簡易可編程直流穩(wěn)壓電源的設(shè)計(jì)

1、目 錄第一部分 系統(tǒng)設(shè)計(jì)1.1 設(shè)計(jì)題目及要求 31.2 總體設(shè)計(jì)方案 31.2.1 設(shè)計(jì)思路 31.2.2 方案論證與比較 4第二部分 單元電路設(shè)計(jì) 2.1 單元電路及其工作原理或功能說明 102.2 單元電路元件的選取與計(jì)算 19 第三部分 整機(jī)電路 3.1 整機(jī)電路圖 21 3.2 元件清單 22 第四部分 性能指標(biāo)的測試 4.1 電路調(diào)試 23 4.1.1 測試儀器與設(shè)備 234.1.2 功能指標(biāo)測試及測量數(shù)據(jù) 23 4.1.3 故障分析及處理 24 4.2 電路實(shí)現(xiàn)的功能和系統(tǒng)使用說明 24 第五部分 課程設(shè)計(jì)總結(jié) 25第一部分 系統(tǒng)設(shè)計(jì)1.1 設(shè)計(jì)題目及要求設(shè)計(jì)題目：設(shè)計(jì)制作一個(gè)簡

2、易的可編程直流穩(wěn)壓電源。1、基礎(chǔ)功能：（1）可實(shí)現(xiàn)5v、9v、12v和15v的可編程直流穩(wěn)壓電源；（2）負(fù)載電流：IO=500mA；（3）紋波電壓：VO<10mV；（4）采用單15V變壓器作電源輸入。2、發(fā)揮部分：（1）對指定的任意一種電壓進(jìn)行選擇和保持，保持時(shí)間為4S ，保持后返回巡回狀態(tài)。（2）通過數(shù)碼管顯示當(dāng)前電壓的大小，用0、1、2、3分別表示5V、9V、12V、15V。1.2 總體設(shè)計(jì)方案1.2.1設(shè)計(jì)思路根據(jù)電路所要實(shí)現(xiàn)的功能可將整個(gè)電路劃分為六部分組成：時(shí)鐘脈沖電路、保持電路、計(jì)數(shù)電路、邏輯控制電路、功率輸出電路、顯示電路。每一個(gè)模塊都有一個(gè)或幾個(gè)主要芯片或器件組成。對于時(shí)

3、鐘產(chǎn)生電路，首先要設(shè)計(jì)一個(gè)周期為1s的時(shí)鐘脈沖信號，選擇NE555和一些電阻電容接成周期為1s的多諧振蕩器，主要為計(jì)數(shù)電路部分提供時(shí)鐘。保持電路的設(shè)計(jì)與脈沖電路的設(shè)計(jì)類似，也采用NE555構(gòu)成的電路，但是原理上保持電路是將555設(shè)計(jì)成一個(gè)單穩(wěn)態(tài)電路，通過開關(guān)實(shí)現(xiàn)觸發(fā)，輸出產(chǎn)生4s的暫穩(wěn)態(tài)。由于暫穩(wěn)態(tài)為高電平，所以需要連接一個(gè)反相器。反相器的輸出端與計(jì)數(shù)電路74LS161的P端連接，形成4s的保持電路。該電路主要用于實(shí)現(xiàn)對當(dāng)選定輸出電壓進(jìn)行保持，保持時(shí)間為4S，保持完后返回巡回狀態(tài)。計(jì)數(shù)電路由四位二進(jìn)制的74LS161芯片構(gòu)成計(jì)數(shù)電路，此芯片還有保持功能。時(shí)鐘輸入端即由時(shí)鐘電路輸入，輸出端只需用

4、到低兩位即可控制4個(gè)電壓輸出的循環(huán)轉(zhuǎn)換。邏輯控制電路主要用來控制計(jì)數(shù)器保持在相應(yīng)的計(jì)數(shù)值上，邏輯門電路用來檢測四個(gè)按鍵的狀態(tài)，并將信息傳達(dá)至計(jì)數(shù)器的預(yù)置數(shù)上，從而控制模擬開關(guān)選通對應(yīng)通道實(shí)現(xiàn)對應(yīng)電阻的接入進(jìn)而控制輸出電壓的大小。主功率部分主要由LM317構(gòu)成，LM317的輸出端和調(diào)整端之間接一個(gè)電阻產(chǎn)生恒定電流，公共端和地之間為4個(gè)不同阻值的電阻，控制模擬開關(guān)接通相應(yīng)電阻使恒定電流流經(jīng)這些電阻則產(chǎn)生不同的電壓。這4個(gè)電阻的通用三極管作為開關(guān)來控制，三極管由模擬開關(guān)控制，模擬開關(guān)由計(jì)數(shù)器控制其巡回選通。顯示電路主要由CD4511和數(shù)碼管構(gòu)成，CD4511是專用于將二-十進(jìn)制代碼（BCD）轉(zhuǎn)換成七

5、段顯示的專用譯碼器。輸入端可以直接連接計(jì)數(shù)電路輸出端的低兩位，輸出端連接LED數(shù)碼管對應(yīng)段選端，通過電平變化顯示相應(yīng)的數(shù)字，用0，1，2，3分別表示輸出5V，9V，12V和15V。模塊結(jié)構(gòu)圖：時(shí)鐘脈沖電路單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器計(jì)數(shù)器電路按鍵+邏輯門譯碼顯示電路模擬開關(guān)控制電路1.2.2方案論證與比較方案主要分析比較功率輸出、電壓選通以及保持電路部分。1.2.2.1功率輸出電路功率輸出部分有四個(gè)檔位，分別輸出5V，9V，12V和15V，可以采用專門的固定電壓電源芯片，也可以使用輸出可調(diào)節(jié)的電源芯片以及用運(yùn)放搭建的反饋控制電路。以下對這三種方案對比論證。方案一：使用LM78XX系列穩(wěn)壓芯片，即LM7805，

6、 LM7809， LM7812， LM7815構(gòu)成四路不同的穩(wěn)壓輸出。只要選通對應(yīng)的穩(wěn)壓芯片支路就可以實(shí)現(xiàn)對應(yīng)的電壓輸出。方案二： 在運(yùn)放同相輸入端接一個(gè)穩(wěn)壓管，再從輸出電壓中采樣并引入負(fù)反饋到運(yùn)放反相輸入端，反饋電壓與運(yùn)放同相輸入端的固定電壓比較放大，運(yùn)放輸出電壓用來控制功率管的導(dǎo)通程度從而起到控制輸出電壓大小的目的。方案三：使用芯片LM317，通過模擬開關(guān)選擇相應(yīng)的電阻接入，從而達(dá)到控制電壓輸出的目的。方案論證與比較：第一種方案中四路電路輸出電壓相互獨(dú)立，輸出精確穩(wěn)定，紋波較小，電路原理簡單易懂。缺點(diǎn)是需要4個(gè)78XX芯片，所需其它元件也多，成本較高,而第二種方案優(yōu)點(diǎn)是成本較低，只要由運(yùn)放

7、和功率管構(gòu)成，電路比較簡單，缺點(diǎn)是輸出紋波較大，輸出電流受三極管放大倍數(shù)的影響。第三種方案電路簡單，成本較低，缺點(diǎn)是溫度變化時(shí)電阻值會受到影響，輸出電壓也會有所偏移。綜上所述,考慮成本等因素決定采用方案三。1.2.2.2預(yù)置數(shù)電路方案一： 采用八位優(yōu)先編碼器CD4532，低四位與按鍵連接，當(dāng)按鍵接通時(shí)高電平輸入優(yōu)先編碼器輸入端，從而產(chǎn)生編碼輸出，編碼輸出連接至計(jì)數(shù)器預(yù)置數(shù)輸入端，從而實(shí)現(xiàn)按鍵按下時(shí)實(shí)現(xiàn)任意電壓輸出的目的。方案二： 采用與門和與非門產(chǎn)生對應(yīng)的二進(jìn)制編碼，將編碼輸出至74LS161的預(yù)置數(shù)輸入端實(shí)現(xiàn)任意四檔電壓輸出。方案論證與比較：方案一電路簡單，只需一個(gè)優(yōu)先編碼器和一些外圍元件，

8、方案二采用門電路芯片，電路相對也簡單，但由于在4S保持電路上使用了一個(gè)非門，芯片上還剩下幾個(gè)與非門，因此為了利用剩余的門電路于是采用方案二。1.2.2.3 4S保持電路方案一： 用一個(gè)電阻和電容組成充放電路，一個(gè)三極管起反相作用。方案二：用一個(gè)555設(shè)計(jì)成單穩(wěn)觸發(fā)器，在555輸出端接一個(gè)與非門實(shí)現(xiàn)非門功能，從而當(dāng)555處于咱穩(wěn)態(tài)時(shí)與非門輸出低電平使計(jì)數(shù)器暫停計(jì)數(shù)。方案論證與比較： 方案一優(yōu)點(diǎn)是電路簡單，成本低，缺點(diǎn)是由于要界定三極管導(dǎo)通的準(zhǔn)確電壓，因此時(shí)間不易精確計(jì)算。方案二理論上可以計(jì)算出比較精確的時(shí)間，成本稍高但也簡單易于實(shí)現(xiàn)，因此采用方案二。第二部分 單元電路設(shè)計(jì)2.1單元電路及其工作原

9、理或功能說明2.1.1時(shí)鐘脈沖電路2.1.1.1電路工作原理電路利用NE555和外接電阻電容組成多諧振蕩器，產(chǎn)生周期為1s的矩形脈沖。外接電容兩端電壓會在1/3Vcc和2/3Vcc之間不斷變化，由此每經(jīng)過一個(gè)周期就能輸出一個(gè)矩形脈沖。只要選擇合適的電阻以及電容就可以使得矩形脈沖波形的周期是1s。2.1.1.2器件說明NE555芯片管腳圖：NE555的功能表：輸入輸出狀態(tài)0低導(dǎo)通12/3Vcc1/3Vcc低導(dǎo)通12/3Vcc1/3Vcc不變不變12/3Vcc1/3Vcc高截至12/3Vcc1/3Vcc高截至2.1.2 4S保持電路2.1.2.1電路工作原理對輸出電壓和數(shù)碼管顯示的任意增益保持4秒

10、，用NE555構(gòu)成單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器來對計(jì)數(shù)器進(jìn)行保持。單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器有如下幾個(gè)特點(diǎn)：1.單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器有穩(wěn)態(tài)和暫穩(wěn)態(tài)兩個(gè)不同的工作狀態(tài)；2.在外界觸發(fā)脈沖作用下，能從穩(wěn)態(tài)翻轉(zhuǎn)到暫穩(wěn)態(tài)，在暫穩(wěn)態(tài)維持一段時(shí)間以后，再自動返回穩(wěn)態(tài)；3暫穩(wěn)態(tài)維持時(shí)間的長短取決于電路本身的參數(shù)，與觸發(fā)脈沖的寬度和幅度無關(guān)。由于單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器有以上幾個(gè)特點(diǎn)，所以用它來實(shí)現(xiàn)選擇任一檔位保持4秒后，再回到原來的檔位循環(huán)之中。2.1.2.2器件說明器件說明與2.1.1.2相同2.1.3 計(jì)數(shù)電路2.1.3.1電路工作原理74LS161計(jì)數(shù)器對由NE555構(gòu)成的多諧振蕩器所產(chǎn)生的時(shí)鐘進(jìn)行計(jì)數(shù)，其輸出為四位二進(jìn)制數(shù)。因?yàn)橐还灿?個(gè)電壓檔次，

11、所以我們只需用到輸出的后兩位按照00，01，10，11循環(huán)，并用0、1、2、3顯示。71LS161還具有計(jì)數(shù)保持功能，當(dāng)555保持電路輸出4S低電平到計(jì)數(shù)器保持控制端時(shí)，計(jì)數(shù)器輸出端會保持四秒不變。由于保持信號低電平有效，所以在輸入保持信號時(shí)要與一個(gè)74LS00的與非門連接。將產(chǎn)生的4s高電平信號轉(zhuǎn)換為低電平信號。2.1.3.2器件說明芯片管腳圖：74LS161功能表：CPEPET工作狀態(tài)0置零10預(yù)置數(shù)1101保持110保持（但C=0）1110計(jì)數(shù)2.1.4邏輯門電路2.1.4.1電路工作原理 門電路只要有兩部分功能，其中一部分用來檢測按鍵狀態(tài)，當(dāng)有按鍵按下時(shí)門電路最終輸出高電平到NE555

12、的觸發(fā)端使其輸出4S的高電平脈沖，再經(jīng)與非門反相后輸出到計(jì)數(shù)器保持端使計(jì)數(shù)器暫停計(jì)數(shù)。另外一部分門電路用來檢測不同按鍵的接通從而輸出對應(yīng)的兩位二進(jìn)制數(shù)到計(jì)數(shù)器的預(yù)置數(shù)端并使能計(jì)數(shù)器的預(yù)置數(shù)功能，最終計(jì)數(shù)器輸出對應(yīng)二進(jìn)制數(shù)值使電壓輸出為對應(yīng)值同時(shí)數(shù)碼管顯示對應(yīng)的數(shù)字。2.1.4.2器件說明芯片管腳圖： （74LS00） （74LS08）芯片功能表：74LS00真值表： 74LS08真值表：A1 B=1  Y=0 A1 B=1  Y=1A0 B=1  Y=1 A0 B=1  Y=0A1 B=0  Y=1 A1 B=0  Y=0A0 B=0

13、  Y=1 A0 B=0  Y=02.1.5功率輸出電路2.1.5.1電路工作原理 計(jì)數(shù)器輸出兩位二進(jìn)制數(shù)到模擬開關(guān)CD4052的選擇端，當(dāng)計(jì)數(shù)器輸出為00，01，10，11時(shí)，模擬開關(guān)的X端分別接通X0，X1，X2和X3，X端接至VCC，X0，X1，X2和X3接至NPN管的基極，當(dāng)模擬開關(guān)接通某一端時(shí)，對應(yīng)三極管導(dǎo)通從而對應(yīng)電阻通過三極管接至GND。每一通過的電阻值不相同，從而可以實(shí)現(xiàn)四個(gè)檔位電壓的輸出。2.1.5.2器件說明CD4052管腳與功能：LM317器件與功能：LM317調(diào)整端與輸出端固定電壓為1，25V，只要在兩端接一定值電阻就能產(chǎn)生恒定電流，在調(diào)整端與地之間

14、接上電阻就可以產(chǎn)生一定電壓從而改變輸出端到地的電壓，通過模擬開關(guān)選擇不同的電阻就能輸出不同電壓。2.1.6顯示電路2.1.6.1電路工作原理CD4511是七段數(shù)碼管專用譯碼芯片，將其abcdefg端口和數(shù)碼管對應(yīng)的端口相連接就能實(shí)現(xiàn)譯碼顯示功能。在本電路中將其BA端與計(jì)數(shù)器輸出相連，當(dāng)計(jì)數(shù)器最低兩位輸出為00，01，10，11時(shí)數(shù)碼管顯示0，1，2，3.從而與輸出電壓5V，9V，12V，15V對應(yīng)。2.1.6.2器件說明CD4511器件管腳與功能：2.2電路元件的選取與計(jì)算2.2.1時(shí)鐘脈沖電路由于時(shí)鐘頻率為1HZ,所以電容充電時(shí)間 T1=(R1+R2)C1ln2 放電時(shí)間 T2=R2C1ln

15、2故電路的周期為：T=T1+T2=(R1+2R2)C1ln2=1s,通過計(jì)算的選擇合適的占空比以及T=1S可以計(jì)算出R1=R2=22K; C1=22F2.2.2保持電路 對于555組成的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器，因?yàn)橐髥畏€(wěn)態(tài)電路產(chǎn)生保持時(shí)間為4s,所以T=R3C2ln3=1.1R3C2=4S, 取C2=100uf計(jì)算得到R3=36K.2.2.3邏輯門電路 門電路中用到按鍵檢測，由于未按下時(shí)門電路輸入為高電平，因此按鍵處需要用到上拉電阻，此處上拉用4個(gè)3.6K電阻。2.2.4功率輸出電路 根據(jù)LM317的器件特性,調(diào)整端與輸出端電阻上的電流在5mA到15mA之間比較好,這里取R8=100,則其電流為I=1

16、.25/100=12.5mA.因此Uo=由以上公式,各輸出電壓對應(yīng)的Rx阻值如下:Uo=5 V時(shí), RW1=300 ; Uo=9 V時(shí), RW2=620;Uo=12 V時(shí), RW3=860 ; Uo=15 V時(shí), RW4=1100 ;考慮到電阻的實(shí)際誤差，所以此本設(shè)計(jì)中RW1、RW2和RW3都用1K的多圈電位器代替，RW4則由一個(gè)220與一個(gè)1K的多圈電位器串聯(lián)組成。2.2.5顯示電路 顯示電路中單個(gè)數(shù)碼管通過的最大電流一般設(shè)為幾十個(gè)毫安，因此在數(shù)碼管共陰端到地之間接一個(gè)100的電阻。 第三部分 整機(jī)電路3.1整機(jī)電路圖器件名稱 參數(shù)與數(shù)量 定值電阻22K×2 36K×1

17、3.6K×8 100×2 220×1 多圈電位器 0999×4 電容10nF×2 100nF×7（去耦電容） 22uF×12200uF×1 220uF×3 100uF×2 數(shù)碼管 共陰×1 按鍵開關(guān) 4個(gè) 集成芯片74LS00×1 74LS08×1 NE555×2 74LS161×1CD4511×1 CD4052×1 LM317×13.2元件清單第四部分 性能指標(biāo)的測試4.1 電路調(diào)試4.1.1 測試儀器與設(shè)備1、數(shù)

18、字萬用表2、水泥負(fù)載電阻4.1.2 模塊指標(biāo)測試及測量數(shù)據(jù)4.1.2.1時(shí)鐘脈沖電路在時(shí)鐘脈沖的輸出端接一電阻和發(fā)光二極管到地即可根據(jù)發(fā)光二極管的亮滅粗略計(jì)算時(shí)鐘周期，經(jīng)測試其周期約為1S，符合設(shè)計(jì)要求。4.1.2.2保持電路 保持電路的測試方法與時(shí)鐘脈沖的測試方法類似，根據(jù)發(fā)光二極管的亮滅情況得出其暫穩(wěn)態(tài)時(shí)間約為4S，同樣符合設(shè)計(jì)要求。4.1.2.3計(jì)數(shù)電路 在計(jì)數(shù)器的輸出端的低兩位接上二極管串聯(lián)上電阻到地，觀察二極管的放光情況。以亮表示為1，滅表示為0，則可以看到二極管以00，01，10，11的順序循環(huán)變化，切換時(shí)間為1S。4.1.2.4邏輯門電路 邏輯電路主要用來檢測按鍵的狀態(tài)，輸出接至

19、計(jì)數(shù)器預(yù)置數(shù)端。測試時(shí)分別按住不同的按鍵，同時(shí)用萬用表電壓擋測量預(yù)置數(shù)的B、A端電平，以1表示高電平，0表示低電平。當(dāng)按鍵0，1，2，3分別按下時(shí)，B、A端口電平為00，01，10，11，同時(shí)觸發(fā)保持電路，計(jì)數(shù)器暫停計(jì)數(shù)并使能預(yù)置數(shù)。因此門電路部分工作正常。4.1.2.5功率輸出電路 先將四路電位器調(diào)至設(shè)定值，然后上電，再分別長按四個(gè)按鍵，用萬用表測量輸出電壓，然后微調(diào)電位器，最后萬用表顯示電壓分別為5.008V，9.003V，11.98V和15.01V。最后用萬用表的毫伏擋測量輸出電壓紋波，分別為2mV，3mV，5mV和8mV，其最大紋波電壓小于要求的10mV指標(biāo)。輸出電壓 5.008V 9

20、.003V 11.98V 15.01V 輸出紋波 2mV 3mV 5mV 8mV4.1.3 故障分析及處理故障一： 首次通電后發(fā)現(xiàn)數(shù)碼管不能正常顯示，并且顯示較暗。經(jīng)檢查發(fā)現(xiàn)輸入譯碼芯片的二進(jìn)制數(shù)正常，于是問題應(yīng)該出現(xiàn)在譯碼芯片上，因此再用萬用表測量芯片的供電管腳VCC電壓，發(fā)現(xiàn)還不到3V，于是順藤摸瓜沿著VCC線路檢查后發(fā)現(xiàn)了PCB板上線路有一處出現(xiàn)了短路，可能是腐蝕過程中被侵蝕。故障二： 當(dāng)電路顯示部分正常以后于是測量輸出電壓，但發(fā)現(xiàn)最大輸出電壓只有8V多，遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到15V，檢查模擬開關(guān)輸入的二進(jìn)制數(shù)沒有問題，后來又發(fā)現(xiàn)調(diào)節(jié)某一擋位電位器時(shí)其它三路的輸出電壓也會改變，也就是說四路沒有完全隔

21、絕，而各路電阻的選通是通過三極管來實(shí)現(xiàn)的。于是檢查三極管的基極電壓，發(fā)現(xiàn)未選通的三極管基極電壓也超過0.6V，開始以為是模擬開關(guān)輸出電壓不夠低從而使三極管不能有效截止，于是斷開模擬開關(guān)與三極管的基極，但還是發(fā)現(xiàn)三極管基極電壓超過0.6V且三極管都是新的，不可能損壞，于是干脆拿幾個(gè)1K的電阻將三極管的基極下拉到地，然而三極管仍然處于導(dǎo)通狀態(tài)。最后經(jīng)過仔細(xì)檢查才發(fā)現(xiàn)原來三極管的管腳是E、B、C,但焊接的時(shí)候誤以為是C、B、E了，也就是說將C和E極反過來了。原來三極管由于C、E結(jié)的不同，C、E反接后會產(chǎn)生漏電流，從而導(dǎo)致三極管不能有效截止。最終將三極管重新正確焊接以后故障就排除了。4.2 電路實(shí)現(xiàn)的

22、功能和系統(tǒng)使用說明 電路的功能是巡回輸出5V，9V，12V和15V的電壓，巡回切換時(shí)間為1S，由NE555構(gòu)成的多諧振蕩器產(chǎn)生頻率為1HZ的時(shí)鐘輸出到74LS161計(jì)數(shù)器中。此外電路還具有任意擋電壓輸出并保持功能，按鍵0，1，2，3分別按下時(shí)電壓輸出分別為5V，9V，12V和15V并保持4秒時(shí)間，然后繼續(xù)進(jìn)入巡回狀態(tài)。電路還具有顯示功能，電路輸出5V，9V，12V和15V時(shí)數(shù)碼管分別顯示0，1，2，3從而達(dá)到提示的作用。 第五部分 課程設(shè)計(jì)總結(jié)這次課程設(shè)計(jì)開始時(shí)我就選擇了簡易可編程穩(wěn)壓電源這道題目，因?yàn)殡娫幢容^實(shí)用于是就打算做成PCB板，于是托人買了散熱片和一些接插件。課程設(shè)計(jì)開始后首先開始的是進(jìn)行電路的設(shè)計(jì)，其中LM317部分的電路比較簡單，只需要接入不同的電阻就能實(shí)現(xiàn)不同電壓的輸出。于是用到模擬開關(guān)選通不同的通路。時(shí)鐘電路和保持電路都可以用所學(xué)的555芯片來實(shí)現(xiàn)，計(jì)數(shù)方面則用74LS161。顯示電路也比較簡單，只要使用一個(gè)CD4511就能很方便實(shí)現(xiàn)數(shù)碼管顯示功能。電路的設(shè)計(jì)難點(diǎn)在于擴(kuò)展功能部分，因?yàn)橐髮?shí)現(xiàn)