模擬電子技術(shù)課程實驗報告緒論1.1設(shè)計背景伴隨著電子技術(shù)應(yīng)用范圍的擴(kuò)展，其種類也日漸豐富，電子儀器己成為人們生活和工作不可或缺的一部分。電源作為電子產(chǎn)品的重要組成部分，發(fā)揮著極其關(guān)鍵的作用，電源系統(tǒng)優(yōu)良的穩(wěn)定性和可靠性也必然成為電子儀器正常工作的重要保障。目前，通信、辦公和家用電器、汽車生產(chǎn)等領(lǐng)域迅速發(fā)展，對電源也提出了更加嚴(yán)格的要求，傳統(tǒng)電源系統(tǒng)由于穩(wěn)定性和靈敏度等性能局限，在很大程度上也制約了相關(guān)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。20世紀(jì)中葉，晶體管的產(chǎn)生使晶體管串聯(lián)式穩(wěn)壓電源成為電源過渡元件，20世紀(jì)60年代后期，人們又對穩(wěn)壓電源進(jìn)行了改進(jìn)，開關(guān)電源快速發(fā)展，直流穩(wěn)壓電源得以廣泛使用[1]。時至今日，在電源范疇內(nèi)，供電電壓高、電流大的電子計算機(jī)電源由可控硅電源代替，低電壓、小電流電源一般用集成穩(wěn)壓器做電源。在電源的設(shè)計過程中，電源變壓器的主要功能是將市電為220V50HZ的交流電變?yōu)槿藗兯枰碾妷?，然后再通過整流電路將交流電變壓為脈動的直流電壓，最后經(jīng)過濾波電路獲得光滑的直流電壓。1.2研究意義本實驗旨在利用交流變壓器、整流環(huán)節(jié)、濾波環(huán)節(jié)和集成元件穩(wěn)壓電路將交流電壓轉(zhuǎn)化為直流電壓輸出，并且對衡量穩(wěn)壓電路性能的幾種主要參數(shù)進(jìn)行了測試和分析。隨著電子技術(shù)的快速發(fā)展，高性能的電子電路對于電源供電質(zhì)量的要求越來越高，如何設(shè)計出能滿足高性能電路要求的高精度電源便成為一大課題。直流穩(wěn)壓源為電路提供直流電壓和能量，其輸出電壓的品質(zhì)直接決定的電源性能的好壞。本實驗旨在利用交流變壓器、整流環(huán)節(jié)、濾波環(huán)節(jié)和穩(wěn)壓電路制作串聯(lián)型連續(xù)可調(diào)直流穩(wěn)壓電源，并且對衡量穩(wěn)壓電路性能的幾種主要參數(shù)進(jìn)行了測試。1.3設(shè)計任務(wù)與要求（1）任務(wù)與要求設(shè)計制作一串聯(lián)型連續(xù)可調(diào)直流穩(wěn)壓電源（2）主要技術(shù)指標(biāo)與要求：①輸出直流電壓1.5~10V可調(diào)；②最大輸出電流Icm=300mA；③穩(wěn)壓系數(shù)Sr≤0.05；④具有過流保護(hù)功能。

第2章系統(tǒng)設(shè)計2.1系統(tǒng)理論設(shè)計穩(wěn)壓電源電路框圖如圖1所示圖1穩(wěn)壓電源電路框圖2.2電源變壓器設(shè)計交流電源如圖2所示圖2交流電源圖電源變壓器的主要作用是將市電220V50HZ的交流電壓U1變成所需要的交流電壓U2，其中變壓器二次側(cè)的功率與一次側(cè)的功率之比η為：P2/P1=η（1）變壓器的二次側(cè)電壓U2通過整流后將交流電壓轉(zhuǎn)換為直流電壓，得到的半波整流和全波整流的電路輸出波形中有較大的紋波，它會影響負(fù)載電路的正常工作，為了減少脈動的電壓，需要通過低通濾波器電路進(jìn)行濾波，使輸出電壓變得平滑。在理想狀態(tài)下，應(yīng)將交流分量的紋波全部濾除，使濾波電路的輸出波形中僅僅含有直流電壓。由于濾波電路這一無源電路的存在，接入負(fù)載后必定會影響它的濾波效果。交流電壓通過整流、濾波電路后雖變?yōu)榻涣鞣至枯^小的直流電壓，但當(dāng)電網(wǎng)電壓發(fā)生波動，負(fù)載發(fā)生變化時，其值也會發(fā)生變化。穩(wěn)壓電路的功能就是使輸出的直流電壓基本不受外界溫度和負(fù)載變化的影響，因而可獲得良好的穩(wěn)定性能。變壓器變壓電壓輸出如圖3所示圖3變壓器輸出電壓圖2.3整流與濾波電路設(shè)計整流電路的作用是將交流電壓轉(zhuǎn)換成脈動且單向的直流電壓，再經(jīng)過濾波電路將大的紋波成分進(jìn)行濾除，從而輸出平滑的直流電壓。2.2.1整流電路設(shè)計整流電路是將正弦波電壓轉(zhuǎn)換為單一方向的脈動信號,常用的整流電路有單相半波整流電路與單相橋式整流電路兩種。單相橋式整流電路如圖所示圖4單相橋式整流電路圖2.2.2濾波電路設(shè)計盡管整流后的電壓為直流電壓,但波動較大,仍然不能直接作為電源使用,還需進(jìn)一步濾波,將其中的交流成份濾掉,本文采用如圖5所示的RC濾波電路。圖5RC濾波電路濾波電路輸出波形及幅值如圖所示濾波電路輸出波形及幅值圖設(shè)T為電網(wǎng)電壓的周期,設(shè)整流電路的內(nèi)阻較小且RLC較大,電容每次充電均可達(dá)到U2的峰值,RLC放電的起始斜率直線下降,經(jīng)RLC交于橫軸,且在T/2處的數(shù)值為最小值Uomin,則輸出電壓的平均值為其中,Uo(AV)為交流電壓值,Uomax半周期電壓最小值。進(jìn)而,按相似三角形可得在實際電路中,為了使濾波效果更好,濾波電容應(yīng)滿足RLC=(3~5)T/2,且電容的耐壓值應(yīng)大于1.12U2。2.4穩(wěn)壓電路的設(shè)計濾波電路能將正弦交流電壓變換為較為平滑的直流電壓,但由于輸出電壓平均值取決于變壓器副邊電壓的有效值,所以當(dāng)電網(wǎng)電壓波動時,輸出電壓的平均值也將隨之產(chǎn)生相應(yīng)的波動,同時,由于整流濾波電路內(nèi)阻的存在,當(dāng)負(fù)載變化時,內(nèi)阻上的電壓將產(chǎn)生變化,于是輸出電壓的平均值也將隨之產(chǎn)生相應(yīng)的變化,為了改變負(fù)載內(nèi)阻變化引起的直流電壓的變化,其電路圖如圖6所示。圖6穩(wěn)壓電路

第3章設(shè)計過程3.1電子元件的選擇3.1.1變壓器的選擇變壓器功率等于初、次級功率之和的一半。即P=(P1+P2)/2。因為我們設(shè)計的變壓器P2=U2xl2=12×1=12(W),則P1=P2/(0.8~0.9)=14(W)。所以我們需要選擇變壓器的功率是15W、次級輸出12V,初級輸入220V。3.1.2二極管的選擇因為穩(wěn)壓電源要求的技術(shù)指標(biāo)最大電流是1A，且IN4007的極限電流是1A，符合電路要求因此橋式整流的四個二極管(D1~D4)選用IN4007。,3.1.3三極管的選擇三極管的工作電壓.頻率和功耗等參數(shù)應(yīng)滿足電路指標(biāo)要求,極限參數(shù)必須留有足夠的裕量,2N3055的集電極最大直流耗散功率為6W,集電極最大允許直流電流15A，集電極–基極擊穿電壓為100V,集電極–發(fā)射極擊穿電壓60V,特征頻率0.08MHz。符合電路要求,選用2N3055三極管。3.1.4電容器的選用不同電路應(yīng)該選用不同種類的電容，電容在電路中實際要承受的電壓不能超過它的耐壓值。在濾波電路中,電容的耐壓值不要小于交流有效值的1.42倍。容量與電流大小有一定比例的關(guān)系，為此本電路選擇的濾波電容是大容量的電解電容。且耐壓值是15V×1.42=21.5V,為安全起見選擇25V以上;容量選擇3300uF~4700uF.電子濾波電容選擇10uF。使用電解電容的時候,還要注意正負(fù)極不要接反。電容在裝入電路前要檢查它有沒有短路、斷路和漏電等現(xiàn)象，并且核對它的電容值和耐壓值等。安裝的時候,要使電容的類別.容量.耐壓等符號容易看到,以便核實。3.1.5電阻的選用限流電阻R1取56Ω;為了保證輸出最低有1.5V，即基極須有2.2V的電壓，所以可調(diào)電阻R3的接地端必須串接一固定電阻R2，它的阻值通過實驗得出為56Ω;取樣電路由R2.R3組成，實質(zhì)上是一個分壓器;Q1起電流放大作用,V1提供基準(zhǔn)電壓12V;通過調(diào)節(jié)取樣電路的電位器R3來改變輸出電壓Uo,可用下列公式計算:Uo=[Vv1×(R2+R3)/R2+R3)]-Ve由于輸出電壓U。在1.5~10V間連續(xù)可調(diào),輸出電壓由二個電阻器R2.R3決定,Va約為0.7v,在這個穩(wěn)壓電源中R2為56Ω。R3為電位器與R2間電阻。下面用以上公式來計算R3的阻值:當(dāng)U。為1.5V時，此時線性電阻器R2的滑動端移到最下端R3=0,則R3=[VxR2/(Uo+VBE)]-R2=-330Ω3.2技術(shù)指示（1）最大輸出直流電流表明該穩(wěn)壓電源的負(fù)荷能力,與整流管和調(diào)整管的最大允許電流l有關(guān)，1.2A。（2）額定輸出穩(wěn)壓直流電壓Uo:可調(diào)壓式1.5V~12V（3）壓系數(shù)S:表示在負(fù)載電流與環(huán)境溫度保持不變的情況下,由于輸入電壓Ui的變化而引起的輸出電壓的相對變化量與輸入電壓的相對變化量的比值，即:S越小，電源的穩(wěn)定性越好，S約為10-2~10-4(4)輸出阻抗Ro:表示當(dāng)輸入電壓和環(huán)境溫度保持不變時,由于負(fù)載電流lo和變化而引起的輸出電壓的變化量與負(fù)載電流的變化量的比值，即Ro=AUo/lAto可見，如果Ro越小,則說明輸出電壓的變化越小。(5)紋波系數(shù)r:輸出電壓中交流分量占額定輸出直流電壓的百分比,即r=[(U-)/Uo]×100%顯然,r越小越好,通常穩(wěn)定電源的紋波電壓只有幾毫伏,甚至小于1毫伏22OV的交流電從插頭經(jīng)保險管送到變壓器的初級線圈,并從次級線圈感應(yīng)出約14V的交流電壓送到4個二極管。二極管在電路中的符號有短線的一端稱為它的負(fù)極(或陰極),有三角前進(jìn)標(biāo)志的一端稱為它的正極(或陽極)。它的基本作用是只允許電流從它的正極流向它的負(fù)極(即只能按三角標(biāo)示的方向流動),而不允許從負(fù)極流向正極。我們知道,交流電的特點(diǎn)是方向和電壓大小一直隨時間變化，用通俗的話說，它的正負(fù)極是不固定的。但是對照圖1便由電容器向電路供電。這個過程叫作濾波。圖中的C1便是用來完成這個工作的。經(jīng)過C1濾波后的比較穩(wěn)定的直流電經(jīng)電阻R1.線性電阻器R2.R3送到調(diào)整管Q1的基極使Q1導(dǎo)通。穩(wěn)壓管V1和二極管D5提供基準(zhǔn)電壓,經(jīng)取樣電路R2.R3送至Q1的基極,通過輸出藕合電容C4輸出穩(wěn)定的直流電壓。改變線性電位器R3的阻值可以輸出連續(xù)可調(diào)的直流電壓。

第4章調(diào)試及仿真4.1技術(shù)指標(biāo)1.穩(wěn)壓系數(shù)的測試.在負(fù)載電流、環(huán)境溫度不變的情況下,輸入電壓的相對變化引起輸出電壓的相對變化。2.調(diào)節(jié)可變電阻器的阻值，用萬用表或直流電壓表觀察輸出電壓的變化情況(連續(xù)從1.5~10V)。3、外加負(fù)載滑動變阻器并串接電流表,改變滑動變阻器的阻值來觀察電流表中輸出電流的變化情況(最大輸出電流為300mA)。4.2結(jié)果分析通過反復(fù)調(diào)試及測試，所設(shè)計的數(shù)控穩(wěn)壓電源完成了主要技術(shù)指標(biāo)，完全符合設(shè)計要求橋式整流電路的優(yōu)點(diǎn)是輸出電壓高，紋波電壓較小，二極管承受的最大反向電壓較低，同時因電源變壓器正、負(fù)半周內(nèi)都有電流供給負(fù)載，電源變壓器得到了充分的利用，效率較高。4.3仿真軟件背景Multisim是Interctive?Image?Technologies公司推出的一個專門用于電子電路仿真和設(shè)計的軟件，目前在電路分析、仿真與設(shè)計等應(yīng)用中較為廣泛。該軟件以圖形界面為主，采用菜單欄、工具欄和熱鍵相結(jié)合的方式，具有一般Windows應(yīng)用軟件的界面風(fēng)格，用戶可以根據(jù)自己的習(xí)慣和熟練程度自如使用。尤其是多種可放置到設(shè)計電路中的虛擬儀表，使電路的仿真分析操作更符合工程技術(shù)人員的工作習(xí)慣。下面主要針對Multisim11.0軟件中基本的仿真與分析方法做簡單介紹。EDA就是“Electronic?Design?Automation”的縮寫技術(shù)已經(jīng)在電子設(shè)計領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。發(fā)達(dá)國家目前已經(jīng)基本上不存在電子產(chǎn)品的手工設(shè)計。一臺電子產(chǎn)品的設(shè)計過程，從概念的確立，到包括電路原理、PCB版圖、單片機(jī)程序、機(jī)內(nèi)結(jié)構(gòu)、FPGA的構(gòu)建及仿真、外觀界面、熱穩(wěn)定分析、電磁兼容分析在內(nèi)的物理級設(shè)計再到PCB鉆孔圖、自動貼片、焊膏漏印、元器件清單、總裝配圖等生產(chǎn)所需資料等等全部在計算機(jī)上完成。EDA已經(jīng)成為集成電路、印制電路板、電子整機(jī)系統(tǒng)設(shè)計的主要技術(shù)手段。直流穩(wěn)壓電源仿真如圖所示圖7直流穩(wěn)壓電源總圖4.4直流穩(wěn)壓電源說明通過以上實驗反復(fù)調(diào)試和測試，論文設(shè)計的數(shù)控直流電源可以實現(xiàn)以下功能:(1)開機(jī)輸出電壓可預(yù)置在1.5～10V之間的任意一個值，步進(jìn)值為0．1V;(2)最大輸出電流Icm=300mA；(3)穩(wěn)壓系數(shù)Sr≤0.05；(4)具有過流保護(hù)功能；(5)系統(tǒng)性能穩(wěn)定、安全。

結(jié)論本章主要闡述了小功率穩(wěn)壓電源、整流電路和濾波電路的基本概念和特性，針對橋式常見的整流電路，著重分析了單相橋式整流電路的性能指標(biāo)、參數(shù)計算等。對于具體的應(yīng)用問題，由于組合邏輯電路，元器件的多樣性，為實現(xiàn)途徑提供了多種可能的選擇，本文實驗過于單一，應(yīng)該設(shè)計多種可能。掌握一般設(shè)計方法是基礎(chǔ)，熟悉多樣性有利于創(chuàng)新思維的培養(yǎng)。以全減器電路設(shè)計為例，舉一反三，可開闊組合邏輯電路設(shè)計的視野，指導(dǎo)其他數(shù)字邏輯電路的設(shè)計實踐。

參考文獻(xiàn)王春梅．實驗室簡易數(shù)控直流穩(wěn)壓電源的設(shè)計［J］．化工自動化及儀表，2018，37(1):102－104．克強(qiáng)．?dāng)?shù)控直流穩(wěn)壓電源［J］．赤峰學(xué)院報，2018，39(10):