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1、2010电子技术课程设计实验报告 设计题目：简易数控直流可变稳压电源 目录一、 系统设计要求511任务512设计要求513发挥部分514设计提示5二、 方案的选择与系统框图521方案框图522方案比较与选择6三、 单元模块的设计6 31 各部分工作原理632电路参数计算及元器件的选择10四、 系统的完整电路图及工作原理10五、 组装调试1151 系统组装1152系统调试过程1153系统连接测试12六、 实际PCB布线图12七、 方案分析及改进13八、 测试数据：13九、 课程体会:14十、 参考文献：14摘要本简易数控直流可变稳压电源由电压输入电路、稳压输出电路、按键计数电路和数码显示电路组成
2、。电压输入电路输入的12V直流电压直接由实验室直流电压源提供，经过退耦、滤波后直接输入到三端可调式稳压芯片LM317的输入端，通过改变三端可调式稳压芯片的电阻值而得到不同的输出电压值，在这里选用八通道数字模拟开关CD4051的选通与否来改变三端可调式稳压芯片可调端的电阻。而八通道数字模拟开关的开关状态则通过按键计数状态生成的三位二进制码来控制，计数器的状态与三端可调式稳压器的输出电压一致，同时将计数器的数值状态经过译码后在数码管上同步显示输出的电压。关键词：电源 稳压芯片 可调 电压 AbstractThe simple digital controlled variable voltage
3、input from the power supply circuit, the voltage output circuit, buttons and digital display counting circuit circuit. Input circuit DC voltage 12V input DC voltage source directly from the laboratory to provide, after decoupling, filtering directly into the three-terminal adjustable regulator IC LM
4、317s input, by changing the three-terminal adjust- able regulator chip resistor value obtain different output voltage, where the s-election of eight-channel digital analog switches CD4051 strobe or not to cha- nge the three-terminal adjustable regulator chip adjustable side of the resista- nce. And
5、eight-channel digital analog switch off status of the state is generated by counting three key binary control, the counter state and three-terminal adju- stable regulator output voltage line, while the state after the counter value after the decoding simultaneous display on the digital output voltag
6、e. Key words：Power Regulator IC Adjustable Voltage 一、 系统设计要求11任务 设计并制作一个简易数控直流可变稳压电源，能够提供一定范围内的、功率达到要求的直流可变电压，设计原理简易图如图1所示：电压输入 计数译码 按键输出显示 调节 电压 电压处理输出电压图112设计要求(1) 用集成芯片制作一个29V的直流电源。(2) 最大功率要求10W以上。(3) 电压的调整步进为1V并有相应的指示。(4) 能够在负载为10 10W的情况下正常工作。13发挥部分电源具有过压、过流保护。 PCB连接更加简洁,满足大功率要求，制作的板子尽可能紧凑、有序、美观
7、。14设计提示参考器件：CD4051 LM317 LM7805 74HC4511 74LS193二、 方案的选择与系统框图21方案框图（1） 、如图2.1所示，输入的12V直流电压经过退耦、滤波后直接输入到三端可调式稳压芯片LM317的输入端，通过改变三端可调式稳压芯片的电阻值而得到不同的输出电压值，在这里选用八通道数字模拟开关CD4051的选通与否来改变三端可调式稳压芯片可调端的电阻。而八通道数字模拟开关的开关状态则通过按键计数状态生成的三位二进制码来控制，计数器的状态与三端可调式稳压器的输出电压一致，同时将计数器的数值状态经过译码后在数码管上同步显示输出的电压。 29V电压LM31712V
8、DC 输入 输出 七段数 码显示 输 入 供电 电阻 联调CD4051LM7805供电 通道 选择 数值 送显按键74LS193 74HC4511 计数 译码供电图2.1（2）、如图2.2所示，不采用CD4051作为联调电阻通道的选择开关，而利用三极管与3-8线译码芯片的译码输出共同作用来选择某一个通道与LM317的Adj端连接来调节输出电压。而在其数码显示部分由于3-8线译码器只能输出07的二进制代码，所以在送显时要配合全加器才能在数码管上显示29的值。LM317 Adj端显示全加器待选择联调电阻3-8线译码输出74LS00与非门图2.222方案比较与选择如图2.12.2所示框图所示，为采用
9、不同的方法实现了简易数控直流可变稳压电源的制作原理。其中，两个方案的核心设计思路是完全一致的，但对于一些部分的处理上选择的不同的方法。方案一中大多采用集成IC而非单立元件，并且在送显部分简单易行，这样的系统制作过程简单，电路简洁明了，而且具有更高的稳定性，相对于方案二还减少了一个模块。综合考虑成本、可操作性、简洁、实用等因素后，我们选择方案一作为最终实施方案。三、 单元模块的设计31 各部分工作原理电压输入输出模块：工作原理：如图3.1，12V直流电压输入经过处理后供给稳压芯片LM7805和LM317，其输出分别为其他芯片供电和输出可变电压：LM317是可调式三端稳压器，能够连续输出可调的稳定
10、的直流电压。它只允许可调正电压，且该稳压器内部含有过流，过热保护电路；LM317通过一个电阻（R2）和一个可变电位器（Rp）组成电压输出调节电路，它的输入电压Vi=15V，输出电压为 Vo=1.25（1+Rp/R2），在该方案中，通过8通道数字控制模拟开关CD4051芯片改变Rp的值，从而改变输出的电压值。图3.1LM7805是固定式三端稳压器，当其输入输出的压差达到要求时，其固定输出+5V，一般要求7805的输入输出的压差在大于2V的情况下，才能保证正常输出。其他电路、元件功能：输入电路：直流电压源输出的直流电压都有一定程度的纹波，可通过电容滤波来减小或消除纹波对后续电路的影响。选用100u
11、F的电解电容C1起平滑输出的作用，选用0.1uF（104）瓷片电容起消除高频干扰作用，即用C1和C2抑制高频干扰。容量选择：大电容：负载越重，吸收电流的能力越强，大电容需求的容量就越大。 小电容：一般选104即可。注意：大容量电解电容有一定的绕制电感分布电感，易引起自激振荡，形成高频干扰，故可在稳压器输入输出端并入小容量瓷片电容来抵消电感效应，消除高频干扰。输出电路：电解电容C3用来提高稳压器的纹波抑制比，减小输出电压中的纹波；C6用来克服LM317在深度负反馈作用下可能产生的自激振荡，还可以进一步减小输出电压中的纹波分量；D1的作用是防止输入端短路时，电容C6放电而损坏稳压器；D2的作用是防
12、止输出端短路时，C3放电而损坏稳压器。其中电源与GND之间的R1和LED用来指示电源是否加上和是否加正确。联调电阻通道选择部分：工作原理：电路如图3.2，在该方案中，通过八通道模拟开关CD4051芯片改变选择不同Rp，通过改变Rp从而改变输出的电压值。CD4051的开关的选通，通过其使能端与其选通状态代码控制，而其选通状态代码则通过74LS193加/减计数器的计数状态A、B、C控制。图3.2 通道选择与计数器状态A、B、C关系如下图：输入通道及电压值INHC B A0 000 X0（8V）0001 X1（9V）0010 X2（2V）0011 X3（3V）0100 X4（4V）0101 X5（5
13、V）0110 X6（6V）0111 X7（7V）1XXX 无通过这样巧妙地处理后，即使是只有A、B、C三个状态的计数器，不通过全加器也可以实现显示出2-9的数值。按键计数部分：工作原理：如图3.3，按键按下后经消抖处理后接入计数器的CU端进行计数，同时QA,QB,QC,QD电位也会发生相应的变化，他们的变化相应地又会去控制和影响CD4051和译码器74HC4511的A、B、C、D端口。下面为计数器74LS193的功能表：74LS193的功能表清零 预置 时钟 预置数据输入 输出 MR PL CU CD P0 P1 P2 P3 QA QB QC QD 1 0 0 0 0 0 0 D0 D1 D2
14、 D3 D0 D1 D2 D30 1 1 加计数 0 1 1 减计数根据功能表所示，我们为计数器置初值为2（0010），当计数增加到9（1001）后，通过与非门反馈，计数器有重新置数为0010，之后循环。图3.3 按键消抖电路：如果按键没有消抖，会造成按键后高低电平跳变之间有毛刺，导致按一下键数字跳变多次的效果，影响电路的稳定性。解决方案：用与非门对电路进行延时，再加上微分电路。如图3.4图3.4译码显示部分：工作原理：如图3.5，当计数器的A、B、C、D随按键的按下而改变时，译码器74HC4511也会响应，将其转化成对应的七段数码后送给数码管显示。其功能介绍如下： BI：4脚是消隐输入控制端
15、，当BI=0 时，不管其它输入端状态如何，七段数码管均处于熄灭（消隐）状态，不显示数字。LT：3脚是测试输入端，当BI=1，LT=0 时，译码输出全为1，不管输入 DCBA 状态如何，七段均发亮，显示“8”。它主要用来检测数码管是否损坏。 LE：锁定控制端，当LE=0时，允许译码输出。LE=1时译码器是锁定保持状态，译码器输出被保持在LE=0时的数值。 A、B、C、D、为8421BCD码输入端。 A、B、C、D、E、F、G：为译码输出端，输出为高电平1有效。图3.4 32电路参数计算及元器件的选择参数计算：在本方案种涉及到的参数计算仅有滑动变阻器的选择：根据公式：Vo=1.25（1+Rp/R）
16、，选用R=220，Vi=+12V，则Vo=2V时，R3=Rp=132Vo=3V时，R4=Rp=308Vo=4V时，R5=Rp=484Vo=5V时，R6=Rp=660Vo=6V时，R7=Rp=836Vo=7V时，R8=Rp=1012Vo=8V时，R9=Rp=1188Vo=9V时，R10=Rp=1364考虑到CD4051的各开关选通后存在内阻，且上述阻值的电阻不好找到，故在该方案中Rp采用变阻器。除了R8，R9,R10采用010K的变阻器外，其它均采用01K的变阻器。元件选择：输出5V的稳压芯片：LM7805输出可调稳压芯片：LM317输出电压的可调范围满足设计要求的2-9V，且其最大电流也能满足
17、系统对功率的要求。联调电阻通道选择：CD4051计数器：74LS193 四位二进制加/减计数器，满足系统对2-9加计数的要求。与非门;74LS00译码器：74HC4511显示元件:七段共阴数码管四、 系统的完整电路图及工作原理如图4.1所示为各单元电路连接的系统完整电路图：图4.1工作原理：直流电压源输出的电压经耦合，滤波后作用到固定式三端稳压器LM7805和可调式三端稳压器LM317，LM7805稳定输出的+5V直接为74LS193，74 LS00，译码器74HC4511提供电源电压。根据公式：Vo=1.25（1+Rp/R），改变连接LM317的1脚上的电阻阻值，就可在其输出端得到不同的电压
18、值。LM317的1脚上电阻阻值的改变是通过8通道数字控制模拟开关芯片CD4051实现的。因为当INH为低电平时，4051的输入端C、B、A的不同状态输入，可选通对应的开关，即可改变LM317的1脚上电阻阻值，从而控制LM317的输出电压值。CD4051的输入端C、B、A的状态，则通过74LS193的计数输出状态来控制，即将74LS193的四个计数输出端的低三位分别与CD4051的输入端C、B、A相连接。同时将74LS193的四个计数输出端与驱动共阴极数码显示器的BCD码四位七段译码器74HC4511的四位输入端相连接，通过74HC4511译码后驱动共阴极数码管显示相应的电压值，实现电压输出与显
19、示值同步。五、 组装调试51 系统组装组装调试过程中，使用的主要仪器，仪表及工具包括：直流电压源，万用表，烙铁等。组装时，应注意的方面：检查电路板上的铜线是否存在断线和短路问题，若存在应及时解决，可用焊锡对断线进行修补，如果断线很严重可用搭连导线解决。在焊接的时候烙铁的温度不要太高，这样于焊接不利。52系统调试过程调试部分：（1）调试时，要注意各芯片的安装是否正确。连通电源，输入+12V直流电压，用万用表测量各芯片的电源电压VCC的电压值。该实验调试中，测得7805的输入输出端电压分别为+8.1V和+4.9V，LM317的输入输出端电压分别为+12V和3.3V。4051的电源电压VCC为+11
20、.9V，74LS193，74LS00，4511的电源电压均近似为+4.9V。（2）接下来逐一排查各芯片工作是否正常。接通电源，数码管显示数字为2，用万用表表笔测量74LS193的计数输出的高低电平的状态（一般电压值小于0.17V左右为低电平，电压值大于2.7V为高电平），经测量74LS193的计数状态输出端QD QC QB QA的电压值分别为0V，0V，4.3V，0V，这与显示值是对应的。（3）将CD4051芯片拔出，开通电源，用导线分别代替各开关，调节变阻器，观察LM317的电压输出值的变化。若输出电压值随变阻器阻值的变化而变化，且用万用表测得4051插槽的各引脚的高低电平状态与原理图上对应
21、的预期的理论值接近，则说明连接CD4051各管脚的铜线无断线，短线现象。(4)在调试过程中我们发现LM7805和74HC4511会特别的发烫，而且数码管会很亮，分析后我们将译码器与数码管之间加上了470限流电阻，这一问题得到了很好的解决。53系统连接测试分块测试完成后，把系统整体进行连接，进行整机测试。考虑到使用方便，操作简洁，合理连接各内部模块，完成后进行测量，实测结果达到指标。 该设计的电路经调试后基本能达到设计指标要求，能做到稳定直流电压输出与显示同步进行，显示2V9V。由于考虑到CD4051内阻的存在，变阻器的灵敏度不高，使得测得模拟电压存在一定得误差。接入负载为10 10W的大功率电
22、阻：标准电压（V）实际电压（V）实际电流（A）标准功率（W）22.090.21012*0.28=3.3633.070.30712*0.32=3.8444.000.412*0.41=4.9255.020.512*0.52=6.2466.040.60412*0.64=7.6877.010.7012*0.74=8.8888.020.80212*0.81=9.7299.070.90712*0.96=11.52效率=实际功率与标准功率的比值=（9.07*0.907）/（0.96*12）=71.4%由于设计电路及测量本身的误差，属于正常。六、 实际PCB布线图如图6.1为实际PCB布线图：图6.1七、 方
23、案分析及改进电路的设计结构简单，能实现数字控制模拟电压输出，且将模拟输出电压值在数码管上显示，具有较好的同步性。该方案结构系统图较简单，易于实现，便于组装调试，但该方案实现的模拟电压输出范围有限，元器件需求量多，且按键消抖处理有待改善。建议用555定时器来产生一个下降沿作用到计数器脉冲计数端，这就避免了按键消抖的不完善之处。也可以用其他芯片器件，如用单片机设计数控可变直流稳压电源，用单片机就可以减少其它芯片的使用。或者为电路板做一个底座也有利于消抖。八、 测试数据：标准电压（V）实际电压（V）实际电流（A）标准功率（W）22.090.21012*0.28=3.3633.070.30712*0.
24、32=3.8444.000.412*0.41=4.9255.020.512*0.52=6.2466.040.60412*0.64=7.6877.010.7012*0.74=8.8888.020.80212*0.81=9.7299.070.90712*0.96=11.52效率=实际功率与标准功率的比值=（9.07*0.907）/（0.96*12）=71.4%由于设计电路及测量本身的误差，属于正常。九、 课程体会:通过本次电子课程设计，让我们清楚的了解到数控可变直流稳压电源的工作原理，以及组成其电路的各单元电路的工作原理即元件参数计算和元器件的选择。并且从设计电路过程中了解了一些芯片的应用范围及使
25、用方法。通过本次课程设计，学习了制作PCB板的流程，也熟悉了protel99se软件的使用。复习了模拟电子技术基础，数字电子技术基础的知识。同时最重要的是对电路的调试过程，让我们学会有耐心的去不停重复的对一个问题进行反复的研究，很感谢在大学实践中能有这样的机会。十、 参考文献：1华成英，童诗白.模拟电子技术基础（第四版）M.北京：高等教育出版社，2006.12杨志忠，卫桦林，郭顺华.数字电子技术基础M. 北京：高等教育出版社，2004.73豆丁网：4胡烨，姚鹏翼，陈明.Protel 99 SE原理图与PCB设计教程M.北京：机械工业出版社，2005.35电子基础教学实验中心，电子技术基础实验M，四川：四川大学出版社，2005.8
