數(shù)控直流電流源的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

1、數(shù)控直流電源的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?了解數(shù)控技術(shù)和電源技術(shù)。2 熟悉微機(jī)原理及其接口技術(shù)。3 運(yùn)用微機(jī)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)一個(gè)數(shù)控直流電源。、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與要求基于 80x86 實(shí)驗(yàn)箱平臺(tái)設(shè)計(jì)并制作數(shù)控直流電源。 要求由鍵盤預(yù)置輸入直流電壓在 0+ 9.9V之間的任意一個(gè)值，數(shù)控直流電源輸出，且輸出電壓與給定值偏差不大于 0.1V。主要技術(shù)指標(biāo)：（1）輸出電壓：范圍 0+ 9.9V，紋波不大于10mV電壓值由數(shù)碼管顯示；（2）具有“ +”、“ - ”步進(jìn)調(diào)整的功能，步進(jìn) 0.1V；（3） 用自動(dòng)掃描代替人工按鍵，實(shí)現(xiàn)輸出電壓變化（步進(jìn)0.1V 不變）。、實(shí)驗(yàn)報(bào)告要求1 .設(shè)計(jì)目的和內(nèi)容2 總體設(shè)計(jì)3 硬件設(shè)計(jì)

2、：原理圖（接線圖）及簡要說明4軟件設(shè)計(jì)框圖及程序清單5 設(shè)計(jì)結(jié)果和體會(huì)（包括遇到的問題及解決的方法）四、總體設(shè)計(jì)采用 8086 處理機(jī)構(gòu)成該系統(tǒng)的核心數(shù)控模塊，與基本接口實(shí)驗(yàn)板相連，通過軟件編譯實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)各種功能的實(shí)現(xiàn)，經(jīng)過穩(wěn)定的功率放大電路得到。輸出部分也不再采用傳統(tǒng)的調(diào)整管方式， 而是在 D/A 轉(zhuǎn)換后，由于使用了微處理器， 整個(gè)系統(tǒng)可編程實(shí)現(xiàn)， 系統(tǒng)的靈活性大大增加。系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖如圖1 所示。圖1方案三系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖為實(shí)現(xiàn)數(shù)控直流電源的各項(xiàng)功能，系統(tǒng)分為三個(gè)組成部分： 鍵盤/顯示電路，數(shù)控模塊，穩(wěn)壓輸出電路。下面介紹系統(tǒng)各部分的基本功能：（1）鍵盤/顯示電路：該電路的顯示部分又可分為電壓預(yù)制

3、值顯示電路和電壓實(shí)際輸出值顯示電路。系統(tǒng)利用可編程并行接口 8255單元電路構(gòu)成實(shí)驗(yàn)板上 4*4小鍵盤的接口和LED 數(shù)碼管電路的接口， 從而識(shí)別鍵碼同時(shí)顯示電壓預(yù)置值；在得到實(shí)際輸出值后， 實(shí)驗(yàn)板上提供了模數(shù)轉(zhuǎn)換ADC0809單元電路，轉(zhuǎn)化成數(shù)字量后傳遞給 LED數(shù)碼管就可以顯示實(shí)際輸出值。（2）數(shù)控模塊：該部分主要由8086微處理器和數(shù)模轉(zhuǎn)換 DAC0832單元電路組成。其中 通過編寫匯編語言程序控制 8086微處理器快速完成各功能所需的復(fù)雜運(yùn)算，然后數(shù)模轉(zhuǎn)換電路DAC0832可將運(yùn)算所得的數(shù)字量轉(zhuǎn)換為模擬量。（3）穩(wěn)壓輸出電路：由于通過模數(shù)轉(zhuǎn)換電路輸出的電壓值大小有限制，通過使用運(yùn)算放大

4、器作前綴的功率放大電路，即可滿足系統(tǒng)所需電壓，又可大大減小紋波電壓。 功率放大電路通過外擴(kuò)電路實(shí)現(xiàn)。五、硬件電路設(shè)計(jì)本課題的設(shè)計(jì)可通過實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上的一些功能模塊電路組成，由于各模塊電路內(nèi)部已經(jīng)連接，用戶在使用時(shí)只要設(shè)計(jì)模塊間電路的連接，因此，硬件電路的設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)相對(duì)簡單。完 整系統(tǒng)的硬件連接如圖 2所示。數(shù)據(jù)總線8255ECCQED7PCOPCIRDPC2w心RTSETPC4CSPCSAOPC6AlPCT+5V-IOR J-IOW 二RSTCS-5513PR2謹(jǐn)盤電躊呼匸呼=C0L1CCL2C0L4r.ri剛女u震CiWL【I吐CiW4 了 |存匸 他刪了 |l；0L2CS-DAR1010K+5

5、V運(yùn)放輸出電路DACD$32I*IontlRf 1KcsXftrIonl2ILEAONDV0UT1I匸;R1 1KR2 500LM741WRl-IOWWR2DffKOCS1INOD0-D7ECCADD-?Vref(+)ADD-BVrefT-1)ADD-CALEG-UE?STARTVCCCLjOUMENABLE74LS245 輸入口 D0 ADEA DD-B島 DD-CSTCS2CS-ADCS0CS1CS2CS3CS4CS5CS6CS7地址譯碼電路圖2完整系統(tǒng)硬件連接圖實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上用到的一些功能模塊電路如下：地址譯碼電路：該單元通過三八譯碼器 74LS138與可編程邏輯器件 GAL20V8組成地址

6、譯 碼電路，產(chǎn)生 CS曠CS7的地址片選口，為系統(tǒng)確定各芯片I/O地址提供了很大的方便?？删幊滩⑿薪涌?8255單元電路：8255芯片是比較典型常用的并行接口芯片，可與實(shí)驗(yàn) 平臺(tái)上提供的4*4的鍵盤單元和LED數(shù)碼管顯示電路單元相連構(gòu)成接口電路，實(shí)現(xiàn)對(duì)鍵盤和顯示電路的控制?；据斎胼敵鰡卧娐罚和ㄟ^74LS245以及74LS373組成基本的輸入單元電路，可以方便的通過數(shù)據(jù)線讀取或輸出數(shù)據(jù)。在系統(tǒng)中通過74LS245讀取了 ADC0809的轉(zhuǎn)換完成信號(hào)EOC計(jì)數(shù)器（分頻）電路單元：該單元電路由74LS393組成，對(duì)實(shí)驗(yàn)板上提供 12MHz的時(shí)鐘 信號(hào)進(jìn)行分頻，產(chǎn)生Q0-Q7不同頻率的時(shí)鐘脈沖信號(hào)

7、。在系統(tǒng)中選用Q2作ADC0809的外部 時(shí)鐘信號(hào)。從功能角度，該電路又可分為三個(gè)部分：鍵盤/顯示電路、數(shù)控部分、穩(wěn)壓輸出電路。下面就分別對(duì)這三個(gè)部分進(jìn)行具體分析。1. 鍵盤/顯示電路的實(shí)現(xiàn)和電路連接該電路又可分為兩個(gè)部分： 電壓預(yù)制值顯示電路和電壓實(shí)際輸出值顯示電路。說明：（1）電壓預(yù)制值顯示電路8255的方式0主要用于同步傳輸數(shù)據(jù)的場(chǎng)合，課題選用方式0即可。端口 C的高4位和低4位分別連接4*4鍵盤的行、列接口，由于為非編碼鍵盤，需采用行反轉(zhuǎn)法（也可采用行掃描法）判斷所按實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上的小鍵盤為何鍵，同時(shí)通過編程把鍵值轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的數(shù)碼管段碼，實(shí)現(xiàn)數(shù)碼管顯示預(yù)置值。具體的電路連接如圖3所示。CS

8、1 f實(shí)驗(yàn)平臺(tái)）C52C0L1-C0L4CS1 t援口實(shí)驗(yàn)板CS2PC0-PC3PC4-PC7電壓預(yù)制顯示電路連接圖其中8255片選地址CS0為280H283H , LED數(shù)碼管段碼輸出選通的地址為284H287H，數(shù)碼管位選信號(hào)輸出選通的地址為288H28BH。（2）電壓實(shí)際輸出值顯示電路要在數(shù)碼管上顯示實(shí)際電壓輸出值首先需要將輸出電壓轉(zhuǎn)化為數(shù)字量，即完成A/D轉(zhuǎn)換。實(shí)現(xiàn)A/D轉(zhuǎn)換的方法很多，常用的有逐次逼近法、雙積分法及電壓頻率轉(zhuǎn)換法。其中逐次逼近法具有轉(zhuǎn)換快、精度高、抗干擾差等特點(diǎn)。ADC0809就是一個(gè)逐次比較式的 A/D轉(zhuǎn)換器。其分辨率為八位，模擬輸入電壓范圍 為05V，對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)化值為

9、00H0FFH。有八個(gè)模擬輸入通道，可在程序控制下對(duì)任意通道進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換。時(shí)鐘頻率10KHZ1280KHZ。每次只能對(duì)一路信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)換，其通道號(hào)由 地址信號(hào) A、B、C譯碼后選定。片內(nèi)有地址鎖存和譯碼器。轉(zhuǎn)換結(jié)果送入三態(tài)輸出鎖存器，當(dāng)輸出允許信號(hào) 0E有效時(shí)才輸出到數(shù)據(jù)總線上。另外，還有一個(gè)EOC信號(hào)，當(dāng)轉(zhuǎn)換完成時(shí)，會(huì)發(fā)出轉(zhuǎn)換結(jié)束狀態(tài)信號(hào)，高電平有效，可以通過對(duì)該信號(hào)的檢測(cè)來查詢是否轉(zhuǎn)換完成。ADC0809引腳連接如圖4所示。出端口 丿22I :DOADC0y09vccDODllDOVKkJFf-)0ONEDO口 DINODC田CLKIN2ALELN3STTN4OEIN3AIN6BIN7GE

10、OG1701920常10AU AAl 24.A2 衛(wèi)26, DAC0S32辺 )VCUT11 I 3個(gè)棋KI2 ?電広輸3 入琳口47LS245輸入口 DI0圖4 ADC0809引腳連接圖此連接中通道號(hào)來自地址總線，分別由讀寫控制信號(hào)來控制ST, ALE和OE等使能端。EOC信號(hào)送入74LS245總線控制器的輸入DI0 口，在程序中對(duì)74LS245總線控制器的輸出口進(jìn)行查詢式讀取 EOC信號(hào)。本系統(tǒng)中 ADC0809的輸入信號(hào)來自 DAC0832輸出電壓，具體的電路連接如圖 5所示。SDics3CREFI it+5VCLK_ADQ2CS ADIcssAOVOUT1I iAlcsv圖5電壓實(shí)際輸

11、出顯示電路連接圖其中由于ADC0809時(shí)鐘頻率范圍為10KHz1280KHz，計(jì)數(shù)器（分頻）電路單元中Q2產(chǎn)生的時(shí)鐘信號(hào)頻率 675KHZ，因此可以選擇 Q2。DAC0832的片選地址為 28CH28FH , ADC0809片選地址為 298H29BH , 74LS245總線控制器的片選地址為 29CH29FH。2. D/A數(shù)模轉(zhuǎn)換電路的使用及具體電路連接本系統(tǒng)的核心是數(shù)控技術(shù)，數(shù)控模塊關(guān)鍵的運(yùn)算通過編程由8086微處理器完成，但系統(tǒng)的運(yùn)算結(jié)果是八位數(shù)字量，必須經(jīng)過數(shù)/模轉(zhuǎn)換器后才能輸出。采用雙緩沖的D/A轉(zhuǎn)換器 DAC0832。本系統(tǒng)采用了單緩沖方式。DAC0832的輸出是電流型的，而系統(tǒng)需

12、要電壓信號(hào)，可以通過運(yùn)算放大器將其轉(zhuǎn)換為單極性或雙極性的輸出電壓。在單極性輸出中，對(duì)應(yīng)數(shù)字量00OFFH的模擬電壓 V1的輸出范圍是0 Vref，輸出端口為V0UT1單極性輸出電壓 V1再經(jīng)過運(yùn)算放大器電平偏移、 放大后，對(duì)應(yīng)數(shù)字量000FFH的模擬電壓V2的輸出范圍是VrefVref，即雙極性輸出，輸出端口為VOUT2 DAC0832引腳連接如圖6所示。3 模擬信號(hào)放大電路的分析與設(shè)計(jì)由于DAC0832單極性輸出的電壓范圍為0 5V,系統(tǒng)要求輸出電壓范圍為0 9.9V ,需通過運(yùn)算放大電路實(shí)現(xiàn)。比例運(yùn)算電路的輸出電壓與輸入電壓之間存在比例關(guān)系，從而可以實(shí)現(xiàn)信號(hào)的放大。對(duì)比例運(yùn)算電路加以擴(kuò)展或

13、演變，可以得到求和、積分和微分電路、對(duì)數(shù)和指數(shù)電路等。對(duì)輸入信號(hào)接法的不同，比例運(yùn)算電路可以分為三種基本形式：反向輸入、 同向輸入以及差分輸入比例電路。比例運(yùn)算電路使用范圍廣泛，運(yùn)放芯片種類也較多，有 LM741、LM324 NE5532等。通過比較，系統(tǒng)選用集成運(yùn)算放大器LM741構(gòu)建同向輸入比例運(yùn)算放大電路，放大兩倍即可。7所示。LM741的引腳及同相比例運(yùn)放電路具體連接如圖圖6 DAC0832引腳連接圖Rf圖7 LM741的引腳及同相比例運(yùn)放電路連接圖如圖7所示，同相比例運(yùn)算放大倍數(shù)為：u 0RfAuf1-u 1R1R1 Rf。系統(tǒng)選用R1 Rf 1k根據(jù)設(shè)計(jì)要求：Auf =2，即可確定

14、電路各參數(shù)：R2 R1/Rf 500六、系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì).開始.顯示主菜單鍵盤按鍵讀取鍵盤按鍵讀取算法子程序啟動(dòng)模數(shù)、數(shù)模轉(zhuǎn)換反轉(zhuǎn)法掃描平臺(tái)鍵盤重新開始程序數(shù)碼管顯示左2位顯示預(yù)置值右2位顯示實(shí)際值是A鍵N是B鍵是C鍵是D鍵步長0.1V的正向掃描是E鍵步長0.1V的負(fù)向掃描是F鍵輸出三角波步進(jìn)+ 0.1V步進(jìn)一0.1VY系統(tǒng)軟件主要完成的功能分為以下幾部分：（1）并行接口單元電路 8255連接小鍵盤，識(shí)別按鍵、產(chǎn)生鍵碼并在數(shù)碼管上顯示；（2） 啟動(dòng)DAC0832進(jìn)行數(shù)模轉(zhuǎn)換，將預(yù)置電壓縮小1/2后單極輸出；（3） 將輸出電壓傳遞給模數(shù)轉(zhuǎn)換電路，啟動(dòng)ADC0809進(jìn)行轉(zhuǎn)換，采樣得到結(jié)果并在數(shù)碼 管上

15、顯示；（4）實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行進(jìn)行控制，完成系統(tǒng)步進(jìn)、掃描、擴(kuò)展輸出電壓等功能。系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)主要由主程序，菜單界面子程序，行反轉(zhuǎn)法鍵盤掃描子程序，鍵盤按鍵取值子程序，算法子程序，顯示子程序，“ +”、“”步進(jìn)子程序，“ + ”、“”掃描子程序和三角波電壓產(chǎn)生子程序組成，程序流程如圖8所示。下面將對(duì)所涉及到幾個(gè)重要子程序進(jìn)行介紹。行反轉(zhuǎn)法鍵盤掃描子程序（TESTKEY ）:該子程序通過行反轉(zhuǎn)法檢測(cè)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)鍵盤， 取得鍵值。但該子程序不能判斷鍵盤被多次按下時(shí)的鍵值，只能得到最后一次按鍵的鍵值， 而系統(tǒng)要求預(yù)置值為兩位數(shù)，因此還需再設(shè)計(jì)一個(gè)鍵盤按鍵取值子程序。鍵盤按鍵取值子程序（KEYINPUT

16、）:該子程序先調(diào)用一次鍵盤掃描子程序，但在取 得鍵值后并非立即返回主程序，而是繼續(xù)掃描鍵盤， 直到確定鍵盤掃描子程序已經(jīng)掃描不到按鍵為止。這樣的作用是每調(diào)用一次鍵盤按鍵取值子程序就能取得一個(gè)鍵值，不會(huì)因?yàn)檫B續(xù)按鍵而將前面的鍵值覆蓋。該子程序流程如圖9所示。圖9鍵盤按鍵取值子程序流程圖算法子程序（COUNT ）:通過兩個(gè)鍵盤按鍵取值子程序（鍵值為09）取得系統(tǒng)預(yù)置值，高位為 Vin1，低位為Vin2，暫不考慮小數(shù)。但輸入為十進(jìn)制數(shù)，首先需轉(zhuǎn)化為十六進(jìn) 制數(shù)，轉(zhuǎn)換公式為：Vin Vin1 * 10 Vin2(4)由于 DAC0832輸入范圍為 OOOFFH，輸出范圍為 0+5V，即+5V對(duì)應(yīng)的是數(shù)

17、字量 255 (0FFH )，每個(gè)數(shù)字量表示的模擬量為5/256V。由此可得出預(yù)置電壓( Vin )轉(zhuǎn)換的相應(yīng)數(shù)字量DATA公式為：Vin* 256 Vin*256DATA=(5)10*5* 2100經(jīng)過DAC0832后就可得到范圍在 05V內(nèi)的電壓。再通過ADC0809轉(zhuǎn)換后，得到相應(yīng)的十 六進(jìn)制的8位實(shí)際輸出電壓數(shù)字量， 為了在數(shù)碼管上顯示實(shí)際輸出電壓， 要采用相反的轉(zhuǎn)換 分別得出十進(jìn)制的實(shí)際輸出電壓高位、低位?！?+ ”、“”掃描子程序(FSCAN/BSCAN ):該子程序只需循環(huán)調(diào)用相應(yīng)的“ + ”、“”步進(jìn)子程序(JIAY/JIANY )，在每次調(diào)用結(jié)束后根據(jù)系統(tǒng)所需間隔時(shí)間增加一個(gè)中斷子程序 或延時(shí)子程序(DELAY2 )。以“ + ”掃描子程序?yàn)槔?，?dāng)鍵盤按鍵取值子程序返回的鍵值為 0EH時(shí)，調(diào)用“ + ”掃描子程序。進(jìn)入子程序后，循環(huán)調(diào)用鍵盤掃描子程序，如果返回的鍵 值仍是0EH，則調(diào)用延時(shí)約為 1秒的延時(shí)子程序、步長為 0.1V的“+”步進(jìn)子程序、算法 子程序和顯示子程序，即可實(shí)現(xiàn)間隔約為1秒的“ +”掃描功能；如果鍵盤掃描子程序返回的鍵值不是0EH，則返回主程序。該子程序流程和具體程序如圖10所示。圖10“+”掃描子程序流程圖