通过本实验，掌握电源电路的稳压原理以及稳压电源主要技术参数的测量方法。了解稳压电源的电路元件参数设计要点。

一、实验原理

      电路系统的直流偏置以及信号功率放大通常需要直流电源来供电。除了某些特殊场合必须使用化学电池或可充电电池外，在大多数情况下采用电网提供的交流电经过转换获得直流电源，即稳压电源。稳压电源电路一般由变压器、整流电路、滤波电路、稳压电路几部分构成。

      变压器的作用是将有效值为220V的交流电压降为直流电源电路要求的交流电压值，为整流、滤波、稳压电路提供低压正弦激励V_i。

      变压器的主要参数有初级与次级变换传输比值以及输出功率。变换传输比值由初级与次级匝数比决定，对于降压变压器，次级匝数小于初级匝数。变压器输出功率决定次级最大允许电流，根据能量守恒原理，降压变压器次级电流大于初级电流，因此次级绕组线径必须大于初级绕组线径。

      全波桥式整流电路由四只整流二极管D₁~D₄组成。如果整流电路的负载为纯电阻，整流电路则将50Hz交流正弦波转变为100Hz单向脉动波形。单向脉动波形的脉动系数(一次谐波幅度与直流分量之比)较大，理论值达66.7%。可以通过滤波电路来减少脉动系数，有效的方法是在全波桥式整流电路输出端并联一个电容C₁。当脉动波形上升时电容C₁处于充电阶段，由于二极管内阻较低，电容C₁上的电压能够在较短的时间内到达脉动波形的峰值V_m。当脉动波形下降时电容C₁以非恒定电流I₁向负载电路放电，电容C₁上的电压逐步下降，直到下一个脉动上升波形的到来，又开始新的电容C₁充放电周期。滤波C₁上的电压波形，与全波整流脉动波形相比滤波电压波形的纹波显著减小。

      虽然经过整流与滤波可以得到比较平滑的直流电压，但由于市电波动以及负载的变化等因素的影响，滤波电压也随之变化。稳压电路的作用就是通过电压负反馈来实现直流电源输出电压的稳定。

      稳压电路由基准电压、取样、误差放大和电流放大、输出滤波等电路构成。

      基准电压电路由电阻R₁和Zener二极管D₅组成，D₅工作于反向击穿状态，D₅上的电压V_Z几乎不随电流而变。

      取样电路由R₂、R₃构成，它将稳压电源输出V_o的进行分压，反馈至运算放大器的反相输入端，与运算放大器同相端的基准电压V_Z进行误差比较放大。经过功率晶体管Q₁的电流放大，使负载R_L上得到稳定的直流电压V_o。

      当电路输出电压V_o偏离规定值时，采样电压V_f也偏离基准电压V_Z。由于运算放大器处于深度负反馈状态，因此能够在很短的时间内反方向调整电路输出电压V_o，使采样电压V_f回到基准电压值上。所以在稳压电源正常工作时，采样电压V_f总是与基准电压V_Z相等。

      人为调整取样电阻R₂与R₃比值能够获得所需的输出电压V_o，但稳压电源电路的最大调节范围还受运算放大器的输出动态范围的限制。

      当R₂/R₃值变大时，采样电压V_f将向低于基准电压V_Z的方向偏离，运算放大器试图通过增加输出电压V_o来提高采样电压V_f值，以使采样电压V_f回到基准电压值上。但是，由于运算放大器的最大输出电压不能超过其偏置电压(即滤波电压V₁)值，如果R₂/R₃值太大，则运算放大器无法输出超过其动态范围的电压，因此采样电压V_f将无法自动调整到基准电压值上。此时稳压电源电路不能正常工作，失去稳压功能，输出电压V_o与基准电压V_Z的关系不式满足。

二、实验内容

      对稳压电源电路进行瞬态仿真分析。

      信号源为正弦电压源VSIN(VOFF=0V，VAMPL=12V，FREQ=50Hz)。仿真设置为Time Domain(Transient)：Run to(100ms)，Start saving data(50ms)，Maximun step(0.05ms)。

（一）输出电压范围分析

      当负载电阻R_L=10Ω，输出电压采样电阻R₂为68kΩ，采样电阻R₃分别为1GΩ、200kΩ、100kΩ、56kΩ、33kΩ时，分别测量稳压电源输出电压采样值V_f及输出电压值V_o。通过V_f与V_Z测量值的比较，得出稳压电源输出电压范围V_{o_min}、V_{o_max}。

（二）稳压系数分析

      负载电阻R_L=10Ω，电压采样电阻R₂=68kΩ，R₃=100kΩ。

      输入正弦电压V_i幅度由12V改变±10%(10.8V~13.2V，ΔV_i/V_i=20%)，观察输出电压平均值V_o随输入正弦电压幅度改变而变化的情况。测量输出电压平均值的变化ΔV_o，计算稳压电源的稳压系数值S_r。

      使用参数扫描方法，步骤如下：

      双击正弦电压V_i幅度值VAMPL，在出现的“Display Properties”窗口中将值改成{Vval}。按Ok钮。

      再执行“Place/Part”命令，从SPECIAL库调出PARAM符号，放于原理图中空处位置。双击PARAM符号，编辑该元件属性参数，接New Column按钮，在出现的“Add New Column”窗口中， Name填入Vval、Value填入12V。按Ok钮。

      然后执行“Pspice/Edit Simulation Profile”命令，在Options框中选择Parametric Sweep。在Sweep Variable中，选择Global paramater。在Paramater中填Vval。在Sweep type中Start取10.8V，End取13.2V，Increment取1.2V，按确定钮。

      瞬态仿真其它设置参数不变。

（三）输出阻抗分析

      电压采样电阻R₂=68kΩ，R₃=100kΩ。输入正弦电压V_i幅度VAMPL=12V。

      为减小测量误差，应选择适当的负载电阻R_L，使输出电压平均值V_o2达到开路(R_L=1GΩ)输出电压平均值V_o1的1/2左右。

      根据测得的V_o1、V_o2数据，计算稳压电源的输出阻抗r_o (内阻)。

（四）滤波电压纹波分析

      1、滤波电容值对纹波的影响

      负载电阻R_L=10Ω，电压采样电阻R₂=68kΩ，R₃=100kΩ。

      使用参数扫描方法，改变滤波电容值C₁分别为1000μF~5000μF，变化步长为1000μF。观察V₁纹波峰峰值ΔV₁随滤波电容值C₁改变而变化的情况。测量不同滤波电容值C₁所对应的V₁纹波峰峰值ΔV₁与纹波系数S。

      2、负载电流对纹波的影响

      滤波电容值C₁=4700μF，电压采样电阻R₂=68kΩ，R₃=100kΩ。

      使用参数扫描方法，改变负载电阻值R_L分别为10Ω~50Ω，变化步长为10Ω。观察V₁纹波峰峰值ΔV₁随负载电阻值R_L(负载电流I_L)改变而变化的情况。测量不同负载电阻值R_L(负载电流I_L)所对应的V₁纹波峰峰值ΔV₁与纹波系数S。