数控直流电源设计

数控直流电源设计报告模拟电路部分第一部分 系统设计1.1 设计题目及要求1) 当输入交流电压为220v±10%时，输出电压在3-13v可调；2) 额定电流为0.5A，且纹波不大于10mV；3) 使用按键设定电压，同时具有常用电平快速切换功能（3v、5v、6v、9v、12v），设定后按键可锁定，防止误触；4) 显示设定电压和测量电压，显示精度为0.01v。1.2 总体设计方案1.2.1设计思路 题目要求制作一个简易的可编程直流稳压电源，而我负责的是基础部分，即是电源。而要使得家用交流220v电压变成v、5v、6v、9v、12v的直流电压必然要先经过变压器将电压变小，再经过整流电路、滤波电路和稳压电路才能得到稳定的之路电压。于是基本功能部分全部电路由四部分组成：整流电路、滤波电路、稳压电路、稳压值选择电路、芯片供电电源。1.2.2设计方案及论证比较一、整流电路方案：1. 半波整流电路，用一支二极管就能构成，简单易行。所用元件数量极少，但是它只利用了交流电压的半个周期，所以输出电压低，交流分量大，效率低。因此这种电路只适合用于整流电流较小，对纹波电压（脉动）要求不高的场合。2.全波整流，采用单线桥式整流电路。由四只二极管构成，具有输出电压高、纹波电压小、变压器利用率高等优点。综上所述，虽然单线桥式整流电路所用到的元件较多，但由于元件成本并不高，加之性能大大优于半波整流电路，故选择后者。二、滤波电路方案：1. 电容滤波。在电路中，当有电压加到电容器两端的时候，便对电容器充电，把电能储存在电容器中；当外加电压失去（或降低）之后，电容器将把储存的电能再放出来。充电的时候，电容器两端的电压逐渐升高，直到接近充电电压；放电的时候，电容器两端的电压逐渐降低，直到完全消失。电容器的容量越大，负载电阻值越大，充电和放电所需要的时间越长。这种电容带两端电压不能突变的特性，正好可以用来承担滤波的任务。2.电感滤波。利用电感对交流阻抗大而对直流用抗小的特点，可以用带铁芯的线圈做成滤波器。电磁滤波输出电压较低，相输出电压波动小，随负载变化也很小，适用于负载电流较大的场合。3复式滤波。把电容按在负载并联支路，把电感或电阻接在串联支路，可以组成复式滤波器，又叫型滤波器。由电磁与电容组成的LC滤波器，其滤波效能很高，几乎没有直流电压损失，适用于负载电流较大、要求纹波很小的场合。但是，这种滤波器由于电感体积和重量大（高频时可减小），比较笨重，成本也较高，一般情况下使用得不多。由电阻与电容组成的RC滤波器结构简单，能兼起降压、限流作用，滤波效能也较高，是最后用的一种滤波器。 综合考虑，由于实验室没有提供电感元件，而且电容滤波完全可以得到较好的直流电压，且有电路简单，价格低廉的优势，故应使用电容滤波的方法。三、稳压电路方案1、使用LM78XX系列稳压芯片,即LM7809, LM7812, LM7815构成三路不同的稳压输出,电路简明2、用一个LM317,与四个阻值不同的电阻输出不同的电压.3、用运算放大器,与三个阻值不同的电阻输出不同的电压.第一种方案的优点是各路电压相互独立,输出稳定,纹波较小,缺点是需要三个78XX芯片,成本太高,而第二种方案优点是成本较低,电路简单,缺点是输出受分压电阻的影响,温度变化时导致输出电压有所偏离.第三种方案纹波较大,输出相对不够稳定,输出电流受三极管放大倍数的影响,虽然可以通过达林顿连接增大输出电流,但是这样一来在负载较低时稳压控制难以实现.综上所述,采用方案二为佳.四、稳压值选择电路方案：利用CD4052双四选一模拟开关进行选择。五、芯片供电电源方案：1、电阻分压，用两个电阻分压。2、用7805做开关电源5v辅助电源。方案二做出的稳压效果较好，电路简明，成本低廉，故应用方案二第二部分 单元电路设计2.1 整流电路2.1.1整流电路工作原理及功能说明单相桥式整流电路有四只二极管组成，利用二极管的单向导电性保证在变压器副边电压的整个周期内，负载上的电压和电流始终不变。2.1.2整流电路元件选取与计算 使用全波整流电路二极管选用因为 IN4001耐压50V,电流1A;IN4004耐压400V,电流1A;IN4007耐压1000V,电流1A;应用在电压比较低的电路里可以混用 。而本电路中经过变压器后副变线圈电压约为十八伏特，故三者都可以使用，而考虑到成本问题应首先选用IN4001，应在实际制作中实验室只剩下IN4007，故选用IN4007代替。 工作原理和功能说明2.2 滤波电路2.2.1滤波电路工作原理及功能说明 交流电经过二极管整流之后，方向单一了，但是大小（电流强度）还是处在不断地变化之中。这种脉动直流一般是不能直接用来给无线电装供电的。要把脉动直流变成波形平滑的直流，还需要再做一番“填平取齐”的工作，这便是滤波。换句话说，滤波的任务，就是把整流器输出电压中的波动成分尽可能地减小，改造成接近恒稳的直流电。2.2.2滤波电路元件的选取与计算滤波电容的选择：因为c1满足条件RLC1=T/2.RL约为u/i即是12v/0.5A即24C1=(35)*（2*0.003/2）*（1/24）=12502083uf通过计算结合实际选取合适的参数，得C2200uF。虽然2200uF得电容价格较高，但能够获得较好的滤波效果，加之实验室也能够提供，故选用之。而对于5v供电电源因其对纹波电压要求不高，故选用更经济的1000uf电容。2.3 稳压电路2.3.1稳压电路及其工作原理或功能说明利用lm317产生稳定的电压，根据串联电阻分压原理，得Uo=（1+R1/R2）*U，可得到稳定的输出电压，为了减少电阻上的纹波电路要串联上一个电容c2。但是，在输出开路时，电容c2将向稳压器调整端放电，并使调整管发射结反偏，为了保护稳压器，可加二极管D，提供一个放电回路。C3容量较大时，一旦输入端断开，就将从稳压器的输出端向稳压管放电，易使稳压器损坏。因此要跨接一个二极管，起保护作用。2.3.2 稳压电路元件的选取与计算1.二极管的选择：保护二极管D5、D6：最大电压不会超过50v，故，用In4001.2.R0的选择：由lm317组成的基准电压源电路，输出端和合调整端之间的电压时是稳定的1.25v，而输出电流较大。R0为泄放电阻，由lm317的最小负载电流（取5mA）可得：Rmax=（1.25/0.005）欧=250欧，实际取值应略小，故取240欧。3.c2与c3的选择：电容C2的作用是减小纹波C3的作用是当输出短路时立即放电,而同时C2通过二极管D2放电至0,防止ADJ端子残留正电压.根据成本和效果考虑，c2和c3都应用10uf的电容。4. 根据LM317的器件特性,R0的电流可取5mv根据Uo=由以上公式,各输出电压对应的Rx阻值如下:Uo=3V, R2=374;Uo=5V, R3=920;Uo=6V, R4=1260;Uo=9V, R4=2710;Uo=12V, R5=5510;2.3.3 器件说明LM117/LM317 的输出电压范围是1.2V至37V，负载电流最大为1.5A。它的使用非常简单，仅需两个外接电阻来设置输出电压。此外它的线性调整率和负载调整率也比标准的固定稳压器好。LM117/LM317 内置有过载保护、安全区保护等多种保护电路。调整端使用滤波电容能得到比标准三端稳压器高的多的纹波抑制比。可调整输出电压低到1.2V。保证1.5A 输出电流。典型线性调整率0.01%。典型负载调整率0.1%。80dB 纹波抑制比。输出短路保护。过流、过热保护。调整管安全工作区保护。标准三端晶体管封装。 2.4 程序控制稳压值选择电路2.4.1 稳压值选择电路的工作原理和功能说明 原理图 说明：在调整端加控制电路就可以实现程序控制稳压电路，如图所示，图中晶体管伟电子开关，当基极加高电平是，晶体管饱和导通，相当于开关闭合；当基极加低电平是，晶体管截止，相当予开关断开。2.5 稳压5v直流电源2.5.1工作原理用7805做一个稳压5v直流电源，原理与上面个部分相同。2.5.2模块电路及参数计算Ci用于抵消输入线较长的时的电感效应，以防止电路产生自激振荡，其容量较小，一般小于1uf，故可选用0.33uf。而Co用于消除输出电压中的高频噪音，为使其输出较大的脉冲电流应取较小的电容故Co取1uf3.5.3器件说明7805为三端正稳压器电路,TO-220F封装，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。主要特点输出电流可达1AVI输入电压(VO=518V) 35V(VO=24V) 40V数字控制部分整体构思：由于我们有AVR的开发板，所以，我们选择了ATMEL公司的ATMEGA 16L作为数字控制部分的核心部件。根据题目要求，我们需要用AVR单片机实现按键设置的 3V 5V 6V 9V 12V电压，而在模拟电路部分我们使用了三极管作为电阻导通的器件。所以要用到单片机的I/O输出高电平，同时要实现按键选择功能，也要使用一个I/O口。数显部分我们使用了1602液晶显示屏，A/D电压采集我也将使用ATMEGA 16L的PA7口作为A/D输入口。所以数字部分的整体构架就如上所述。模块一：按键控制电压选择与数字显示1.扫描键盘这次我们用到的单片机的键盘接法如下：针对此接法编写的子程序如下：/ 扫描键盘函数char key=0; / 全局变量key，保存键值，无按键为0，方便不同函数进行访问 char lock=0; / 全局变量lock，保存键值，无按键为0，方便不同函数进行访问 void get_key() key_PORT=0x0f; / 高四位输出低电平，低四位为带上拉输入 key_DDR=0xf0; / 高四位为输出，低四位为输入，重要！增强拉电流能力 if( !key && key_PIN!=0x0f )/ 如果 key=0，即按键已经响应，判断是否有键按下 delay_ms(10); / 延时后再次判断，消除按键抖动的影响 if(key_PIN!=0x0f) / 确实有键按下 switch (key_PIN) case 0x0e: key=2;break; case 0x0d: key=3;break; case 0x0b: key=5;break; case 0x07: key=6;break; key_PORT=0x30; / 令低三位输出低电平 4、5位为带上拉输入 高三位仍保持输出低电平 key_DDR=0xcf; / 令低三位为输出 4、5位为输入