双路可调数显直流稳压电源解读

1、电子系统的应用领域越来越广泛， 电子设备的种类也越来越多， 很多电子设备只能使 用特定大小的直流电压供电不能使用市电直接供电。 不管是日常生活、 生产制造还是科研 教学都离不开直流稳压电源，就目前来说直流稳压电源是无法被取代的。对于不同的电子设备和不同的应用场合， 电子设备所需要的电源种类和对电源的输入与 输出的指标都有着不同的要求。 以三端集成稳压器为基础制成的直流稳压电源不仅可以输 出稳定的固定直流电压， 还可以输出稳定的可调直流电压， 可调输出端配合基于 ICL7107 的电压显示电路即可直观地观测到可调输出端实时电压， 显示电路配合稳压电路可以更好 地调试出所需电压值，方便电源的使用。

2、第一章：绪论直流稳压电源介绍稳压电源( stabilized voltage supply)是指能够为负载提供稳定的交流电源或者直流电 源的电子装置。 包括交流稳压电源和直流稳压电源两大类。 直流稳压电源就是指能够为负 载提供稳定的直流电源的电子装置， 又称为直流稳压器， 它的供电电压基本上都是交流电 压，不管交流供电电源的电压或者输出负载电阻如何变化， 稳压器的直流输出电压始终保 持稳定状态。稳压电源的历史可追溯到十九世纪， 爱迪生发明电灯时， 就曾考虑过稳压器， 到二十世 纪初，就有铁磁稳压器以及相应的技术文献， 电子管问世不久， 就有人设计了电子管直流 稳压器。在四十年代后期， 电子器件

3、与磁饱和元件相结合， 构成了电子控制的磁饱和交流 稳压器。五十年代晶体管的诞生使晶体管串联调整稳压电源成了直流稳压电源的中心。 六 十年代后期， 科研人员对稳压电源技术做了新的总结， 使开关电源， 可控硅电源得到快速 发展，与此同时，集成稳压器也不断发展。直至今日，在直流稳压电源领域，以电子计算 机为代表的要求供电电压低，电流大的电源大部分都由开关电源承担，要求供电电压高， 电流大的设备的电源由可控硅电源代之，小电流，低电压电源都采用集成稳压器。直流稳压电源按照不同的分类形式可以分为以下几类：1、按习惯可分为化学电源和电子稳压电源。我们平常所用的干电池、铅酸蓄电池、镍 镉、镍氢、锂离子电池均属

4、于化学电源，各有其优缺点。2、按稳定方式分，有参数型稳压器和反馈调整型稳压器。参数型稳压器电路简单，主 要是利用电子组件的非线性实现稳压。反馈调整型稳压器具有负反馈，是闭环调整系统， 利用输出电压的变化，经取样、比较、放大得到控制电压，去控制调整元件，从而达到稳 定输出电压的目的。3、按调整元件和负载连接方式分，有并联式稳压器和串联式稳压器。调整元件与负载 并联的称为并联式稳压器，调整元件与负载串联的称为串联式稳压器。3、按作用器件分，有电子管稳压器、稳压管稳压器、晶体管稳压器、可控硅稳压器等。4、按调整器件的工作状态分，有线性稳压器和开关稳压器。调整器件工作在线性放大 状态的为线性稳压器，

5、调整器件工作在开关状态的称为串联式稳压器。 线性直流稳压器是 先将交流电经过变压器变压， 再经过整流电路整流滤波得到未稳定的直流电压， 要达到高 精度的直流电压，必须经过电压反馈调整输出电压。 开关稳压器是利用现代电力电子技术， 控制开关晶体管开通和关断的时间比率， 维持稳定输出电压的一种电源， 它的电路形式主 要有单端反激式，单端正激式、 半桥式、推挽式和全桥式等。 基本的开关型直流稳压电源 包括输入电网滤波器、 输入整流滤波器、 逆变器、输出整流滤波器、 控制电路、保护电路。5、按电路的主要部分是集成电路还是分立元件分，有集成线性稳压器、集成开关稳压 器和分立元器件组成的稳压器。研究直流稳

6、压电源的意义几乎所有的电子电路都需要稳定的直流电源。在检定检修指示仪表时，除了要有合适 的标准仪器外， 还必须要有合适的直流电源及调节装置。 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。 交流电经过整流、 滤波后变成直流电， 虽然能够 作为直流电源使用， 但是，由于电网电压的波动， 会使整流后输出的直流电压也随着波动。 同时，使用中负载电流也是不断变动的，有的变动幅度很大，当它流过整流器的内阻时， 就会在内阻上产生一个波动的电压降， 这样输出电压也会随着负载电流的波动而波动。 负 载电流小，输出电压就高，负载电流大，输出电压就低。直流电源电压产生波动，会引起 电路工作的

7、不稳定，对于精密的测量仪器、自动控制或电子计算装置等，将会造成测量、 计算的误差，甚至根本无法正常工作。因此，通常都需要电压稳定的直流稳压电源供电。 另一方面， 随着电子技术发展， 电子系统的应用领域越来越广泛， 生活中电子设备的种类 也越来越多， 对稳压电源的需求只增不减， 要求也更加灵活多样。 电子设备的小型化和低 成本化，使稳压电源朝轻、薄、小和高效率的方向发展。再有，学校的实验室或者科研单 位等在进行教学或者科研活动时也需要直流稳压电源来提供合适的稳定的电压。不管是日常生活、 生产制造还是科研教学都离不开直流稳压电源， 就目前来说直流稳压 电源是无法被取代的。 直流稳压电源虽然已经发展

8、了很多年， 但是它的需求仍然只增不减。 需求决定市场， 市场决定发展前景， 无论是从学习方面还是从创造经济利益方面对稳压直 流电源进行研究，都是具有实际意义的。直流稳压电源的技术指标直流稳压电源的技术指标分为特性指标和质量指标两大类，特性指标反映直流稳压电 源的固有特性，质量指标反映直流稳压电源的优劣。1、特性指标（ 1）输出电压范围： 符合直流稳压电源工作条件情况下， 能够正常工作的输出电压范围。 该指标的上限是由最大输入电压和最小输入输出电压差所规定， 而其下限由直流稳压电 源内部的基准电压值决定。（2）最大输入输出电压差：该指标表征在保证直流稳压电源正常工作条件下，所允许 的最大输入输出

9、之间的电压差值， 其值主要取决于直流稳压电源内部调整晶体管的耐压指标。（3）最小输入输出电压差：该指标表征在保证直流稳压电源正常工作条件下，所需的 最小输入输出之间的电压差值。（ 4）输出负载电流范围：输出负载电流范围又称为输出电流范围，在这一电流范围内， 直流稳压电源应能保证符合指标规范所给出的指标。2 、质量指标（1）电压调整率表征当输入电压 UI 变化时直流稳压电源输出电压 U0稳定的程度，通常以单位输出电压 下的输入和输出电压的相对变化的百分比表示。 一般直流稳压电源的电压调整率 SU为 1%、0.1%、0.01%不等，其值越小，稳压性能越好。SUU 0 U0UI100% I0 0 T

10、 02）电流调整率在交流电源额定电压条件下，用百分数表示负载电流从零变化到最大时， 输出电压的最大相对变化量U0 SI0 100%U 0 I 0 I 0 max T 0（3）稳压系数稳压系数定义为负载不变时， 输出电压相对变化量和输入电压相对变化量之比， 一般情 况下 Sr 在 10-210-4数量级， Sr越小稳压电路输出电压的稳定性越好。U0 U 0Sr r UI U I I0 0 T 0式中， U1 为稳压电路输入直流电压，即整流电路的输出电压。（ 4）输出电阻（内阻）当输入电压固定时， 输出电压变化量与负载电流变化量之比， 称为输出电阻 R0，亦称 内阻，其单位为欧。 R0 的大小反映

11、了当负载变动时，稳压电路保持输出电压稳压的能力。 R0 越小负载能力越强，一般 R01 。R0=U0I0Ui 0T 0（5）最大纹波电压与纹波抑制比 叠加在输出电压上的交流分量的峰峰值称为最大纹波电压UIP P ，一般为毫伏级。在电容滤波电路中， 负载电流越大， 纹波电压也越大。因此，纹波电压应在额定输出电流 情况下测出。纹波抑制比 SR定义为稳压电源输入纹波电压峰峰值 UIP P 与输出纹波电压峰峰值UIP P 之比，并取对数，单位为分贝（ dB）SR=20 lgIP-POP-P第二章：直流稳压电源系统设计设计目标根据可行性以及实用性设计出一个直流稳压电源，电源具备固定电压输出端口和可调 电

12、压输出端口。电源可调输出端具有相应的输出电压指示功能。 电源最大电流不超过 2A。直流稳压电源设计方案的选择根据设计目标， 本次设计主要分为两个模块直流稳压电源模块和电压显示模块。 电 压显示模块的主要功能是显示直流稳压电源可调输出端的电压值， 以便更好地调节得到所 需电压供给负载使用。经查阅大量资料得出了两个模块不同的设计方案：（ 1） 电压显示模块电压显示模块有以下设计方案：方案一：采用 ADC0809转换的显示电路通过 ADC0809将模拟电压信号转换成数字信号。 ADC0809是采样频率为 8 位的、以逐 次逼近原理进行模 数转换的器件。其内部有一个8 通道多路开关，它可以根据地址码锁

13、存译码后的信号，只选通 8 个单断模拟输入信号中的一个进行 A/D 转换。 ADC0809 的输出端经过编码译码、驱动然后接至数码管显示。 方案二：选用单片机 AT89S52和 A/D 转换芯片选用单片机 AT89S52和 A/D转换芯片 ADC0832实现电压的转换和控制，用 LCD1602显示 出最后的转换电压结果。方案三：采用三位半 A/D 转换器 ICL7107双积分 A/D 转换器 ICL7107 是大规模集成芯片，它将模拟电路和数字电路集成在一个有 40 多个功能端的电路内，包含有七段译码器，显示驱动，参考源和时钟系统。方案一中 ADC0809显示电路整个电路过程繁琐， 硬件实现时

14、焊接难度相对较大。 方案二 采用基于单片机 AT89S52的显示电路硬件成本相对较高， 而且程序设计过程中比较容易出 错。基于 ICL7017 的电压显示电路只需外接少量元件就能组成三位半数字电压表， 相对于 方案一和方案二具有设计简单、电路板布线不复杂、便于焊接调试、硬件成本低等优点， 而且基于 ICL7107 的电压显示电路仅需要 5V 的电压，电源电压可以由设计的稳压源供 电，进一步节约了设计成本。综合各方面考虑本次设计数字电压显示模块选择了方案三。（2）直流稳压电源模块在之前的第一章第一节我们按照了不同的方式对直流稳压电源进行了分类， 经查阅资料 得出了以下不同类型稳压源的设计方案：

15、方案一：开关稳压直流电源开关稳压电源效率高， 输出功率大， 容易实现短路保护与过流保护。 它的缺点是存在较 为严重的开关干扰。 开关稳压电源中功率调整开关晶体管工作在开关状态， 它产生的交流 电压和电流通过电路中的其他元器件产生尖峰干扰和谐振干扰。 这些干扰如果不采取一定 的措施进行抑制、 消除和屏蔽就会严重地影响整机的正常工作。 此外由于开关稳压电源振 荡器没有工频变压器的隔离， 这些干扰就会串入工频电网， 使附近的其他电子仪器受到严 重的干扰，而且开关稳压电源设计繁琐稳定度差，因为此次设计不采用此方案。 方案二: 线性稳压直流电源线性直流稳压电源是先将交流电经过变压器变压， 再经过整流电路

16、整流滤波得到未稳定 的直流电压， 要达到高精度的直流电压， 必须经过电压反馈调整输出电压， 可以达到很高 的稳定度， 波纹也很小，而且没有开关稳压电源具有的干扰与噪音。 线性稳压源有以下两 个方案： 方案甲：并联型稳压电源并联型稳压电源的调整元件与负载并联， 因为具有极低的输出电阻， 动态特性好， 电路 简单，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流， 损耗过大。 而且输出范围调节小，稳定度不高， 因此在本 次设计中不适合采用此方案。方案乙：串联型稳压电源 串联型稳压电源具有低噪音、低纹波、良好的负载调整率、高稳定度、高准确度、电路

17、反应速度快等优点，而且电路容易实现。串联型稳压电源稳压部分可以采用三极管等分立元件来实现， 也可以采用三端集成稳压 器。三端集成稳压器稳压性能良好， 外围元件简单，安装调试方便， 芯片内部还具有过流、 过热等保护电路。 78 系列的芯片可以稳定输出固定正电压， 79 系列的芯片可以稳定输出 固定的负电压， 既可以输出所需固定电压， 也可以为设计中的电压显示模块供电。 LM317、 LM337分别可以输出 +1.25+37V、-1.25 -37V 电压，加上外围电路后可以实现输出电压 在 1.25V 37V 范围内可调，能满足各种设备不同的电压需求，而且三端集成稳压器 价格低廉，在市面上比较常见

18、， 容易购买。综合稳压电源电源技术指标、 功能、设计成本、 设计目标等方面的考虑本次设计采用线性串联型三端集成稳压电源的设计方案。所选方案系统方框图直流稳压电源的工作过程如图 2-2-1 所示：市电 220V 交流电压作为输入电压，要获得 低压直流输出， 首先必须采用变压器将电网电压降低到所需要交流电压。 降压后的交流电 压，通过整流电路变成单向直流电， 但其幅度变化大。 脉动大的直流电压经过滤波将交流 成分过滤掉，保留其直流成分。 滤波后的直流电压，再通过稳压电路稳压，便可得到基本 不受外界影响的稳定直流电压输出，供给负载使用图 2-2-1 稳压电源工作过程图本次设计的直流稳压电源在稳压电源

19、的常规工作过程中增加了电压显示模块， 具体系统方框图如图 2-2-1 所示：输出 +12VLM7812稳压输出 +5VLM7805稳压双电压变压器降压整流滤波LM317稳压电路LM337稳压电路+5V 供电电压电压显示电路-5V 电压供电LM7912稳压LM7905稳压输出 -5V输出 -12V图 2-2-2 系统方框图+5V电压， +5V电压对电压显示电直流正电压一路经过 LM7812、LM7805输出 +3.3V、 路进行供电，显示电路输入端加上单刀双掷开关即可根据需要在正可调和负可调输出端之 间切换显示第三章：单元电路的设计3.1 滤波电路滤波电路采用一大一小电容滤波。 理论上， 在同一

20、频率上容量大的电容其容抗下， 选择 一大一小电容并联后其容量小的电容不起作用。 但是，由于大电容的电容器存在感抗特性， 等效为一个电容与一个电感串联， 在高频情况下的阻抗反而大于低频时的阻抗。 小电容容 量小，在制造时可以克服电感性， 几乎不存在电感。 在大电容上并联一个小电容可以补偿 其在高频下的不足。 当电路的工作频率比较低时， 小电容不工作， 大电容容量越大滤波效 果越好。 当电路工作频率比较高时， 大电容由于阻抗大而处于开路状态， 这时高频干扰成 分通过小电容进行滤波。稳压电路稳压部分分为两个模块，一个是 LM317、 LM337双路可调模块，一个是固定输出模块。LM317、LM337

21、双路可调模块LM317 和 LM337是比较常见的三端集成稳压器， LM317输出电压在 +1.25V 至 +37V可调， 输出电流最大能达到 1.5 安。 LM337输出电压在 -1.25V 至-37V 可调，输出的最大电流可 达 2 安。 LM317、LM337内部具有输出短路、过流、过热保护。因为 LM317与 LM337性能 以及外接电路基本相似， 下文中主要对 LM317进行说明。LM317的基本电路如图 3-2 所示：图 3-2 LM317 电路图 3-2 所示电路中 0 脚为输入脚，1脚为输出脚，2 脚为调整脚。LM317输出电压 U0=1.25 (1+R2/R1)，根据公式可以

22、得出只要 R2/R1 改变，输出电压就能改变，根据这一结果要 实现输出电压可调， 只需把 R1设置成一个固定电阻， 改变 R2的电阻就能使输出可调。 在 LM317和 LM337基础电路上设计出了双路电压可调电路，电路图如图3-3 所示：1IN Vout3VCCVCC图 3-3 双路可调模块电路图上图为双路电压可调电路图， 电阻 R4 和 R6的作用是对二极管进行保护。 C3和 C4电容 的作用是形成一个交流通路，可以进一步减小输出端纹波。在 LM317、LM337输出端分别 并联一大一小电容可以进一步滤波，使输出更平滑。3.5 电压显示电路设计ICL7107 介绍根据之前对数字电压显示模块不

23、同方案的对比， 最终确定使用基于 ICL7107 的数字电压 表头实现电压显示功能。 ICL7107 具有以下特点：(1)ICL7107 是 3(1/2) 位双积分型 A/D转换器，属于 CMOS大规模集成电路。 它的最大显示 值为 1999最小分辨率为 100uV,转化精度为 0.05 1 个字。能直接驱动共阳极 LED数码管, 不需要另加驱动器件 ,使整机线路简化。 采用 5V两组 电源供电。在芯片内部从 V+与 COM之间有一个稳定性高的 2.8V 基准电源，通过电阻分压器可获 得所需的基准电压 Vref 。能通过内部的模拟开关实现自动调零和自动机型显示功能。输入阻抗高，对输入信号无衰减

24、作用。整机组装方便，无需外加有源器件，配上电阻，电容，共阳极数码管就能构成一只直流数字电压表头。噪音低、温漂小，具有良好的可靠性，寿命长。芯片本身功耗小于 15mv，不包括 LED。部设有一专门的小数点驱动信号。使用时可将 LED共阳极数码管公共阳极接 V+。（10）可以方便地进行功能检查。ICL7107 工作原理ICL7107 内部由模拟电路和数字电路组成。 二者相互联系， 一方面由控制逻辑产生控制 信号，控制多路模拟开关接通或断开， 保证 AD转换正常进行， 另一方面模拟电路的比较 器输出信号又控制着数字电路的工作状态和显示结果。 模拟电路由双积分式 AD 转换器构 成，数字电路由频分器、

25、计数器、锁存器、译码器、驱动器、控制器、LCD显示器组成，计数器对反向积分过程的时钟脉冲进行计数分频器用来对时钟脉冲逐渐分频， 得到所需的 计数脉冲 fc 和共阳极 LED数码管公共电极所需的方波信号 fc ；锁存器用来存放 A/D转换 的结果，锁存器的输出经译码器后驱动 LED 。译码器为 BCD-7段译码器， 将计数器的 BCD 码译成 LED数码管七段笔画组成数字的相应编码； 驱动器是将译码器输出对应于共阳极数 码管七段笔画的逻辑电平变成驱动相应笔画的方波； 控制器的作用有三个： 第一，识别积 分器的工作状态， 适时发出控制信号， 使各模拟开关接通或断开， A/D 转换器能循环进行。 第

26、二，识别输入电压极性， 控制 LED数码管的负号显示。 第三，当输入电压超量限时发出 溢出信号，使千位显示“ 1 ，其余码全部熄灭。 它的每个测量周期为自动调零（ AZ）、信号积分（ INT）和反向积分（ DE）三个阶段，这 3个阶段在数字电路逻辑控制电路的作用下不断循环重复。一阶段，首先电压输入脚与输入电压断开而与地端相连放掉电容器C 上积累的电量，然后参考电容 Cref 充电到参考电压值 Vref ，同时反馈环给自动调零电容 CAZ以补偿缓冲 放大器、积分器和比较器的偏置电压。这个阶段称为自动校零阶段。第二阶段为信号积分阶段（采样阶段），设 Vx 为测量电压， Vs为积分器输入电压。 在此

27、阶段 Vs接到 Vx 上使之与积分器相连，这样电容器 C将被以恒定电流 Vx/R充电，与 此同时计数器开始计数，当计到某一特定值 N1（对于三位半模数转换器， N1=1000）时逻 辑控制电路充电过程结束，这样采样时间 T1是一定的，假设时钟脉冲为 TCP，则 T1=N1 TCP。在此阶段积分器输出电压 Vo=-Qo/C，因为电容电量为：Qo= Vx * dt =VxT1（1）0 R R所以得出 VO 为：VO=- Qo =- Vx T1（2）C RC因为 T1是固定的，所以由上式可以看出 V0 与 VX成正比。第三阶段为反积分阶段（测量阶段），在此阶段，逻辑控制电路把已经把充电至Vref的参

28、考电容 Cref 按与VX 极性相反的方式经缓冲器接到积分电路， 这样电容器 C将以恒定电 流 Vref R 放电，与此同时计数器开始计数，电容器 C上的电量线性减小，当经过时间 T2 后，电容器电压减小到 0，由零值比较器输出闸门控制信号再停止计数器计数并显示出计 数结果，设此时计数器计数值为 N2，设时钟脉冲采样单元周期为 Tcq，则有 T2=Tcq*N2。因为(3)(4)Vo+ C1 T02VrRef *dt=0将（ 2）式带入（ 3）得T1T2= T1 VxVref由于 T1和 Vref 是固定值，所以 T2与 Vx（测量电压）成正比，将 T2=Tcq*N2带入（ 4） 得N2=（T1

29、/TcqVref）*Vx, 因为 T1、Vref 、Tcq 均为固定值，所以 N2 与 Vx（测量电压）成正 比。计数值 N2经锁存器、译码器后数码管显示相应的数值，以上过程即为ICL7107 的工作原理，基于这一原理，加上合适的外接电路就能达到数字电压显示功能。 ICL7107 有 Vx （测试电压） =2*Vref （参考电压）， ICL7107测量电压满量程为 200mV，此时参考电压为 Vref=100mV。图 3-2-10 ICL7107 A/D 转换器原理 ICL7107 表头电路ICL7107 的管脚如图 3-2-11 所示10图 3-2-11 ICL7107 管脚图其中 1 号

30、脚为电源端口， 接+5V正电源，26 号脚为负电源接口， 接-5V，21号引脚接地， 2 号到 8 号引脚接最低位数码管， 9 号到 14 号、23 号引脚接第二位数码管， 15 号到 18 号、22号到 24 号引脚接第三位数码管； 40-38 脚（ Oscl-OSc3）为时钟振荡器的引出端； 32 脚 （COMMO）N 为模拟信号公共端，简称“模拟地”，使用时一般与输入信号的负端 以及基准电压的负极相连。 37 脚（ TEST）是 测试端，该端经过 500 欧姆电阻接至逻辑 电路的公共地，故也称“逻辑地”或“数字地”。32 、34（CREF- 、CREF）+ 为基准电压正负端， CREF外

31、接基准电容端； 35脚是基准地； 27（INT）是一个积分电容器，必须选 择温度系数小不致使积分器的输入电压产生漂移现象的元件 IN 和 IN- ：31、30 脚为模 拟量输入端，分别接输入信号的正端和负端； 29（AZ）为积分器和比较器的反向输入端， 接自动调零电容 CAz ；28脚 BUFF是缓冲放大器输出端，接积分电阻 Rint ；36号引脚接 滑动变阻器，用于调试电路，精确读数。第四章 直流稳压电源模块参数计算（ 1）可调稳压部分由于 LM317与 LM337外接电路相类似，以 LM317为例进行计算：LM317输出电压范围为 1.25V-37V ，输出电压 Uo=1.25*（ 1+R2/R1）。参数推导过程为： 当 Uo=1.25V 时，R2=0 当 Uo=37V时， R2/R1=28.6 得出 0R2/R128.6 取 R1=200则 0R2 5.72K选 R2=3K 可得 Uo的范围为 1.25VUo20V本次设计目标是可调端至少在 1V左右到 12V 可调，推导过程中设输出端最大的电压 能达到 12V以此去推导一个要得到 12V 输出电压的最小输入电压 Ux，取值过程中只要所 取的电压值大于 Ux 那么输出端输出