簡(jiǎn)易可編程直流穩(wěn)壓電源的設(shè)計(jì)方案

1、 /24目錄第一部分系統(tǒng)設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)題目及要求3總體設(shè)計(jì)方案3設(shè)計(jì)思路3方案論證與比較4第二部分單元電路設(shè)計(jì)單元電路及其工作原理或功能說(shuō)明10單元電路元件的選取與計(jì)算19第三部分整機(jī)電路整機(jī)電路圖21元件清單22第四部分性能指標(biāo)的測(cè)試電路調(diào)試23測(cè)試儀器與設(shè)備23功能指標(biāo)測(cè)試及測(cè)量數(shù)據(jù)23故障分析及處理244.2電路實(shí)現(xiàn)的功能和系統(tǒng)使用說(shuō)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)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(jiǎn)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：VO10mV；4）采用單15V變壓器作

2、電源輸入。2、發(fā)揮部分：1）對(duì)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)。1/3Vcc低導(dǎo)通1V2/3Vcc1/3Vcc不變不變1V2/3VccV1/3Vcc高截至12/3VccV1/3Vcc高截至2.1.24S保持電路2.1.2.1電路工作原理2.1.2.1電路工作原理對(duì)輸出電壓和數(shù)碼管顯示的任意增益保持4秒，用NE555構(gòu)成單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器來(lái)對(duì)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)：?jiǎn)畏€(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)；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(dòng)返回穩(wěn)態(tài)；3暫穩(wěn)態(tài)維持時(shí)間的長(zhǎng)短取決于電路本身的參數(shù)，與觸發(fā)脈

3、沖的寬度和幅度無(wú)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(lái)實(shí)現(xiàn)選擇任一檔位保持4秒后，再回到原來(lái)的檔位循環(huán)之中。2.1.2.2器件說(shuō)明器件說(shuō)明與2.1.1.2相同2.1.3計(jì)數(shù)電路電路工作原理74LS161計(jì)數(shù)器對(duì)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，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(huì)保持四秒不變。由于保持信號(hào)低電平有效，所以在輸入保持信號(hào)時(shí)要與一個(gè)74LS00的與非門(mén)連接。將產(chǎn)生的4

4、s高電平信號(hào)轉(zhuǎn)換為低電平信號(hào)。2.1.3.2器件說(shuō)明芯片管腳圖：vccCoQoQiQ2QsTLD1|2|3|4|5|6|7|8RCPABCDPGND74LS161功能表：CP兇EPET工作狀態(tài)J0置零ri10B預(yù)置數(shù)j1101保持j11B0保持但C=0)ri1110計(jì)數(shù)2.1.4邏輯門(mén)電路2.1.4.1電路工作原理門(mén)電路只要有兩部分功能，其中一部分用來(lái)檢測(cè)按鍵狀態(tài)，當(dāng)有按鍵按下時(shí)門(mén)電路最終輸出高電平到NE555的觸發(fā)端使其輸出4S的高電平脈沖，再經(jīng)與非門(mén)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(mén)電路用來(lái)檢測(cè)不同按鍵的接通從而輸出對(duì)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

5、數(shù)功能，最終計(jì)數(shù)器輸出對(duì)應(yīng)二進(jìn)制數(shù)值使電壓輸出為對(duì)應(yīng)值同時(shí)數(shù)碼管顯示對(duì)應(yīng)的數(shù)字。2.1.4.2器件說(shuō)明芯片管腳圖：陶u4A!14p34B4YTTTT3Y10陶u4A!14p34B4YTTTT3Y103E33A9|JL;丄LTP1AIBnrnwnI.Y2Y2BY=AB石LzJ2AGMD74LS00)iT冋iTiii698r-L盤(pán)JLLLj4Fun4A4B4Y鋼3B3AIAIBl2Y2B2AGNDY=ABC1ln2放電時(shí)間T2=R2C1ln2故電路的周期為：T=T1+T2=(R1+2R2C1加2=1s，通過(guò)計(jì)算的選擇合適的占空比以及T=1S可以計(jì)算出R1=R2=22KQ。C1=22/JF保持電路對(duì)

6、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二R3C2ln3=l.lR3C2=4,取C2=100uf計(jì)算得到R3=36K.邏輯門(mén)電路門(mén)電路中用到按鍵檢測(cè)，由于未按下時(shí)門(mén)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。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=1.25/100=12.5mA.因此Uo=由以上公式，各輸出電壓對(duì)應(yīng)的Rx阻值如Uo=5V時(shí),RW1=300J。Uo=9V時(shí),RW2=620。Uo=12V時(shí),RW3=860。Uo=15V時(shí)，RWllOO

7、?？紤]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。顯示電路顯示電路中單個(gè)數(shù)碼管通過(guò)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)電路第三部分整機(jī)電路整機(jī)電路圖元件清單部分性能指標(biāo)的測(cè)試部分性能指標(biāo)的測(cè)試器件名稱(chēng)參數(shù)與數(shù)量定值電阻22KX236KX13.6KX8100X2220X1多圈電位器0999列X4電容10nFX2100nFX7v去耦電容）22uFX12200uFX1220uFX3100uFX2數(shù)碼管共陰X1按鍵開(kāi)關(guān)4個(gè)集成芯片74LS00X174LS08X1N

8、E555X274LS161X1CD4511X1CD4052X1LM317X14.1電路調(diào)試4.1.1測(cè)試儀器與設(shè)備1、數(shù)字萬(wàn)用表2、水泥負(fù)載電阻模塊指標(biāo)測(cè)試及測(cè)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(cè)試其周期約為IS,符合設(shè)計(jì)要求。保持電路保持電路的測(cè)試方法與時(shí)鐘脈沖的測(cè)試方法類(lèi)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。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)

9、間為1S。邏輯門(mén)電路邏輯電路主要用來(lái)檢測(cè)按鍵的狀態(tài),輸出接至計(jì)數(shù)器預(yù)置數(shù)端。測(cè)試時(shí)分別按住不同的按鍵，同時(shí)用萬(wàn)用表電壓擋測(cè)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(mén)電路部分工作正常。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(zhǎng)按四個(gè)按鍵，用萬(wàn)用表測(cè)量輸出電壓，然后微調(diào)電位器，最后萬(wàn)用表顯示電壓分別為5.008V，9.003V，11.98V和15.01V。最后用萬(wàn)用表的毫伏擋測(cè)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

10、求的10mV指標(biāo)。輸出電壓5.008V9.003V11.98V15.01V輸出紋波2mV3mV5mV8mV4.1.3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(wèn)題應(yīng)該出現(xiàn)在譯碼芯片上，因此再用萬(wàn)用表測(cè)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(guò)程中被侵蝕。故障二：當(dāng)電路顯示部分正常以后于是測(cè)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(kāi)關(guān)輸入的二進(jìn)制數(shù)沒(méi)有問(wèn)題，后來(lái)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(huì)改變，也

11、就是說(shuō)四路沒(méi)有完全隔絕，而各路電阻的選通是通過(guò)三極管來(lái)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(guò)0.6V，開(kāi)始以為是模擬開(kāi)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(kāi)模擬開(kāi)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(guò)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(guò)仔細(xì)檢查才發(fā)現(xiàn)原來(lái)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(shuō)將C和E極反過(guò)來(lái)了。原來(lái)三極管由于C、E結(jié)的不同，C、E反接后會(huì)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

12、。電路實(shí)現(xiàn)的功能和系統(tǒng)使用說(shuō)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(kāi)始時(shí)我就選擇了簡(jiǎn)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(mǎi)了散熱片和一些接插件。課程設(shè)計(jì)開(kāi)始后首先

13、開(kāi)始的是進(jìn)行電路的設(shè)計(jì)，其中LM317部分的電路比較簡(jiǎn)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(kāi)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(lái)實(shí)現(xiàn)，計(jì)數(shù)方面則用74LS161。顯示電路也比較簡(jiǎn)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)任意擋次電壓的輸出，于是想到用四個(gè)按鍵來(lái)對(duì)應(yīng)不同擋次電壓的輸出，并且想到運(yùn)用門(mén)電路來(lái)識(shí)別不同按鍵的按下。最終理論上的設(shè)計(jì)成功確定了方案。理論電路方案確定后接下來(lái)就利用AltiumDesigner進(jìn)行電路原理圖的繪制和PCB板的布線工作，經(jīng)過(guò)一整天的努力軟件部分的電路繪制

14、和布板也完成了。接著就到創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)室做板腐蝕，又搞了一晚上終于把板做好了，剩下的工作就是元件的焊接安裝以及電路的調(diào)試工作了。當(dāng)晚回去宿舍把電路焊接了一大半，到了次日早上又把剩余的元件焊接完成，至此，電路的元件安裝已經(jīng)全部完成，最后一個(gè)環(huán)節(jié)就是上電調(diào)試。一般情況下,上電后一切工作正常的概率還是比較小的,這塊電路板也不例外，上電后就發(fā)現(xiàn)電路的顯示部分不正常，于是檢查譯碼芯片的供電，最后發(fā)現(xiàn)是因?yàn)槎叹€造成的芯片供電故障，排除以后就恢復(fù)正常顯示了，這一部分相對(duì)來(lái)說(shuō)比較容易解決。另外一個(gè)故障確實(shí)花費(fèi)了我不少時(shí)間，整整弄了一個(gè)下午。那就是電路的主輸出部分，發(fā)現(xiàn)輸出電壓最大只有8V,經(jīng)過(guò)認(rèn)真的檢查才最終發(fā)現(xiàn)是因?yàn)楫?dāng)開(kāi)關(guān)用的NPN三極管的C、E極焊接反了，從而造成四路電阻不能隔絕。最終把這個(gè)故障排除后電路才最終完全正常工作。從這次穩(wěn)壓電源的設(shè)計(jì)來(lái)看,題目體現(xiàn)了模數(shù)結(jié)合的特點(diǎn)，也讓我體驗(yàn)