基于Proteus的直流电源仿真设计四路彩灯设计

一．任务要求
1.1设计任务
利用Proteus 进行仿真设计直流稳压电源，通过对相关参数的计算来选择恰当的元器件，元器件，设计出电路，设计出电路，设计出电路，经过仿真和焊电路板的实验结果表明，经过仿真和焊电路板的实验结果表明，经过仿真和焊电路板的实验结果表明，此可调的直流稳压此可调的直流稳压电源满足设计要求。

1.2要求通过设计学会；
（1）如何选择变压器、整流二极管、滤波电容及调整三极管或集成稳压块；（2）合理选择电路结构，并完成全电路元器件参数设计、绘制电路图；（3）短路保护实现方法
（4）掌握直流稳压电源的调试及主要技术指标
1.3 技术指标
1）设计一个可调直流稳压电源。

2）输出电压1.25V-37V 1.25V-37V 可调可调3）最大输出电流：）最大输出电流：1.5A 1.5A 4)4)电压调整精度达电压调整精度达0.1%
二．工作原理
直流稳压电源是一种将220V 工频交流电转换成稳压输出的直流电的装置，它需要变压、整流、滤波、稳压四个环节才能完成。

一般由电源变压器、整流滤波电路及稳压电路所组成，基本框图如下：
(1)(1)电源变压器：是降压变压器，它的作用是将电源变压器：是降压变压器，它的作用是将电源变压器：是降压变压器，它的作用是将220V 220V 220V的交流电压变换成整流滤波的交流电压变换成整流滤波电路所需要的交流电压电路所需要的交流电压Ui Ui Ui。

变压器的变比由变压器的副边按确定，变压器副边与原边的功率比为原边的功率比为P2/P1=n P2/P1=n P2/P1=n，式中，式中，式中n n 是变压器的效率。

(2)(2)整流电路：利用单向导电元件，将整流电路：利用单向导电元件，将整流电路：利用单向导电元件，将50HZ 50HZ 50HZ的正弦交流电变换成脉动的直流电。

的正弦交流电变换成脉动的直流电。

(3)(3)滤波电路：可以将整流电路输出电压中的交流成分大部分滤除。

滤波电路滤滤波电路：可以将整流电路输出电压中的交流成分大部分滤除。

滤波电路滤除较大的波纹成分，输出波纹较小的直流电压U1U1。

常用的整流滤波电路有全波。

常用的整流滤波电路有全波整流滤波、桥式整流滤波等。

(4)(4)稳压电路稳压电路稳压电路::稳压管稳压电路其工作原理是利用稳压管两端的电压稍有变化，会引起其电流有较大变化这一特点，通过调节与稳压管串联的限流电阻上的压降来达到稳定输出电压的目的。

三 .方案选择
3.1稳压器的选择
因为要求输出电压可调，所以选择三端可调式集成稳压器，可调式集成稳压器，常见主要有CW317CW317、、CW337CW337、、LM317LM317、、LM337LM337。

317317系列稳压器输出连续可调的正电系列稳压器输出连续可调的正电压，压，337337337系列稳压器输出连可调的负电压，可调范围为系列稳压器输出连可调的负电压，可调范围为系列稳压器输出连可调的负电压，可调范围为1.25V~37V 1.25V~37V 1.25V~37V，，最大输出电流最大输出电流 为1.5A 1.5A。

稳压内部含有过流、过热保护电路，具有安全可靠，性能优良、不易损。

稳压内部含有过流、过热保护电路，具有安全可靠，性能优良、不易损坏、使用方便等优点。

其电压调整率和电流调整率均优于固定式集成稳压构成的可调电压稳压电源。

可调电压稳压电源。

输出电压表达式为：输出电压表达式为：
式中，式中，1.251.251.25是集成稳压块输出端与调整端之间的固有参考电压是集成稳压块输出端与调整端之间的固有参考电压是集成稳压块输出端与调整端之间的固有参考电压 ，此电压加于给
定电阻两端，将产生一个恒定电流通过输出电压调节电位器将产生一个恒定电流通过输出电压调节电位器 ， 一般使用精密电位器，与其并联的电容器C 可进一步减小输出电压的纹波。

可进一步减小输出电压的纹波。

输出电压可调范围：输出电压可调范围：1.25V 1.25V 1.25V～～37V 输出负载电流：输出负载电流：1.5A 1.5A
能满足设计要求能满足设计要求,,故选用LM317LM317组成稳压电路组成稳压电路组成稳压电路 在在LM317输出端并联一发光显示电路，如图2-6所示，为避免发光二极管烧坏，串联一200Ω的电阻，以保证发光二极管正常发光。

的电阻，以保证发光二极管正常发光。

3.2全波整流
就是对交流电的正、就是对交流电的正、负半周电流都加以利用，输出的脉动电流，是将交流电负半周电流都加以利用，输出的脉动电流，是将交流电的负半周也变成正半周，即将50Hz 的交流电流，变成100Hz 的脉动电流。

的脉动电流。

3.3半波整流
就是在交流电的半个周期有电流输出，另半个周期没有电流。

50Hz 的交流
电经半波整流以后，输出的是50Hz 的脉动电流。

的脉动电流。

半波整流与全波整流半波整流与全波整流
交流电流动方向是反复交替变化的电流，而直流电是单方向流动，人们就利用二极管单向导电性将电流转换为一个方向的电流，用二极管单向导电性将电流转换为一个方向的电流，半波整流用一个二极管，半波整流用一个二极管，所以出来的电流一半有一半没有称半波整流，用在对直流电要求不是很严格的场合。

合。

而用两个二极管，可以实现将交流电所有波型全部转换成单一方向的电流，所以叫全波整流。

一般后面还需要加一个滤波电容，去除整流后的杂波即可，所以叫全波整流。

一般后面还需要加一个滤波电容，去除整流后的杂波即可，极极性不能反了。

全波整流的电路在通常变压器中常被采用。

性不能反了。

全波整流的电路在通常变压器中常被采用。

四，具体模块设计
4.1，功能分析 （1） 电源变压器电源变压器
电源变压器是利用电磁感应原理，将输入的有效值为220V 的电网电压转换为所需的交流低电压。

变压器的副边电压有效值由后面电路的需要决定。

为所需的交流低电压。

变压器的副边电压有效值由后面电路的需要决定。

（2） 整流电路整流电路
利用二极管的单向导电性，将交流电压（电流）变成单向脉动电压（电流）
的电路，称为整流电路。

小功率电路中一般采用单相半波、全波、桥式整流电路和倍压整流电路，其中，和倍压整流电路，其中，最常用的是单相桥式整流电路。

最常用的是单相桥式整流电路。

最常用的是单相桥式整流电路。

我们的设计也是采用桥我们的设计也是采用桥式整流电路。

式整流电路。

单相桥式整流电路（如图 2 2 所示）是由四只二极管组成，其构成原则就是保证所示）是由四只二极管组成，其构成原则就是保证在变压器的副边电压u2 u2 的整个周期内，负载上的电压和电流方向始终不变。

当的整个周期内，负载上的电压和电流方向始终不变。

当u2 u2 为正半周时，电流方向如图为正半周时，电流方向如图3 3 所示；当所示；当u2 u2 为负半周时，电流方向如图为负半周时，电流方向如图4 4 所所示；这样，由于两对二极管的交替导通，示；这样，由于两对二极管的交替导通，只是负载电阻在整个周期内都有电流通只是负载电阻在整个周期内都有电流通过，而且方向保持不变，输出电压为过，而且方向保持不变，输出电压为
整流电路的输入输出的波形如图5所示。

所示。

电路的主要参数电路的主要参数 对整流电路对整流电路
输出电压平均值：
输出电流平均值：
对二极管对二极管
考虑到电网电压的波动范围为10%10%，实际选用二极管时，应至少有，实际选用二极管时，应至少有10%10%的量。

的量。

的量。

最大整流电流：最大整流电流：
（3）滤波电路）滤波电路
电容滤波电路是最常见也是最简单的滤波电路，在整流电路的输出端（即负载电阻两端）并联一个电容即构成电容滤波电路，如图6 所示。

滤波电容的电容量较大，因而一般采用电解电容，容量较大，因而一般采用电解电容，且电容值愈大电路带负载的能力愈强，且电容值愈大电路带负载的能力愈强，且电容值愈大电路带负载的能力愈强，滤波滤波效果愈好。

效果愈好。

（4） 稳压电路稳压电路
稳压电路的功能是使输出的直流电压稳定，不随交流电网电压和负载的变化而变化。

在设计中，常利用电容器两端的电压不能突变和流过电感器的电流不能突变的特点，将电容器和负载电容并联或电容器与负载电阻串联，将电容器和负载电容并联或电容器与负载电阻串联，以达到使输出以达到使输出波形基本平滑的目的。

波形基本平滑的目的。

（5）LM317的应用
LM317是应用最为广泛的电源集成电路之一，它不仅具有固定式三端稳压电路的最简单形式，又具备输出电压可调的特点。

此外，还具有调压范围宽、稳压性能好、噪声低、纹波抑制比高等优点。

性能好、噪声低、纹波抑制比高等优点。

lm317lm317是可调节3端正电压稳压器，在输出电压范围1.2伏到37伏时能够提供超过1.5安的电流，此稳压器非常易于使用。

使用。

LM317作为输出电压可变的集成三端稳压块，是一种使用方便、应用广泛的集成稳压块。

集成稳压块。

317317系列稳压块的型号很多：例如LM317HVH LM317HVH、、W317L 等。

电子爱好者经常用317稳压块制作输出电压可变的稳压电源。

稳压块制作输出电压可变的稳压电源。

稳压电源的输出电压可用下式计算，稳压电源的输出电压可用下式计算，Vo=1.25Vo=1.25Vo=1.25（（1+R2/R11+R2/R1））。

仅仅从公式本身看，R1R1、、R2的电阻值可以随意设定。

然而作为稳压电源的输出电压计算公式，的电阻值可以随意设定。

然而作为稳压电源的输出电压计算公式，R1R1和R2的阻值是不能随意设定的。

的阻值是不能随意设定的。

首先317稳压块的输出电压变化范围是Vo=1.25V Vo=1.25V——37V 37V（高输出电压的（高输出电压的317稳压块如LM317HVA LM317HVA、、LM317HVK 等，其输出电压变化范围是Vo=1.25V Vo=1.25V——45V 45V）），所以R2/R1的比值范围只能是0—28.628.6。

其次是317稳压块都有一个最小稳定工作电流，有的资料称为最小输出电流，也有的资料称为最小泄放电流。

最小稳定工作电流的值一般为1.5mA 1.5mA。

由于。

由于317稳压块的生产厂家不同、型号不同，压块的生产厂家不同、型号不同，其最小稳定工作电流也不相同，其最小稳定工作电流也不相同，其最小稳定工作电流也不相同，但一般不大于但一般不大于5mA 5mA。

4.2设计电路图
BR1
2W005G
TR1
TRAN-2P2S
AC Volts
+27.5
C1
2200uF
VI 3
VO
2
U1
LM317L
D1
R1
7.5k
C2
10uF R2
200
D2D3
C3
100uF Volts
+5.00
220V 50Hz 28V 50Hz AC Volts
+220
RV4
5.1k
五.仿真
5.1软件绘图
软件绘图 5.2仿真结果
仿真结果
）原边波形 （1）原边波形（2）副边波形
）副边波形
）整流后波形 （3）整流后波形
（4）滤波后波形）滤波后波形
（5）输出直流波形）输出直流波形
5.3问题讨论问题讨论
（1）讨论C1值对输出波形有什么影响？值对输出波形有什么影响？
答：C1的作用是整流电路的滤波电容，C1取值大些，有利于减小输出纹波电压，抑制高频和脉冲干扰。

抑制高频和脉冲干扰。

（2）有无C2时，上下调节RV1对结果的影响？对结果的影响？
答：C2的作用是防止电路因RV1的调节产生的谐波产生对电路输出的影响，所以当没有C2时，在RV1调节时，输出电压很有可能会产生大的瞬间突变。

调节时，输出电压很有可能会产生大的瞬间突变。

（3）接D2，D3有什么作用？有什么作用？ 答：没有D2时，当LM317输入端元件短路时，出现U0大于U1U1，则会产生一个，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LM317LM317，，接入D2后，后，D2D2提供一个泄放电流的通路（提供一个泄放电流的通路（D2D2正偏），从而保护了LM317LM317。

没有。

没有D3时，LM317的1端产生电流会使其损坏。

端产生电流会使其损坏。

六．结论
通过这次课程设计，分析了直流稳压电源工作原理，分析了各个部分的原件对输出波型的影响，并可以简单的使用Proteus 进行一些基本的电路仿真，最终达到这次课程设计的要求，完成任务。

这次课程设计的要求，完成任务。

七．参考文献
[1] [1] 周润景周润景周润景,,张丽娜张丽娜..基于Proteus 的电路及单片机系统设计与仿真的电路及单片机系统设计与仿真[M].[M].[M].北京北京北京::北京航空航天大学出版社京航空航天大学出版社,2006 ,2006 [2][2]周润景周润景周润景,,蔡雨恬蔡雨恬.Proteus .Proteus 入门实用教程入门实用教程[M].[M].[M].北京北京北京::机械工业出版社机械工业出版社,2011 ,2011 [3][3]周润景周润景周润景,,刘晓霞刘晓霞..基于Proteus 的电路设计、仿真与制版仿真与制版[M].[M].[M].北京北京北京::电子工业出版社版社,2013 ,2013
[4][4]高有堂高有堂高有堂,,朱清慧朱清慧..电子设计与实战指导电子设计与实战指导[M].[M].[M].北京北京北京::电子工业出版社电子工业出版社,2007 ,2007
四路彩灯
一．设计要求
1、 设计思路清晰，给出整体设计框图；设计思路清晰，给出整体设计框图；
2、 设计各单元电路，给出具体设计思路、电路器件；设计各单元电路，给出具体设计思路、电路器件；
3、 总电路设计和计算机仿真总电路设计和计算机仿真
4、 安装调试电路及写出设计报告；安装调试电路及写出设计报告；
二．技术指标
用中规模集成电路设计并制作一个四路彩灯显示系统，要求如下：用中规模集成电路设计并制作一个四路彩灯显示系统，要求如下： 1、 开机自动置入初始状态后即能按规定的程序进行循环显示。

开机自动置入初始状态后即能按规定的程序进行循环显示。

2、 程序由三个节拍组成：程序由三个节拍组成：
第一节拍时，四路输出Q1～Q4依次为1，使第一路彩灯先点亮，接着第二，第三，第四路彩灯点亮。

第二节拍时，Q4～Q1依次为0，使第四路彩灯先灭，然后使第三，第二，第一路彩灯灭。

第三节拍时，Q1～Q4输出同时为1态0.5秒，然后同时为0态0.5秒，使四路彩灯同时点亮0.5秒然后同时灭0.5秒，共进行4次。

每个节拍费时都为4秒，执行一次程序共需12秒 3、 用发光二极管显示彩灯系统的各节拍；用发光二极管显示彩灯系统的各节拍；
三．工作原理
由设计要求出发可知彩灯的三个节拍可以用移位寄存器74LS194实现，通过控制S0和S1实现右移、左移和送数，通过控制CLR ＇控制清零。

第一节拍为1右移，第二节拍为0左移，第三节拍全亮为置数1，全灭为清零。

由于程序循环一次要12秒，故需要一个12进制的计数器控制循环。

第三节拍时要求1秒内全灭全亮各一次，故脉冲信号频率比先前两节拍时脉冲频率要快一倍，故脉冲信号频率比先前两节拍时脉冲频率要快一倍，而且要以相而且要以相
同频率控制CLR CLR’
’。

可以用一个16进制计数器产生脉冲号一路送到控制12进制的计数器，一路经逻辑电路送到移位寄存器。

的计数器，一路经逻辑电路送到移位寄存器。

移位计数器74LS191 
12进制循环控制器进制循环控制器
多 谐 振 荡 器
彩 灯 显 示 输 出
16进制分频计数器进制分频计数器
四．方案选择与模块设计
前面我们已经确定D0~D3接1Hz 的方波信号，那么Q0~Q3在读D0~D3的信号时是在CLK 上升沿到来的一瞬间，看图4-10的前半部分，如果二者一样，CLK 的每个上升沿到来时读到的都是高电平，灯就会一直亮着，不会出现闪的效果。

所以，当74LS194的工作方式为11时，一定要改变CLK 的信号频率为D0~D3信号频率的2倍，才可以在D0~D3的一个周期内出现CLK 的两个上升沿，Q0~Q3分别读到1和0各一次，如图4-10的后半部分。

的后半部分。

正确的时钟信号在整个12秒时间应该是前8秒为1Hz 的频率，后4秒变为2Hz 的频率，可以用555定时器产生2Hz 的方波信号，再用D 触发器分频产生1Hz 的方波信号，如图4-11所示。

二者分别与控制信号相与再通过或门即可得到CLK 信号。

信号。

v S1S0信号的产生使用D 触发器来设计一个同步三进制计数器，时钟周期
为4秒。

设计步骤如下：秒。

设计步骤如下：
v (1) 列状态真值表。

列状态真值表。

v 设S1S0对应的触发器输出分别为Q1Q0，则状态真值表如表所示: 
0 1 1 1 1 1 1 0
1 0 0 1 × × 0 0
Q 1n+1 Q 0n+1 Q 1n Q 0n
(2) (2) 求状态方程。

求状态方程。

求状态方程。

根据列出的状态真值表，分别求出Q1和Q0的状态方程为的状态方程为
(3) (3) 求驱动方程。

求驱动方程。

求驱动方程。

由D 触发器的特性方程可直接写出驱动方程为触发器的特性方程可直接写出驱动方程为 4) 4) 电路实现。

电路实现。

电路实现。

根据驱动方程，连接电路如图4-13所示。

因为我们设计出的是一个同步时序逻辑电路，注意图中两个D 触发器的时钟连接在一起接周期为4秒的时钟信号。

这部分电路也可以直接用集成计数器来完成。

这部分电路也可以直接用集成计数器来完成。

根据以上分析，连接电路如图4-14所示，其中省去了555及二分频电路，直接用数字脉冲源进行仿真。

另外，图中所有D 触发器的异步输入端在实际电路连接时最好接高电平。

产生时钟的电路用与非与非逻辑替代了与或逻辑，产生时钟的电路用与非与非逻辑替代了与或逻辑，因为与因为与非门的应用最普遍。

非门的应用最普遍。

平时我们在设计电路时，通过卡诺图化简得到的与或式，要想全部用与非门实现，可在草纸上直接画成与或逻辑，然后只需要在与门的输出端与此线的另一头即或门的输入端各加一个小圆圈，两个逻辑非抵消，不影响逻辑关系，头即或门的输入端各加一个小圆圈，两个逻辑非抵消，不影响逻辑关系，直到把直到把或门的输入处理完毕为止。

这样或门前面的与门都变成了与非门，或门变成了非或门，而根据摩根定理，非或门恒等于与非门。

图4-14中的U4:B U4:B、、U4:C 和U4:D 就是用与非与非逻辑实现的与或逻辑。

就是用与非与非逻辑实现的与或逻辑。

1110
Q Q Q n +=101Q Q n +=110
D Q Q =01D Q =
五．仿真
5.1电路原理图
5.2仿真结果
六.结论
由这次课程设计学会了双向移位寄存器74LS194的应用，实现了四个灯依次点亮与熄灭，最后4秒实现了四个灯同时灭一下亮一下，共闪四下。

学会了运用进行简单的设计与仿真。

Proteus进行简单的设计与仿真。

目录一．任务要求
二．工作原理
三．方案选择
四．具体模块设计
五．仿真
六．结论
七．参考文献
附录
电控学院
电子电路CAD课程设计
的直流电源仿真设计
题 目：
目：基于Proteus的直流电源仿真设计
院（系）：电气与控制工程学院
专业班级：
姓名：
学号：
指导教师：
2015 年1月9 日。