数显式稳压电源

1、6.2 数显式稳压电源 一 数显稳压电源的组成数显式稳压电源采用模数转换的方法将直流稳压源的输出电压以数字的形式显示出来。它主要由三大部分组成：直流稳压电源部分、A/D转换部分，如图6-2-1所示：二 设计原理1 直流稳压电源的设计直流稳压电源的组成如图6-2-2所示，其中电源变压器，整流电路、滤波电路等部分的设计可参见实验十。下面着重介绍三端可调输出集成稳压器。三端可调输出集成稳压器是在三端固定输出集成稳压器的基础上发展起来的，集成片的输入电流几乎全部流到输出端，流到公共端的电流非常小，因此可以用少量的外部元件方便地组成精密可调的稳压电路，应用更灵活。典型产品CW117/CW217/CW31

2、7系列为正电压输出，CW137/CW237/CW337为负电压输出。同一系列的内部电路和工作原理基本相同，只是工作温度不同，如CW117/217/317的工作温度分别为-55°C150°C，-25°C150°C，0°C125C°,根据输出电流的大小，每个系列又分别为L型(Io0.1A),M型(Io0.5A)。如不标M或L的则表示Io1.5A，当输入电压在240V范围内变化时，电路均能正常工作CW117系列及CW137系列的引角排列如图6-2-3所示。图6-2-4为三端输出集成稳压器基本应用电路，D1用于防止输入短路时C4上存储的电荷产

3、生很大的电流反向流入电流稳压器使之损坏。D2用于防止输出短路时C2通过调整端放电而损坏稳压器。R1,R2构成取样电路，调节R2可改变取样比，几可调节输出电压Uo的大小， Uo=1.25×(1+) 6-2-1式中1.25V为基准电压UREF(输出端与调整端之间的电压)。当R2=0时，Uo=1.25V, 当R2=2.2k时Uo=24V。 考虑到器件内部电路绝大部分静态工作电流IQ由输出端流出，为保证负载开路时电路工作正常，必须正确选择电阻R1。实际应用中可选IQ=10mA,R1=,取标称值120。若R1取值太大，会有一部分电流不能从输出端流出，影响内部电路正常工作，使输出电压偏高。如果负

4、载固定，R1也可取大一些，只要保证 I+Io10mA即可。 图6-2-5为CW317组成的输出电压030V连续可调的稳压电路。R3、Dz组成稳压电路，使A点电位为-1.25V，这样当R2=0时，UA与UREF抵消，使Uo=0V. 2.A/D转换电路的设计常见A/D转换器的转换方式有非积分式和积分式两类，如逐次逼近比较式A/D转换、斜坡电压式A/D转换等属于非积分式，其特点是转换速度快，但抗干扰能力差。电压反馈型V-F变换、双积分式A/D转换则属于积分式，其特点是抗干扰能力强、测量精度高，但转换速度低，在转换速度要求不太高的情况下，获得广泛应用。本课题主要介绍双积分式A/D转换电路。（1） 双积

5、分式A/D转换的基本原理双积分式A/D转换器的基本组成如图6-2-6(a)所示，它由积分器、比较器、逻辑控制电路、闸门电路、计数器及时钟脉冲源等电路所组成。其中称为基准电压或参考电压，是被测的直流电压，负号表示被测电压与基准电压的极性相反。双积分式A/D转换的基本原理是：在一次测量过程中，利用同一积分器先后进行两次积分，即第一次对被测电压进行定时积分，第二次对基准电压进行定值积分，通过两次积分比较，将转换成与之成正比的时间间隔。积分波形如图6-2-6(b)所示，两次积分的工作原理如下： 1）. 对被测电压定时积分设t=时，开关接通被测电压（见图6-2-6(a)），反向积分器对 积分，其输出电压

6、开始线性上升，一旦0，则过零比较器翻转，输出的正跳变脉冲打开闸门，时钟脉冲进入计数器计数。经过规定时间或计数器预置的数（例如预置3000个脉冲数）后计满溢出时，（即t=）产生溢出脉冲。这时通过逻辑控制电路使开关接通基准电压，断开被测电压。则定时积分阶段宣告结束，对基准电压的定值积分开始。定时积分阶段积分器的输出电压的表达式为 6-2-2定时积分阶段结束时，积分器的输出电压为· 6-2-3式中，一一计数脉冲的频率，计数器的预置数。 2）. 对基准电压定值积分设t=时，开关接通基准电压。反向积分器对积分，输出电压 开始线性下降。当下降到0时（即t=）过零比较器再次翻转，输出的负

7、跳变脉冲关闭闸门，计数器停止计数，逻辑控制电路使开关闭合，积分电容快速放电，使积分器恢复到零状态，则定值积分阶段结束。在定值积分阶段，积分器的输出电压的表达式为 6-2 -4定值积分阶段结束时，积分器的输出电压为 6-2-5式中，定值积分的时间，可以通过计数器累计的时钟脉冲数来计算，即/ 6-2-6由式6-2-5可得· 6-2-7由式6-2-3和6-2-7可得 6-2-8可见，只要适当选择的比值，则被测电压的值可直接以计数器的计数值来显示。式6-2-8表明：采用双积分式A/D转换，其数字测量结果与积分元件RC无关。因为两次积分采用了同一个积分器，对RC元件的不稳定性也可以进行补偿，所

8、以对RC元件的精度要求不是很高。测量结果与积分器的输出电压也无关，测量结果受电路的不稳定性影响较小，因此采用双积分式A/D转换方式的数显式稳压电源的抗干扰能力较强。此外，因两次积分采用的是同一计数时钟脉冲，所以测量结果仅与比值或有关，而与时钟脉冲的频率值无直接关系，因此对时钟脉冲源的频率精确度的要求也可以降低。（2）.3位双积分A/D转换器ICL7107 3位双积分A/D转换器ICL7107是CMOS大规模集成电路芯片，其片内已经集成了模拟电路部分和数字电路部分，所以只要外接少量元件就成了模拟电路和数字电路部分，所以只要外接少量元件就可实现A/D转换。 1）.芯片的内部电路结构及引脚功能ICL

9、7107内部电路含有模拟电路和数字电路两大部分，电路如图6-2-7所示图6-2-8是ICL7107外封电路图，其引脚功能如下： 1端：U+ =5V，电源正端。26端：U- =5V，电源负端。19端：ab4，千位数笔段驱动输出端，由于位的计数满量程显示为“1999”，所以ab4输出端应接千位数显示器显示“1”字的b和c笔段。20端：POL，极性显示端（负显示），与千位数显示器的g笔段相连接（或另行设置的负极性笔段）。当输入信号的电压极性为负时，负号显示，如“19.99”；当输入信号的电压极性为正时，极性负号不显示如“19.99”。21端：BP，液晶显示器背电极，与正负电源的公共地端相连接。 27

10、端：INT，积分器输出端，外接积分电容（一般取=0.22）。28端：BUFF，输入缓冲放大器的输出端，外接积分电阻（一般取=47）。29端：AZ，积分器和比较器的反相输入端，接自校零电容（取=0.47）。30、31端：INLO、 INHI，输入电压低、高端。由于两端与高阻抗CMOS运算放大器相连接，可以忽略输入信号的注入电流，输入信号应经过1M电阻和0.01电容组成的滤波电路输入，以滤除干扰信号。2 8端：个位数显示器的笔段驱动输出端，各笔段输出端分别与个位数显示器对应的笔段ag相连接。914、25端：十位数显示器的笔段驱动输出端，各笔段输出端分别与十位数显示器对应的笔段ag相连接。1518、

11、2224端：百位数显示器的笔段驱动输出端，各笔段输出端分别与百位数显示器对应的笔段ag相连接。32端：COM，模拟公共电压设置端，一般与输入信号的负端，负基准电压端相接。33、34端：、，基准电容负压、正压端，它被充电的电压在反相积分时，成为基准电压，通常取=0.1。35、36端：REFLO、 REFHI，外接基准电压低、高位端，由电源电压分压得到。37端：TEST，数字地设置端及测试端，经过芯片内部的500电阻与GND相连。38、39、40端：，产生时钟脉冲的振荡器的引出端，外接R1、C1元件。振荡器主振频率与R1C1的关系为 6-2-92).A/D转换器的工作过程 根据图6-2-7所示的I

12、CL7107的内部电路结构，可以分析A/D转换的工作过程。设其转换过程分三个阶段，即采样阶段、积分阶段和休止阶段，各阶段的工作过程如下：a. 采样阶段在逻辑控制电路的作用下，设新的采样阶段开始。参见图6-2-7（a），设开关SIN闭合，Saz1短开，被测信号 Ux从IN+端输入，经缓冲器进行定时积分，设积分时间（或称采样时间）定为1000个时钟脉冲，如图6-2-9所示。由式（3）可以求出积分器的输出电压Uo与计数脉冲的关系，即 Uo= 6-2-10当N1=1000时定时积分阶段或称采样阶段结束。b. 积分阶段积分阶段是指积分器时基准电压UREF进行定值积分。由于在休止阶段基准电容CREF已被充

13、电(UREF=|UREF|),所以积分阶段一开始，对输入电压作极性判别后，基准电容有开关S+和S-接入缓冲放大器，使积分器进行反向定值积分，计数器开始计数。由式6-2-7可求出定值积分阶段内，积分器的输出电压与计数脉冲N2的关系，即 Uo=6-2-11当积分器的输出电压Uo回到初使状态时，定值积分阶段结束，设计数器的脉冲数N2=02000,如图6-2-9所示c. 休止阶段休止阶段的任务是使信号输入端IN+与公共模拟端COM短接，积分器和比较器的输出为零，基准电压对基准电容充电，这些都是通过控制开关SAZ1、SIN、S+、S-等完成的。设完成该阶段的工作所需要的时间为10003000个时钟脉冲如

14、图9-9所示。 以上三个阶段的工作波形如图6-2-9所示。由图6-2-7（b）可见，计数器的时钟脉冲fcp是主振频率fosc÷4分频后得到的，由式6-2-9得 6-2-12 ICL7107一次A/D转换经过三个阶段所需时钟脉冲数为N，则一次转换所需的时间为 T=N/fcp=4N/fosc 若取ICL7107的主振频率fox=45kHz.,即取R1=100k,C1=100pF,N=4000. 则一次A/D转换所需的时间为 测量速度为，即 参考电路如图6-2-10所示 3）.A/D转换电路的调试方法 由7107构成的A/D转换电路调试比较简单主要调试工作为基本量程200mV时的基准电压=

15、100mV的调整，调整时，基准电压=100mV的值要用的数字电压表进行测量。调试后对电路工作状态的检查步骤为：a零电压测量 将正输入端与负输入端短接，即将31、30脚短接，LED应显示“0000”； b基准电压的测量 将UIN+与UREF+(31与36脚)短接，读数应为“100.0±1”。c显示器笔段的测试将TEST与V+短接，即将37、1脚短接，LED应显示“1888”；d.负号与溢出功能的检查将正输入端与V-短接，即将31、26脚短接，应显示负号和显示千位的“1”字，而百、十、个位各段均不亮。 3.数字显示部分的设计 因为芯片ICL7107采用双电源供电，能输出较大的电流，适合于

16、驱动发光二极管（LED）数码显示器，并且ICL7107芯片内部包括7段译码，可以用硬件译码的方法直接驱动发光二极管（LED）数码显示器，所以显示方式采用共阳极数码管LED显示引，脚图见9-11。 ICL7107没有专门的小数点驱动信号，使用时可将共阳极数码管的公共阳极接V+，小数点接GND时点亮，接V+时熄灭。三 设计任务1 设计课题A：数显式稳压电源的设计 主要技术指标 1）.电源电压010V可调，Iomax=100mA,纹波电压Uop-p5mV稳压系数 Sv5× 2). 数显部分显示速度秒；显示位数位；显示绝对误差不超过0.1V。 2.设计课题B:数显式稳压电源的设计主要技术指标要求：