可调数显稳压电源
一 实验目的
1学习直流稳压电源方面的基础知识； 2完成可调数显稳压电源的方案选择；
3完成可调数显稳压电源的软硬件设计、开发及调试。
二 实验仪器与设备 1.数字示波器 2数字万用表
3仿真软件Multisim 4模拟电子技术实验箱 5 数字电子技术实验箱
三 实验原理与实现方案
1 小功率直流稳压电源的基本原理
稳压电源的输出电压，是相对稳定而并非绝对不变的，它只是变化很小，小到可以允许的范围之内。产生这些变化的原因：一是因电网输入电压不稳定所导致。二是因为供电对象而引起的，即出负载变化形成的。三是由稳压电源本身条件促成的。第四，元器件因受温度、湿度等环境影响而改变性能也会影响稳压电源输出不稳。一般地，稳压电源电路的设计首先要考虑前两种因素，并针对这两种因素设计稳压电源中放大器的放大倍数等。在选择元器件时，就要重点考虑第三个因素。在设计高精度稳压电源时，必须要高度重视第四个因素。因为在高稳定度电源中，温度系数和漂移这两个关键的技术指标的好坏都是由这个因素所决定的。
一般直流稳压电源是由电源变压器、整流电路、滤波电路和稳压电路四个部分组成 如图1所示：
电网电压电源变压器整流电路滤波电路稳压电路输出至负载
图1直流稳压电源的基本组成
电源变压器是将交流电网220V的电压变为所需要的交流电压值。整流电路的作用是将交流电压变成单方向脉动的直流电压；滤波电路将脉动直流中的高次谐波成分滤除，减少谐波成分，增加直流成分；稳压电路采用负反馈技术，进一步稳定整流后的直流电压。 2 可调数显稳压电源的实现方案 （1）整体方案
经过系统地分析与比较，我们采用以下方案来实现可调数显稳压电源系统的设计：该系统主要由变压器、整流电路、滤波电路、可调稳压模块和数显模块等组成，其中在数显模块上分别采用由ADC0809与数字芯片搭建的数字电路来实现。对于各个模块的设计与分析，我们将在以下的报告中给出详细的说明。
（2）整流电路
整流电路利用二极管的单向导电作用将交流电压变成单方向脉动的直流电压，本实验采用单向桥式整流电路。单向桥式整流是四个二极管接成的电桥，其输出电压脉动较小，正负半周均有电流流过，电源利用率高，输出的直流电压比较高。所以桥式整流电路中变压器的效率较高，在同等功率容量条件下，体积可以小一些，其总体性能优于单相半波和单相全波
整流电路，如图2所示
图2 单向桥式全波整流电路
该电路工作原理如下：设次级变压器的交流电压为vi?2Vsin?t。当vi > 0时，二极管D2及D3导通，D1及D4截止，电流从A端沿D2→RL→D3流向B端；当vi < 0时，D2及D3截止，D1及D4导通，电流从B端沿D4→RL→D1流向A端。
不论输入信号的正半周还是负半周，在负载电阻RL上的电压方向始终是一致的，即vo
是单方向全波脉动电压。其傅里叶级数展开式为
vo?2?44?V?2?cos2?t?cos4?t?...???315?
2桥式整流电路与单相全波整流电路的输出电压相同。输出电压的平均值为
vo??V?0.9V
流进负载电阻RL的电流io的平均值IO为
I0?V0RL?0.9VRL
由于在桥式整流电路中，每两只二极管串联导电半个周期，两两轮流导通，所以流进每
个二极管的平均电流为
ID?1I0?0.45VRL2
二极管截止时管子承受的最大反向电压VDRM为输入电压vi幅值的最大值，即
VDRM?2V
桥式全波整流的纹波系数与单相全波整流电路的纹波系数相同，即
kr?42V3?22V??0.67?67%
（3）滤波电路
滤波电路用于滤去整流输出电压各种谐波成分的，一般由电抗元件组成，利用电容、电感等电抗元件对交、直流成分阻抗的不同来实现滤波，如在负载电阻两端并联电容器C,电容对直流开路，对交流阻抗小，或在整流电路输出端与负载间串联电感器L，电感对直流阻抗小，对交流阻抗大，以及由电容、电感组合而成的各种复式滤波电路。
由于电抗元件在电路种有储能作用，并联的电容器C在电源供给的电压升高时，能把部
分能量存储起来，当电源电压降低时，就把电场能量释放出来，使负载电压比较平滑，即电容C具有电压平波的作用；与负载串联的电感L，当电源供给的电流增加(有电源电压增加引起)时，他把能量存储起来，而当电流减小时，有把磁场能量释放出来，使负载电流比较平稳，即电感L有电流平波作用。本论文只讨论小功率整流电源中应用较多的电容滤波电路。
图3 电容滤波电路
如图3所示的电容滤波电路，它在桥式整流电路的输出端和负载RL之间并联一只大电解电容C。为便于说明问题，电路中接了一个闭合开关S。
当开关S断开时(负载RL未接入)，假设电容C上的初始电压为0。在交流电源的正半周，即vi > 0时，vi通过D1及D3向C充电；在交流电源的负半周，即vi < 0时，vi通过D2及D4向C充电。
根据以上分析可知：经过电容滤波之后，输出电压的直流成分提高了(vo波形包围的面积增大了)，脉动成分减小了。并且电容C的放电时间常数越大．放电过程越慢，则输出电压越高，脉动成分越小，滤波效果越好。
（4）稳压电路
经过滤波得到的输出电压并非是理想的直流电压，它还会随电网电压波动(一般有
?10%左右的波动，直接影响变压器次级线圈的输出电压)，以及随负载和温度的变化而变
化。为了获得更加稳定的直流电压，在整流、滤波电路之后，还需要稳压电路，以维持输出电压的稳定。本系统分别采用了集成的可调式稳压芯片LM317和固定式稳压管7805与7905实现可调稳压模块。
7805系列为3端正稳压电路，能提供多种固定的输出电压，应用范围广。内含过流、过热和过载保护电路。带散热片时，输出电流可达1A。虽然是固定稳压电路，但使用外接元件，可获得不同的电压和电流。
图4输出电压可调的稳压电路
图4为输出电压可调的稳压电路，它由稳压器7805和电压跟随器LM324的输出电压等于其输入电压VO’，即满足VO’=Vxx,也就是电阻R1与R2上部分的电压的之和为7805的输
出电压Vxx，当调节Rp的动端位置时，输出电压随之变化，其调节范围为
VOmin?R1?Rp?R2R1?RpR1?Rp?R3R1V??
VOmax?V??
设R1=R2=Rp=300?，Vxx=12V时，则输出电压的调节范围为18~36V。可根据输出电压调节范围和输出电流的大小选择三端稳压器、运放和取样电阻。
LM317为可调正电压输出稳压器，是一种外接很少元件就能工作地可调式三端集成稳压器。它的三个接线端分别称为输入端VI、输出端VO和调整端Adj，没有公共接地端，接地端往往通过接电阻再到地。LM317的最大输入输出电压差为40V，输出电压1.25-37V连续可调，输出电流最大1.5A，最小负载电流为5mA，调整端电流为50uA，电压调整率为0.02%，电流调整率为0.3%。LM317的1,2两脚之间的电压为恒定值1.25V，可以看作是基准电压。输入电压应比输出电压大1.2V以上，否则不能稳压。输入电压如果比输出大很多，虽然输出电压仍稳定，但能耗大；尤其输出电流较大的情况下，稳压器上必须加大散热片以防芯片过热；手动或者自动减小输入输出电压差以防能量的损耗或热量的过分产生。流经R3的电流要小于5mA，输出电压才稳定。
LM317的电路结构和外接元件如图5它的内部电路有比较放大器、偏置电路(图中未画出)、电流源电路和带隙基准电压VREF等，它的公共端改接到输出端，器件本身无接地端。所以消耗的电流都从输出端流出，内部的基准电压(约1.2V)接至比较放大器的同相端和调整端之间。
图5 可调式三端集成稳压器LM317的结构图
若接上外部的调整电阻R1、R2后，输出电压为
?V?V0?VREF?I2R2?VREF??REF?Iadj?R2?R1??R??VREF?1?2??IadjR2R1??
LM317的VREF=1.2V，IAdj=50uA。由于调整端电流IAdj>>I1，故可以忽略，式1可简化为
?R?V0?VREF?1?2??R1?
LM317稳压器的电路特点是输出电压连续可调，调节范围较宽，且电压调解率、电流调节率等指标优于固定式三端稳压器。
当外部电容应用于任何集成电路稳压器时，有时必须加保护二极管以防止电容在低电流点向稳压器放电。
图6带保护二极管的电压稳压器
图6显示了在输出电压超过25V或高电容值(Co>25Uf，CAdj>10uF)时带所推荐的保护二极管的LM317。二极管D1防止输入短路时Co经集成电路放电。二极管D2防止输出短路时电容CAdj放电对集成电路放电。二极管D1和D2的组合防止输入短路时CAdj通过集成电路放电。
（5）数显电路
数显电路有两种方案：其一是利用单片机Atmega16内部A/D转换模块把待测电压从模拟信号转换成数字信号，之后通过数码管显示；其二是利用电阻分压，经过ADC0809进行模数转换，把输出的二进制通过门电路转换成BCD码，利用74LS48驱动数码管显示。实验当中，由于时间问题，在这一方案上我们没有加门电路，而是直接通过译码器驱动数码管显示二进制值00—FF。
本设计通过数码管显示系统输出电压，电压信号的采集是通过电阻按比例分压后输入模数转换芯片ADC0809，转换成二进制数字信号后通过搭建的门电路转换成BCD码，处理成实际电压值对应的数值，利用74LS48驱动，通过三位共阴数码管显示出来。因此电压显示模块重点使用到ADC模块和数码管的原理和显示方式。
ADC0809是采样频率为8位的、以主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，可以根据地址码锁存译码后的信号，只选通8路模拟信号中的一个进行A/D转换。其主要特征有：具有转换起停控制端，转换时间极短，模拟输入电压范围为0—5V，不需零点和满刻度校准，低功耗，约15mV。其工作过程是：首先输入三位地址，并使ALE=1，将地址存入地址锁存器中。此地址经译码选通8路模拟输入之一到比较器。START上升沿将主逐次逼近寄存器复位。下降沿启动A/D转换，之后EOC输出信号变低，指示转换正在进行。直到A/D转换完成，EOC变为高电平，指示A/D转换结束，结果数据已存入锁存器，这个信号可用作中断申请。当OE输入高电平时，输出三态门打开，转换结果的数字量输出到数据总线上。
四 实验数据测试与分析
稳压电源实验报告
