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电子电路CAD课程设计基于protues的可调直流稳压电源设计

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2020年4月19日
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电控学院
电子电路CAD课程设计

题 目： 利用Proteus实现直流稳压电源仿真
院 （系）： 电气与控制工程学院
专业班级： 12级测控技术与仪器02班
姓 名： 梁培煜
学 号：
指导教师： 昝宏洋 彭倩

年 1月 9 日

利用Proteus实现直流稳压电源仿真
1. 功能要求与技术指标
1.1功能要求
直流稳压电源的作用是经过把50Hz的交流电变压、整流、滤波和稳压从而使电路变成恒定的直流电压，供给负载，设计出的直流稳压电源应不以电网电压的波动和负载的变换而改变。因此本设计应包含电源变压器、整流电路、滤波电路、稳压电路四个部分组成。
1.2技术指标
基本要求：短路保护，电压可调。若用集成电路制作，要求具有扩流电路。
输出电压调节范围：0-29V可调；
最大输出电流：1.5A；
输出电阻Ro：小于1欧姆。
其它：纹波系数越小越好（ 5%Vo ），电网电压允许波动范围（ 10% ）
2. 工作原理
直流稳压电源是将频率为50Hz、有效值为220V的单相交流电压转换为幅值稳定、输出电流为几十安以下的直流电源，其基本组成
直流稳压电源的输入为220V的电网电压，一般情况下，所需直流电压的数值和电网电压的有效值相差较大，因而需要经过电源变压器降压后，再对交流电压进行处理。变压器副边电压有效值决定于后面电路的需要。
变压器副边电压经过整流电路从交流电压转换为直流电压，即正弦波电压转换为单一方向的脉动电压，半波整流电路和全波整流电路的输出波形如图所示。能够看出，她们均含有较大的交流分量，会影响负载电路的正常工作。
为了减小电压的脉动，需经过低通滤波电路滤波，使输出电压平滑。理想情况下，应将交流分量全部滤掉，使滤波电路的输出电压仅为直流电压。然而，由于滤波电路为无源电路，因此接入负载后势必影响其滤波效果。对于稳定性要求不高的电子电路，整流、滤波后的直流电压能够作为供电电源。
交流电压经过整流、滤波后虽然变为交流分量较小的直流电压，可是当电网电压波动或者负载变化时，其平均值也将随之变化。稳压电路的功能是使输出直流电压基本不受电网电压波动和负载电阻变化的影响，从而获得足够高的稳定性。
3. 方案选择

图3-1 直流稳压电源的组成
3.1 变压器的选择
在变压电路中，变压器把220V、50Hz的单相交流电先降压，变成所需的交流电。然后经整流电路、整流电路、滤波电路、稳压电路得到稳定的输出(如图3-1所示)。根据桥式整流电路和电容滤波电路的输出与输入电压的比例关系，从输出电压的最大值41V倒推，能够算出所使用的降压变压器的副边电压有效值应为29V左右。故原、副边电感比值为1:0.033。
3.2整流电路的选择
整流桥作为一种功率元器件，非常广泛。应用于各种电源设备整流。
全波整流桥的内部主要是由四个二极管组成的桥路来实现把输入的交流电压转化为输出的直流电压。在整流桥的每个工作周期内，同一时间只有两个二极管进行工作，经过二极管的单向导通功能，把交流电转换成单向的直流脉动电压。
半波整流电路中的二极管安全工作条件为：
二极管的最大整流电流必须大于实际流过二极管平均电流，即

b）二极管的最大反向工作电压UR必须大于二极管实际所承受的最大反向峰值电压URM，即

单相半波整流电路简单易行，所用二极管数量少。可是由于它只是利用了交流电压的半个周期，因此输出电压低，交流分量大，效率低。因此，这种电路仅适用于整流电流较小，对脉动要求不高的场合。
综合分析，选择单相半波整流更为适宜。
3.3可调式稳压器件LM317
集成稳压器与简单稳压电路相比其电路结构简单，它能够经过外接元件使输出电压得到很宽的调节范围。而且内部有过热保护、过流保护等保护电路，能够很安全的保护电路的正常工作。由LM317组成的基准电压源电路，电容Co用于消除输出电压中的高频噪音，可取小于1μF的电容。输入端和调整端之间的电压时非常稳定的电压，其值为1.25V。输出电流可达1.5A。LM317 的输出电压范围是1.25V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。
一般设R2为100~200Ω，典型值为120Ω，这里设为200Ω。在实际接线时，这个电阻应尽可能地靠近LM317元件来接，因为本应是LM317内部电阻。

由上面的公式算出滑动变阻器的最大值为4.92kΩ，取典型值4.1kΩ，这样最大值达不到37V，理论上只有32V左右，仿真时显示为33.5V，有些误差，而且最小值也比1.25V小。
电容C2和C3分别为去抖和滤波作用。C2并联在滑动变阻器两端，可防止滑动变阻器在调节过程中由于抖动而产生的谐波，一般经验值为10μF。C3为输出侧二次滤波，其目的是去掉输出电压波形中细小的波纹。C1与C3的关系一般为22倍。

4. 具体模块设计
4.1变压电路
在变压电路中，变压器把220V、50Hz的单相交流电先降压，变成所需的交流电。根据桥式整流电路和电容滤波电路的输出与输入电压的比例关系，从输出电压的最大值41V倒推，能够算出所使用的降压变压器的副边电压有效值应为29V左右。故原、副边电感比值为1:0.033。此处的39V为交流电最大值，经整流、滤波、稳压后可得到29V直流输出。

图4-1 变压电路的仿真图
4.2整流及滤波电路
整流采用常见的是二极管桥式整流电路（如图4-2）。要详细计算滤波所需的电容值，则可采用以下公式：

式中，为滤波之后的最大电压，为滤波之后的波纹电压，即最大电压与最小电压的差值，R为负载电阻，f为工频50Hz。

4-2整流及滤波电路仿真
4.3稳压电路
集成稳压电路的核心器件是LM317，在实际应用中要注意加装散热片。为了保护集成器件在接反的状态下不被烧毁，在输入、输出端之间以及输出与调节端之间分别接反向保护二极管1N4003，如图4-3所示。

4-3稳压电路仿真

5. 电路仿真
5.1软件绘图

5-1直流稳压电路仿真
5.2仿真结果
经过Proteus对直流稳压电源的仿真，最终得到了稳定的直流输出，而且在0-29V范围内可调。用示波器分别测出变压电路、整流电路、滤波电路、稳流电路的输出波形。

5-2-1原副边输出波形

5-2-2整流后波形

5-2-3滤波后波形

5-2-4最终输出直流波形
5.3讨论
（1） C1变化对输出波形的影响
C1为电解电容，电容的数值越大，输出波形的纹波就越小,有利于抑制高频和脉冲的干扰。
（2） C2变化对电路的影响
C2的作用是去抖和滤波，当没有C2时，在调节滑动变阻器过程中由于抖动会产生谐波，使输出电压波形产生细小的波纹。
（3） D2、D3对电路的影响
没有D2时，当LM317输入端元件短路时，出现U0大于U1，则会产生一个由其输出端经LM317流输入端的泄放电流。这个电流将可能损坏LM317，接入D2后，D2提供一个泄放电流的通路（D2正偏），从而保护了LM317。
没有D3时，LM317的1端产生电流会使其损坏。
6.结论
在Proteus ISIS界面中，调节电位器RV1，能够看到输出电压随着电位器的调节相应发生变化，发光二极管点亮，测得输出电压在1.25~37V可调，从而实现了设计的技术指标。

6. 附录——4×4矩阵式键盘识别技术
6.1电路原理图：

6-1电路原理图
6.2源程序清单：
ORG 0000H
AJMP MAIN
ORG 0030H
MAIN: MOV P2,#0F0H ; 给列送高电平
LCALL Delay ; 延时，使电路稳定
MOV A,P2 ; 取P2口的值
ANL A,#0F0H ; 屏蔽行线的影响
CJNE A,#0F0H,l ; 如果有键按下，就跳转到
AJMP MAIN
l: LCALL Delay ; 延时去抖
MOV A,P2 ; 取P2口的值
JB ACC.4,l1 ; P2.4这一列有键按下？没有则跳转到1
MOV R3,#00H ; 如果有则将值0存入R3
AJMP Q1
l1: JB ACC.5,l2
MOV R3,#01H
AJMP Q1
l2: JB ACC.6,l3
MOV R3,#02H
AJMP Q1
l3: JB ACC.7,MAIN
MOV R3,#03H
AJMP Q1
Q1: MOV P2,#0FH ; 给行送高电平
LCALL Delay ; 延时，使电路稳定
MOV A,P2 ; 取值
ANL A,#0FH ; 屏蔽高四位
JB ACC.0,Q2 ; 判断是不是第0行，不是则跳转
MOV R4,#00H ; 如果是则将0送给R4
AJMP JIA ; 调用加法程序，取得键盘的值
Q2: JB ACC.1,Q3
MOV R4,#04H
AJMP JIA
Q3: JB ACC.2,Q4
MOV R4,#08H
AJMP JIA
Q4: JB ACC.3,MAIN
MOV R4,#0CH
AJMP JIA
JIA: MOV A,R3 ; 行号加列号就是该键的值
ADD A,R4
DA A ; 十六进制调整为十进制
MOV P1,A ; 数码管静态显示
AJMP MAIN
Delay: MOV R6，#20H
Q6:： MOV R5，#0BBH
Q5: DJNZ R5,Q5
DJNZ R6,Q6
RET
END
6.3讨论
经过直流稳压电源的训练，设计电路倒没有太大问题，只是有些地方连线错误会使按键一直处于常开或者常闭状态。给单片机添加程序有两种方法，一种是直接以asm 格式直接导入（右键点单片机“添加源代码文件”）；另一种是双击芯片“编辑元件属性”添加hex文件。

6-1添加asm文件

6-2添加hex文件
7.参考文献
[1]朱清慧,张凤蕊.Proteus教程[M].北京:清华大学出版社,
[2]周润景,张丽娜.基于Proteus的电路及单片机系统设计与仿真[M].北京:北京航空航天大学出版社,
[3]周润景,蔡雨恬.Proteus入门实用教程[M].北京:机械工业出版社,
[4]周润景,刘晓霞.基于Proteus的电路设计、仿真与制版[M].北京:电子工业出版社,
[5]高有堂,朱清慧.电子设计与实战指导[M].北京:电子工业出版社,