毕业设计(论文)-数字显示连续可调直流稳压电源的设计[管理资料]

黑龙江科技学院机械电子工程系本科毕业设计（论文）

题目数字显示连续可调直流稳压电源的设计

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数字显示连续可调直流稳压电源的设计

摘要：

随着科技的发展，电气、电子设备已经广泛的应用于日常、科研、学习等各个方面。电源已经成为电气和电子设备中必不可少的能源供应部件，对电源的研究和开发已经成为新技术、新设备开发的重要环节，在推动科技发展中起着重要作用。

本文介绍了一种数字显示连续可调直流稳压电源的设计方案，此方案应用7824及7924芯片组成稳压电源的电源模块，用ICL7107芯片组成了数显模块，最终通过两个模块的连接实现连续可调直流稳压功能。同时，本文还对电源模块和数显模块的基本原理，参数计算和性能指标等进行了分析讲解。

这种电源价格便宜，电路简单，并且可通过旋钮在-24V~24V范围内调节电压，使用方便、安全、稳定性高。

关键词：稳压电源 A/D转换器电源模块稳压模块

The design of digital demonstration continuously adjustable DC

power supply

Abstract: With the development of science and technology, electrical, electronic equipment has been widely used in all aspects of day-to-day, scientific research, all aspects of learning and so on. Power has become the essential components of energy supply in electrical and electronic equipment the research and development for power has become important in new technology, new equipment, it plays an important role in promoting the development of science and technology.

This article introduces one kind of digital demonstration continuously adjustable DC power supply’s design proposal. This plan applies 7824 and 7924 chip composition DC power supply’s power source module and has composed the number obviously module with the ICL7107 chip, finally realizes continuously the adjustable DC constant voltage function through two module’s connections. At the same time, this article also to the power source module and the number obviously module’s basic principle, the parameter computation and the performance index and so on has carried on the analysis explanation.

This kind of power source price is cheap, the electric circuit is simple, and may adjust the voltage through the knob in the 24V~-24V scope, and it is easy to operate, security, the stability are high.

Key words: stabilized voltage supply A/D converter power module digital display module

目录

第一章绪论 (1)

(1)

(1)

(1)

(2)

(3)

第二章电源总体方案确定 (5)

(5)

(5)

(5)

(6)

(7)

(7)

(7)

(7)

(8)

第三章电源模块的设计 (9)

三端稳压器的工作原理 (9)

(9)

。 (9)

(9)

(10)

(10)

(10)

、输出电压差(V

i -V

o

) (10)

(10)

(10)

(10)

。 (11)

(11)

7824芯片的技术指标 (11)

7924芯片的技术指标 (12)

(13)

(14)

(14)

(14)

(15)

(15)

第四章数显模块的设计 (17)

A/D转换器原理 (17)

ICL7107简介 (20)

ICL7107的管脚排列 (20)

ICL7107功能说明 (23)

(23)

(25)

(27)

(27)

(27)

(28)

(28)

(28)

(28)

ICL7107的电源供电 (28)

(29)

第五章电路功能模块的连接 (31)

(31)

(31)

结束语 (32)

致谢 (33)

参考文献 (34)

附录 (35)

附录1：总电路原理图 (35)

第一章 绪论

直流稳压电源又称直流稳压器。它的供电电源大都是交流电源，当交流供电电源的电压或负载电阻变化时，稳压器的直接输出电压都能保持稳定。直流稳压电源分连续导电式与开关式两类。前者由变压器把单相或三相交流电压变到适当值，然后经整流、滤波，获得不稳定的直流电源，再经稳压电路得到稳定电压(或电流)。这种电源线路简单、纹波小、相互干扰小，但体积大、耗材多，效率低(常低于40％～60％)。后者以改变调整元件(或开关)的通断时间比来调节输出电压，从而达到稳压。这类电源功耗小，效率可达85％左右。所以，80年代以来发展迅速。从工作方式上可分为：①可控整流型。用改变晶闸管的导通时间来调整输出电压。②斩波型。输入是不稳定的直流电压，以改变开关电路的通断比得到单向脉动直流，再经滤波后得到稳定直流电压。③变换器型。不稳定直流电压先经逆变器变换成高频交流电，再经变压、整流、滤波后，从所得新的直流输出电压取样，反馈控制逆变器工作频率，达到稳定输出直流电压的目的。

衡量一台稳压电源的好坏，一方面要从功能角度来看，即容量大小(输出电压和输出电流)、调节范围大小、效率高低等，人们称其为使用指标或性能指标;另一方面要从外观、形状、体积、重量等直观形象来看，这些称为电气指标;更重要的是要看它的质量高低，即输出电压的稳定度等，一般称为质量指标。下面重点介绍质量指标。

(1)稳压系数

稳压系数有绝对稳压系数和相对稳压系数两种。绝对稳压系数表示负载不变而输入交流电压变化时，稳压电源输出直流电压变化量△U 0与输入交流电压变化量△Ui

之比，即

i

ΔU ΔU K 0 ()

它表示输入交流电压变化△U，引起输出电压变化△U 0越小输出电压就越稳定。

这种表示方法在工程中常常用到。相对稳压系数表示负载不变时，稳压电源输出直流电压U 0的相对变化量△U 0/ U 0与输入交流电压U ，的相对变化量△Ui/ U 0之比，即

i i U U U U S ∆∆=0

（）

(2)电压调整率

电压调整率表示负载电流为额定值时输入交流电压在额定值上下变化±10%时，稳压电源输出电压的相对变化量(百分数)，即

（)

一般直流稳压电源的电压调整率为1%，%，%等。有的也可以用绝对值表示。

(1)负载调整率(也称电流调整率)

在交流电源额定电压的条件下，负载电流从零变化到最大时，输出电压的最大相对变化量，用百分数表示。

%1000

/⨯∆=U U S i i ()

(2)输出电阻(也称内阻)

在额定输出电压的条件下，负载电流变化L I ∆引起输出电压变化△U 0，则输出电

阻为 L

I U R ∆∆=

00 ()

(3)纹波电压(现称周期和随机漂移，用PARD 表示)

1）最大纹波电压

在额定输出电压和额定输出电流条件下，输出纹波(包括噪声)电压的绝对值大小，通常以峰值或有效值表示。

2）纹波系数γ

在额定输出电压和额定电流条件下，输出纹波电压的有效值Urms 与输出直流电压U 0之比，即 %10000⨯∆=U U S u

%U U γrms 1000

⨯=

()

(4)温度漂移和温度系数 环境温度的变化会影响元器件参数的变化，从而引起稳压电源输出电压的变化，称为温度漂移。常用温度系数表示温度漂移的大小，温度每变化10C 所引起输出电压值的变化uT U ∆称为绝对温度系数，单位是V/0C 或mV/0C 。温度每变化10C 所引起的输出电压相对变化△U 0r/ U 0T 称为相对温度系数，单位是%/0C 。

(5)漂移

稳压电源在输入电压、负载电流和环境温度保持一定的情况下，经过一定的工作时间后元器件参数的不稳定也会造成输出电压的变化，慢变化叫做漂移，快变化叫噪声。在一般使用中只考虑漂移就可以了。

表示漂移的方法有两种，一种是用指定时间内输出电压值的变化△U 0来表示;另一种

是用指定时间内输出电压的相对变化△U o t/U o 、来表示。考察漂移时间可以定为1分

钟、10分钟、1小时、8小时或更长。

现代应用的稳压电源的种类比较多，分类方式也很多。

按稳定对象分有交流稳压电源和直流稳压电源。是交流还是直流要看稳压电源的输出电压是交流还是直流。

按稳定方式分，有参数稳压电源和反馈调整稳压电源。参数稳压电源电路简单，利用元件的非线性实现稳压，结构也简单。比如，用一只电阻和一只可控硅稳压管就能构成参数稳压电源。反馈调整型稳压电源是一个负反馈闭环自动调整系统，它根据稳压电源的输出电压的变化量，经过取样、比较放大、再反馈给控制调整元件，使输出电压得到补偿而趋于原值，从而达到稳定。此电路较复杂，但稳定度高。

按稳压电源的调整元件与负载的联接方式来分类，可以分为并联稳压电源和串联稳压电源两种。调整元件与负载并联的叫并联稳压电源或分流稳压电源，它通过改变调整管元件流过的电流的多少来适应输入电网电压的变化及负载电流的变化，以保持输出电压的稳定。这种稳压电源效率较低，只有某些专用场合才适用。调整元件与负载串联的稳压电源叫做串联稳压电源。在这种稳压电源中，调整元件串联在输入端和输出端之间，输出电压就依靠调整元件改变自身的等效电阻来维持恒定。

按调整元件分，有辉光放电管稳压电源，稳压管稳压电源，电子管稳压电源，晶体管稳压电源，可控硅稳压电源等。按调整元件的工作状态分，有线性稳压电源和开关稳压电源。所谓线性稳压，就是其调整管工作在线性放大区。这种稳压电源

的主要优点是调压范围宽、稳定度高，但变换效率低;开关稳压电源的调整管工作在开关状态，主要的优越性就是变换效率高，可达70%一95%。

根据需要，还可以有其他分类方法，例如集成电极输出型、发射极输出型;高压、低压;通用、专用等。

第二章电源总体方案确定

本课题要求电源可靠性高，电压调节方便，并且电压显示正确、稳定。

所研究稳压电源的技术指标如下：

输入电压：220V交流电压；

输出电压：-24V~24V直流电压；

电源的设计方法有很多种,比较简单的有三种。

所示,该电路中,输出电压UO经取样电路取样后得到取样电压,取样电压与基准电压进行比较得到误差电压,该误差电压对调整管的工作状态进行调整,从而使输出电压发生变化,该变化与由于供电电压U I发生变化引起的输出电压的变化正好相反,从而保证输出电压U O为一恒定值(稳压值) 。因输出电压要求从0V 起实现连续可调,因此要在基准电压处设计一辅助电源,用以控制输出电压能够从0V开始调节。

单纯的串联式直流稳压电源电路是很简单的,但增加了辅助电源后,电路比较复杂,由于都采用分立元件,电路的可靠性也难以保证。

该电路采用可控硅作为第一级调压元件,用稳压电源芯片LM317、LM337 作为第二级调压元件,通过AT89CS51 单片机控制继电器来改变电阻网络的阻值,从而改变调压元件的外围参数,并加上软启动电路,获得0～24V电压,驱动能力可达1A ,同时可以显示电源电压值和输出电流值的大小。其硬件电路主要包括变压器、整流滤波电路、压差控制电路、稳压及输出电压控制电路、电压电流采样电路、掉电前重要数据存储电路、单片机、键盘显示等几部分,。

正、负端压差控制电路的作用是减少LM317 和LM337 输入端和输出端的压差以降低LM317 和LM337 的功耗。稳压电路由三端稳压芯片LM317(负压用LM337) 及外围器件组成,输出电压控制电路采用继电器控制的电阻网络。电阻网络的每个电阻都需要精密匹配,电阻的精密程度直接影响输出电压的精度。电压电流采样电路由单片机控制实时对当前电压电流进行采样,以修正输出电压值。掉电前重要数据存储电路用以保存当前设置的电压值,可以方便用户在重新上电后不用设置,而且也不会因为电压值过高损坏用户设备。该电源稳定性好、精度高,并且能够输出±24V

范围内的可调直流电压,且其性能优于传统的可调直流稳压电源,但是电路比较复杂,成本较高,使用于要求较高的场合。

, 它采用输出电压可调且内部有过载保护的三端集成稳压器,输出电压调整范围较宽,设计一电压补偿电路可实现输出电压从连续可调,因要求电路具有很强的带负载能力,须设计一软启动电路以适应所带负载的启动性能。该电路所用器件较少,成本低且组装方便,可靠性高。

根据要求，我们要实现-24V～24V连续可调，这种要求属于日常应用，因此我们就要做到尽量使电源制作简单，成本低廉，稳定性和精确性较高即可，第3种方案正好能满足要求，因此，选定采用三端集成稳压器组成稳压电路。

为了使稳压电源在使用中更加简便和更具人性化，增加一个数字电压显示模块是一个既简单又实用的方法。

对于数显模块的选择，我们主要有两种方案。

采用双积分A/D转换器MC14433，它有多路调制的BCD码输出端和超量程输出端，采用动态扫描显示，便于实现自动控制。但芯片只能完成A/D转换功能，要实现显示功能还需配合其它驱动芯片等，使得整部分硬件电路板布线复杂，加重了电路设计和实际焊接的工作。

采用双积分A/D转换器ICL7107，它是大规模集成芯片，将模拟电路和数字电路集成在一个有40个功能端的电路内，包含了A/D转换、逻辑控制、译码驱动等电路，只需外接少量元件就能组成三位半数字电压表。电路设计简单，电路板布线不复杂，便于焊接、调试。

电源采用稳压电源提供的±5V输出，显示部分采用共阳极数码管。

由于采用ICL7107芯片连接简单，材料便宜并且较精确，因此，在此次设计中采用ICL7107芯片组成的显示模块电路作为数显模块。

第三章电源模块的设计

在第二章中，我们已经确定使用三端稳压器实现稳压电路，在三端稳压器中最常用的就是78XX和79XX系列芯片，这种芯片的特点是价格低廉，稳压性能好，组成电路简单等特点，又因为我们电源范围是-24V~24V，因此稳压电路我们就选用7824和7924芯片组成。

三端稳压器的工作原理

三端集成稳压器大多采用串联稳压方式。，它由启动电路、基准电路、误差放大器、调整管、取样电阻及保护电路等组成。它与分立元件的串联调整稳压器电路工作原理完全相同。

78XX、79XX稳压集成电路原理框图

。

输出电压是指稳压器的各工作参数符合规定时的输出电压值。对于固定输出稳压器，它是常数;对于可调式输出稳压器，它是输出电压范围。

对于固定输出稳压器，实际输出的电压值和规定的输出电压Vo之间往往有一定的偏差。这个偏差值一般用百分比表示，也可以用电压值表示。

)

/%(%100v ΔV ΔV ΔV S οιο

v ⨯=•

最大输出电流指稳压器能够保持输出电压不变的最大电流。

输人电压值在低于最小输入电压值时，稳压器将不能正常工作。

最大输入电压是指稳压器安全工作时允许外加的最大电压值。

、输出电压差(V i -V o )

它是指稳压器能正常工作时的输入电压U 与输出电压八是最小电压差值。

电压调整率是指当稳压器负载不变而输入的直流电压变化时，所引起的输出电压的相对变化量。S V 常用下式表示:

（）

式中:△V o ——输出电压变化量; △V i ——输入电压变化量。

电压调整率有时也用某一输入电压变化范围内的输出电压变化量表示。 电压调整车用来表征稳压器维持输出电压不变的能力。

电流调整率是指，当输入电压保持不变而输出电流在规定范围内变化时，稳压器输出电压相对变化的百分比，可用下式表示:

%100⨯∆=o

o

i V V S （）

电流调整率有时也用负载电流变化时输出电压的变化量来表示。

输出电压温漂也称输出电压的温度系数。其定义为，在规定的温度范围内，当

输入电压和输出电流不变时，单位温度变化引起的输出电压变化量，用公式表达为:

%100T ⨯∆∆=

•o

o

V T V S （）

式中:△T —温度变化量。

。

输出阻抗指，在规定的输入电压和输出电流的条件下，在输出端上所测得的交流电压与交流电流之比，即

o

o

o dI dV Z =

（） 输出阻抗反映了在动态负载状态下，稳压器的电流调整率。

它是指当稳压器输入端无噪声电压进入时，在其输出端所测得的噪声电压值。输出噪声电压是由稳压器内部产生的，它对许多负载是有害的。

7824芯片的技术指标 7824芯片参数如下图所示

7824芯片参数 7924芯片的技术指标

7924芯片参数如下图所示

7924芯片参数

7824、7924芯片都是定值稳压芯片，而我们要求的是连续可调的直流稳压电源，因此我们必须要设计一个电路，使7824和7924组成的稳压电路可以实现调压功能。

7824、7924稳压集成电路

，由变压器输出交流双向电压经桥式整流对整流，C1、C2滤波得到一直流电压，其中变压器双电源的中心抽头作为公共接地端，然后分别把该直流电压正负极接入7824的1脚和7924的3脚。7824的3脚接到电位器w2的滑动触片“d”上，7924的1脚接到电位器w1的滑动触片“c”上。当将触片“c”滑到“0”端接地时，调节w2，即可从“a”端得到正向可变电压；若将触片“d”滑到“0”端接地，调节w1，在“b”端就可得到负向可变电压，将w1、w2换成同轴电位器，将获得正负对称的可调电源，输出电压值连续可调，可达到同步调节的目的。

输出电压U

应与稳压电源要求的输出电压的大小范围相同，稳压电路的最大允

许电流I

CM

0max

,稳压电路的输入电压范围为

max

min

min

max)

(

)

(o

i

o

i

o

i

o U

U

U

U

U

U

U-

+

≤

≤

-

+（）

式中：U

omax

—最大输出电压

U

omin

—最小输出电压

（U

i -U

o

)

min

—稳压块最小输入输出压差

（U

i -U

o

)

max

—稳压块最大输入输出压差

通常情况下我们取输入电压U

i 比输出电压U

o

大6V

通常根据变压器副边输出的功率P o来选择变压器。对于容性的负载，变压器副

边的输出电压U

2与稳压器输入电压U

i

的关系为

)2.1~1.1()2.1~1.1(max

2min i i U U U ≤≤ （）

副边电流的取值标准为

max 2o I I >

（）

整流二极管VD 的反向击穿电压URM 应满足

22U U RM > （）

额定工作电流IF 应满足 max o F I I > （）

滤波电容C 的容量估算公式为 p

ip c U t

I C -∆> （）

式中：ΔU ip-p —稳压器输入端纹波电压的峰-峰值 I c —电容C 放电电流 t —电容C 放电时间，t=T/2=

滤波电容C 的耐压值应大于22U ，也可用下式估算

min

max

2)5~3(i o U I T

C ≥ （）

根据以上各式确定数值后，电路图如下：