该端输出。(7) 和 (8) 端：C01和C02，外接失调补偿电容端。推荐外接失调补偿电容C0取0.1F。(9) 端：DU，实时输出控制端，主要控制转换结果的输出，若在双积分放电周期即阶段5开始前，在DU端输入一正脉冲，则该周期转换结果将被送入输出锁存器并经多路开关输出，否则输出端继续输出锁存器中原来的转换结果。若该端通过一电阻和EOC 短接，则每次转换的结果都将被输出。(10) 端：CPI (CLKI)，时钟信号输入端

20、。(11) 端：CPO (CLKO)，时钟信号输出端。(12) 端：VEE，负电源端，是整个电路的电源最负端，主要作为模拟电路部分的负电源，该端典型电流约为0.8mA，所有输出驱动电路的电流不流过该端，而是流向VSS端。(13) 端：VSS 负电源端(14) 端：EOC，转换周期结束标志输出端，每一AD转换周期结束，EOC端输出一正脉冲，其脉冲宽度为时钟信号周期的12。(15) 端：OR ，过量程标志输出端，当|UX|>VREF 时，OR输出低电平，正常量程OR为高电平。(16)(19) 端：对应为DS4DS1，分别是多路调制选通脉冲信号个位、十位、百位和千位输出端，当DS端输出高电平时

21、，表示此刻Q。Q3 输出的BCD 代码是该对应位上的数据。(20)（23）端：对应为Q0-Q3，分别是AD 转换结果数据输出BCD代码的最低位(LSB)、次低位、次高位和最高位输出端。(24) 端：VDD，整个电路的正电源端2七段锁存-译码-驱动器CD4511    CD4511 是专用于将二-十进制代码(BCD)转换成七段显示信号的专用标准译码器，它由4位锁存器，7段译码电路和驱动器三布分组成。(1) 四位锁存器(LATCH)：它的功能是将输入的A，B，C 和D代码寄存起来，该电路具有锁存功能，在锁存允许端（LE 端，即LATCHENABLE）控制下起锁存数据的

22、作用。当LE=1时，锁存器处于锁存状态，四位锁存器封锁输入，此时它的输出为前一次LE=0时输入的BCD码；当LE=0时，锁存器处于选通状态，输出即为输入的代码。由此可见，利用LE 端的控制作用可以将某一时刻的输入BCD代码寄存下来，使输出不再随输入变化。(2) 七段译码电路：将来自四位锁存器输出的BCD 代码译成七段显示码输出，MC4511中的七段译码器有两个控制端： LT (LAMP TEST)灯测试端。当LT = 0时，七段译码器输出全1，发光数码管各段全亮显示；当LT = 1时，译码器输出状态由BI端控制。 BI (BLANKING)消隐端。当BI = 0时，控制译码器为全0输出，发光数

23、码管各段熄灭。BI = 1时，译码器正常输出，发光数码管正常显示。上述两个控制端配合使用，可使译码器完成显示上的一些特殊功能。(3) 驱动器：利用内部设置的NPN 管构成的射极输出器，加强驱动能力，使译码器输出驱动电流可达20mA。 CD4511电源电压VDD的范围为5V-15V，它可与NMOS电路或TTL电路兼容工作。CD4511采用16引线双列直插式封装，引脚分配见右图，真值表参见下图。使用CD451l时应注意输出端不允许短路，应用时电路输出端需外接限流电阻。3七路达林顿驱动器阵列MC1413  MC1413采用NPN达林顿复合晶体管的结构，因此具有很高的电流增益和很高

24、的输入阻抗，可直接接受MOS 或CMOS 集成电路的输出信号，并把电压信号转换成足够大的电流信号驱动各种负载该电路内含有7个集电极开路反相器(也称OC0门)。MC1413电路结构和引脚如图3所示，它采用16引脚的双列直插式封装。每一驱动器输出端均接有一释放电感负载能量的续流二极管。4高精度低漂移能隙基准电源MC1403  MC1403的输出电压的温度系数为零，即输出电压与温度无关该电路的特点是： 温度系数小； 噪声小； 输入电压范围大，稳定性能好,当输入电压从+45V变化到+15V时，输出电压值变化量小于3mV；输出电压值准确度较高，y。值在2.475V2.525V 以内；

25、 压差小，适用于低压电源； 负载能力小，该电源最大输出电流为10mA。MC1403用8条引线双列直插标准封装，如上图所示。汇总电路图：图4.2 数显部分电路图（图中三极管已用达林顿管代替） 五、元器件清单及参数计算元器件清单：3位半A/D MC14433 1基准源MC1403 1显示译码器MC4511 1达林顿管ULN2003 1二极管 3整流桥 1三端稳压器LM7812 1正可调稳压器LM317 14位数码管共阴极 11位数码管共阴极 1电阻 100 3 150 1 450 11K 7 2K 5 470K 2910K 1 9.1M 1可调变阻器 0-2k 1功率电阻 82 3电解电容 4.7

26、uF 1 100uF 1 220uF 2瓷片电容 0.1uF 20.33uF 2参数计算：电容：100uF，电解电容4.7uF，220uF以及0.33uF，0.1uF陶瓷电容起到滤掉高次谐波，使输出波形平稳的作用。电阻：LM7812输入电压范围选取在15V-35V之间，而要求的外围供电电路输出电流为0.1A-0.15A之间。输入电压经过整流桥，输入电压范围基本在30V-40V之间。因此需要在输入电压端与7812输入端之间串联功率电阻。根据7812输出电流基本等于输入电流，在30V时保证能输出0.15A电流并且7812输入端电压大于15V。因此计算出功率电阻为100欧姆。在40V时保证输入电压小

27、于35V，输出电流取最小值，按0.1A计算，因此计算出功率电阻为50欧姆。由于实验室只具有82、47欧姆功率电阻，因此此处选择82欧姆。LM317，输出端与adj端电压恒为1.25V，因此，如果要使输出电压在5V到18V之间连续可调。必须串联滑动变阻器。首先，在Vout端与adj端并联电阻R1，R1再与3倍R1阻值电阻串联，最后串联约10倍R1以上滑动变阻器，再接地即可实现5V-18V输出电压连续可调。此处电压控制端电阻阻值R1+3R1为限制最低电压为5V，R1+3*R1+10*R1又限制最高输出电压为18V。AD转换电路则是标准的电路图。阻值、电容参数固定，为470K欧姆和0.1uF。由于M

28、C14433输入模拟电压量程为2V，所以可调电压输出端输出电压需经过电阻分压后再接入MC14433.为了尽可能不影响输出电流，我们采用大电阻分压。实际测试得9.1M欧姆电阻与1M欧电阻组合分压比较理想，于是实验采用9.1M欧姆电阻与1M欧电阻分压。6、 仿真结果（1）固定输出电压端仿真结果仿真得电压表U2所测输出电压稳定在11.8V左右，与12V要求值近似相等。且电流始终在0.10.15A间，符合设计要求。（2）可调输出电压端仿真结果仿真得电压表U6所测电压随R16的变化可在5V18V间变化，且电流始终小于0.1A，符合设计要求。七、数据表格1、电源电压/V万用表所测得固定输出电压/V万用表所

29、测得可调输出电压/V数码管示数/V万用表测得的317路电流/A3212.5416.6815.960.1123412.5617.1316.370.1123612.5617.5816.740.1123812.5618.0017.170.1124012.5417.9617.120.1124212.5318.2717.280.112固定输出电压端平均误差为4.57%，数显部分平均误差为4.71%，在实验误差允许范围内，符合设计要求。2、可调输出电压/V输出电流/mA1814.001714.001614.001513.451412.061311.281210.44119.51108.6097.7486.

30、9276.0365.1654.26从上述表格可以看出，当输入电压变化范围为32V42V时，一路输出大约为12V，负载电流在0.1A0.15A范围内；而另一路输出电压在为518V时，其负载电流始终小于0.1A，符合设计要求。8、 问题解决与心得体会遇到的问题：问题一：可调电源输出电压随输出电流变化而变化？解决方法：在经过了仔细检查之后，我们发现LM317的接法与7812的不同，导致输出电压会随输出电流变化而变化。连接正确后输出电压只与可调电阻阻值有关。问题二：数码管不亮？解决方法：查阅资料后，我们从后往前对数显部分进行了测试，认为是MC14433部分出现了问题，使得每一位输出电压大于9。请教老师后，使外接电容位置紧贴MC14433，将忘接地的管脚接地，数码管便正常示数。问题三：发现数码管显示数字亮度偏弱？解决方法