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数字显示连续可调直流稳压电源


数字显示连续可调直流稳压电源的设计 引言: 引言:
当今社会人们极大的享受着电子设备带来的便利, 但是任何电子设备都有一个共同的 电路--电源电路。大到超级计算机、小到袖珍计算器,所有的电子设备都必须在电源电路 的支持下才能正常工作。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, ICL7107 芯片组成了数显模块, 用 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。

一,直流稳压电源
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。

二 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: 输出电压: 220V 交流电压; -24V~24V 直流电压;

1、电源模块的选定——采用三端集成稳压器电路 、电源模块的选定——采用三端集成稳压器电路 模块的选定——

该电路框图如图 2.3 所示, 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,这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。
2、显示模块的选定——采用 ICL7107 的方案 、显示模块的选定——采用 ——

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。 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。

三 电源模块的设计
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。
1 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。从图 3.1 所示方框图中可以看出,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。
2 稳压器的主要参数

2.1 输出电压 V。 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。 2.2 输出电压偏差 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。 2.3 最大输出电压 ICM 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。 2.4 最小输入电压 Vimin 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。 2.5 最大输人电压 Vimax 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。 2.6 最小输入、输出电压差(Vi-Vo) 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。 2.7 电压调整率 SV 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。SV 常用下式表示:

?Vο × 100%(% / v ) (式 3.1) ?Vι ? ?Vο 式中:△Vo——输出电压变化量; △Vi——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。 2.8 电流调整率 Si 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: ?Vo Si = × 100 % Vo (式 3.2) Sv =
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。 2.9 输出电压温漂 ST 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:

ST =
式中:△T—温度变化量。 2.10 输出阻抗 Z。

?Vo × 100% ?T ? Vo

(式 3.3)

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

Zo =

dV o dI o

(式 3.4)

输出阻抗反映了在动态负载状态下,稳压器的电流调整率。 2.11 输出噪声电压 VN 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。
3 电源模块的确定

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。

电路如图所示,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。
3 电路参数的计算 电路参数的计算

3.1 输入电压 Ui 输出电压 U0 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 ICM<I0max,稳压电路的输入电压范围为

Uo max + (Ui ? Uo) min ≤ Ui ≤ Uo min + (Ui ? Uo ) max
式中:Uomax—最大输出电压 Uomin—最小输出电压 (Ui-Uo)min—稳压块最小输入输出压差 (Ui-Uo)max—稳压块最大输入输出压差 通常情况下我们取输入电压 Ui 比输出电压 Uo 大 6V 3.2 变压器副边的输出电压 U2 通常根据变压器副边输出的功率 Po 来选择变压器。对于容性的负载,变压器副边的 输出电压 U2 与稳压器输入电压 Ui 的关系为

Ui min Ui max ≤U2 ≤ (1.1 ~ 1.2) (1.1 ~ 1.2)
副边电流的取值标准为

(式 3.6)

I 2 > Io max
3.3 整流二极管及滤波电容 整流二极管 VD 的反向击穿电压 URM 应满足
URM > 2U 2

(式 3.7)

(式 3.8)

额定工作电流 IF 应满足

IF > Io max
滤波电容 C 的容量估算公式为

(式 3.9)

C>

Ict ?Uip ? p

(式 3.10)

式中:ΔUip-p—稳压器输入端纹波电压的峰-峰值 Ic—电容 C 放电电流 t—电容 C 放电时间,t=T/2=0.01S 滤波电容 C 的耐压值应大于 2U 2 ,也可用下式估算

T Io max 2 C ≥ (3 ~ 5) Ui min
4 电源电路原理图确定

(式 3.11)

根据以上各式确定数值后,电路图如下:



数显模块的设计
电源模块设计完成后,接下来就是数显模块的设计。根据前面介绍我们选定了

ICL7107 芯片作为数显模块, ICL7107 是一个 3 位半 A/D 转换器, 是常用的数显模块芯片, 本模块设计的重点就是了解它的原理,确定他的参数参数,选择元器件并设计出电路。
ICL7107 简介

ICL7107 是高性能、低功耗的三位半 A/D 转换器电路。它包含有七段译码器、显示驱 动器、参考源和时钟系统。ICL7107 可直接驱动发光二极管(LED) 。 ICL7107 将高精度、通用性和真正的低成本很好的结合在一起,它有低于 10μV 的自 动校零功能,零漂小于 1μV/OC,低于 10pA 的输入电流,极性转换误差小于一个字。真 正的差动输入和差动参考源在各种系统中都很有用。在用于测试量负载但愿、压力规管和 其他桥式传感器时会有更突出的优点。另外,只要用十个左右的无源元件和一个 LED 屏 就可以与 ICL7107 构成高性能的仪表面板,实现了低成本和单电源工作。
ICL7107 的管脚排列

各管脚说明如下: 1 端: U+ =5V,电源正端。 26 端: U- =﹣5V0 电源负端。 19 端: ab4,千位数笔段驱动输出端,由于 7/2 位的计数满量程显示为“1999” ,所以 ab4 输 出端应接千位数显示器显示“1”字的 b 和 c 笔段。 20 端: POL,极性显示端(负显示) ,与千位数显示器的 g 笔段相连接(或另行设置的负极 性笔段) 。当输入信号的电压极性为负时,负号显示,如“19.99” ;当输入信号的电压极性 为正时,极性负号不显示如“19.99” 。 21 端:

BP,液晶显示器背电极,与正负电源的公共地端相连接。 27 端: INT,积分器输出端,外接积分电容 C 。 28 端: BUFF,输入缓冲放大器的输出端,外接积分电阻 R 。 29 端: AZ,积分器和比较器的反相输入端,接自校零电容 C AZ 。

30、31 端: INLO、 INHI,输入电压低、高端。由于两端与高阻抗 CMOS 运算放大器相连接, 可以忽略输入信号的注入电流, 输入信号应经过 1M ? 电阻和 0.01 ?F 电容组成的滤波电路 输入,以滤除干扰信号。 2~8 端: 个位数显示器的笔段驱动输出端, 各笔段输出端分别与个位数显示器对应的笔段 a~g

相连接。 9~14、25 端: 十位数显示器的笔段驱动输出端, 各笔段输出端分别与十位数显示器对应的笔段 a~g 相连接。 15~18、22~24 端: 百位数显示器的笔段驱动输出端, 各笔段输出端分别与百位数显示器对应的笔段 a~g 相连接。 32 端: COM,模拟公共电压设置端,一般与输入信号的负端,负基准电压端相接。 33、34 端: C REF ? 、 C REF + ,基准电容负压、正压端,它被充电的电压在反相积分时,成为基准电 压,通常取 C REF =0.1 ?F 。 35、36 端: REFLO、 REFHI,外接基准电压低、高位端,由电源电压分压得到。 37 端: TEST,数字地设置端及测试端,经过芯片内部的 500 ? 电阻与 GND 相连。 38、39、40 端: OSC 1~ 3 ,产生时钟脉冲的振荡器的引出端,外接 R1、C1 元件。
元器件的选择

1 积分电阻 缓冲放大器的积分器都带有甲类输出放大器,静态电流均为 100μA 左右。输出为 4 μA 时的非线性度很小,可忽略不计。积分电阻必须足够大,以使在整个输入信号范围内 的积分电流都落在这个线性度很好的区间。同时积分电流又必须大到印刷版上的漏电电流 可以忽略。对于 2V 的满量程,470KΩ是最优的,满量程为 200mV 时,可选 47KΩ。 2 积分电容 积分电容的选择须使得最大电压摆幅不达到积分器输出电压的最大饱和摆幅, (约比 电源和地低 0.3V 和高 0.3V) 。当 ICL7107 的模拟公共端做参考点时,积分器输出满量程标 称为 2V 时最佳,当 ICL7107 用+5V 电源供电,模拟公共端接地时,±3.5V 只+4.5V 的标 称输出摆幅为最好。在每秒 3 个读数时,CINT 的标称值分别为 0.22μF 和 0.10μF。当然, 在使用不同的震荡频率时,该电容的值也要往相反的方向进行修正,以保持同样的输出摆 幅。 选择积分电容的另一个要求时其漏电要小,以减少翻转误差。较合适的电容式聚丙烯 电容,它的漏电几乎可以完全忽略,而成本又很低。 3 自动教校零电容

自动校零电容的大小对系统的噪声会有些影响。在 200mV 满量程时,噪声显得很重 要。推荐使用 0.047μF 电容,这样,噪声在合理范围内,同时,也加快了过载时的恢复速 度。 4 参考电容 在绝大多数使用场合下,0.1μF 的电容效果最好。然而,当存在较大的共模电压(即 REF LO 管脚未与模拟公共端连接)和使用 200mV 的满量程时,可选用较大的电容,以防 止产生翻转误差。一般地,1μF 的电容在这种情况下可将翻转误差控制在 0.5 个显示字范 围内。
5 振荡器元件

在所有的频率范围内,推荐使用 100KΩ的振荡电阻,振荡电容的值用下式进行推算, f=0.45/RC。在 48KHz 振荡频率时(每秒 3 个度数) ,C=100pF。 6 参考电压 产生满量程读数值输出(2000 个计数值)所需的模拟输入电压为 Vin=2VREF,这样, 对于 200mV 和 2V 的量程,VREF 应分别为 100mV 和 1V。然而在许多应用场合,该 A/D 电路直接连接到传感器的输出, 在数字输出和输入电压间就存在一量程因子的问题。 例如, 在一称重系统中,设计者可能会希望传感器的电压输出为 0.662V 时,A/D 转换器的数字 输出为满量程。 这时, 它应将传感器的输出电压直接接到 A/D 输入, 参考电压调至 0.331V, (而不是将传感器的输出电压衰减至 200mV) 并将积分电阻和积分电容选至合适的 120K , Ω和 0.22μF。这样会使系统显得简洁,并去掉了输入端的衰减网络。 在用±5V 供电的 ICL7107 的输入端可接受±4V 的输入信号, 这类系统的另一个优点 是在输入电压 VIN≠0 时,可将输出数字读数调为零。这对于测温和称重系统就是一个例 子:为方便地将数字输出调为零,可将传感器的输出电压接至 IN HI 和 COMMON 端,可 调整的(或固定的)调零电压加在 COMMON 和 IN LO 端。 7 ICL7107 的电源供电

ICL7107 设计工作于±5V 的电源电压,如果负电源没有时,可利用时钟输出信号,

外接 2 只二极管、2 只电容和一块廉价的继承电路来产生这个负电源,如图所示。 事实上,有些系统式可以不用负电源的,用单一+5V 供电的前提条件是: 输入电压可以公模方式的中心电压为参考。 输入信号电压小于±1.5V。 采用外接参考源。 4.6 数显模块电路原理图确定 根据以上确定的参数最终设计的显示模块电路如图:



电路功能模块的连接
数显模块和电源模块的连接,采用数显模块的负测量端、ICL7107 芯片的 21 引脚和

电源模块的接地端共同接地,数显模块的正测量端和电源模块的正、负电压输出端通过一 个双向开关连接,当开关打向上端时,通过调节滑动变阻器 W2 就可以得到需要的正输出 电压,电压值直接显示在数显模块上,当开关打向下端时,通过调节滑动变阻器 W1 就可 以得到需要的负输出电压,并电压值直接显示在数显模块上。 整个设计的原理图如下:

结束语
本次设计,介绍了一种连续可调直流稳压电源的方案,从理论计算方面叙述了此方案 的原理和电路图,同时通过试验验证了方案的可行性。 此电源相对于相对于一般的直流稳压电源,有以下几个特点:1)元器件购买方便。 此方案应用的元器件无论是 7824、7924 还是 ICL7107 都是市场上最常见的元器件之一, 购买这些元器件很方便。 2)电路简单。此电源仅仅应用 3 个芯片便组成了一个完整的稳压 电源。无论是批量生产还是单个制作,都很方便。 3)价格便宜。构成此电源的元器件都 是市场上很便宜很常见的器件,成本低廉。 4)可调节电压。与一般定值直流稳压电源相 比,此电源可以通过调节来获得不同的电压值,这样就可以省去大量的应用成本,用一个 直流稳压电源就可以实现多个不同电压值的直流稳压电源的功能。

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