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)一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康牧私鈹?shù)控技術(shù)和電源技術(shù)。熟悉微機(jī)原理及其接口技術(shù)。運(yùn)用微機(jī)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)一個(gè)數(shù)控直流電源。二、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(pán)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）。三、實(shí)驗(yàn)報(bào)告要求設(shè)計(jì)目的和內(nèi)容總體設(shè)計(jì)硬件設(shè)計(jì)：原理圖（接線

2、圖）及簡(jiǎn)要說(shuō)明軟件設(shè)計(jì)框圖及程序清單設(shè)計(jì)結(jié)果和體會(huì)（包括遇到的問(wèn)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(guò)軟件編譯實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)各種功能的實(shí)現(xiàn)，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，經(jīng)過(guò)穩(wěn)定的功率放大電路得到。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(pán) / 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(pán) / 顯示電路： 該電路的顯示部分又可分為電壓預(yù)制值顯示電路和

3、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(pán)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(guò)編寫(xiě)匯編語(yǔ)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(guò)模數(shù)轉(zhuǎn)換電路輸出的電壓值大小有限制，通過(guò)

4、使用運(yùn)算放大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(guò)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(guò)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(jiǎn)單。完整系統(tǒng)的硬件連接如圖2 所示。數(shù)據(jù)總線-IOR-IOWRSTCS-55運(yùn)放輸出電路Rf 1KR1 1K輸出CS-DAR2 500CS1CS2CS-ADCS-DICS0CS1CS2CS3CS4CS5CS6CS7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(guò)三八

5、譯碼器74LS138 與可編程邏輯器件GAL20V8組成地址譯碼電路，產(chǎn)生CS0CS7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?255 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(pán)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(pán)和顯示電路的控制?；据斎胼敵鰡卧娐罚和ㄟ^(guò) 74LS245 以及 74LS373 組成基本的輸入單元電路，可以方便的通過(guò)數(shù)據(jù)線讀取或輸出數(shù)據(jù)。在系統(tǒng)中通過(guò)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)

6、實(shí)驗(yàn)板上提供12MHz的時(shí)鐘信號(hào)進(jìn)行分頻， 產(chǎn)生 Q0Q7不同頻率的時(shí)鐘脈沖信號(hào)。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(pán)/ 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(pán) /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。下面分別說(shuō)明：（）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(pán)的行、列接口，由于為非編碼鍵盤(pán)，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

7、鍵盤(pán)為何鍵，同時(shí)通過(guò)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。其中8255片選地址CS0 為圖 3電壓預(yù)制顯示電路連接圖280H 283H ， LED 數(shù)碼管段碼輸出選通的地址為284H 287H ，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

8、入電壓范圍為 0 5V ，對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)化值為00H 0FFH。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 10KHz 1280KHz 。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)OE 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(guò)對(duì)該信號(hào)的檢測(cè)來(lái)查詢是否轉(zhuǎn)換完成。 ADC0809 引腳連接如圖 4 所示。圖 4 ADC0809 引腳連接圖此連接中通道號(hào)來(lái)自地址總線，分別由讀寫(xiě)控制信號(hào)來(lái)控制ST，ALE 和

9、 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(lái)自DAC0832 輸出電壓，具體的電路連接如圖5 所示。圖 5電壓實(shí)際輸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28CH 28FH ，ADC0809 片選地址為298H 29BH ， 74LS245 總線控制器的片選地址為29CH 29FH。2 D/A 數(shù)模轉(zhuǎn)換

10、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(guò)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(guò)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)需要電壓信號(hào)，可以通過(guò)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000FFH的模擬電壓V1 的輸出范圍是0VREF ，輸出端口為VOUT1；單極性輸出電壓V1 再經(jīng)過(guò)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VREF VREF，即雙極性輸出，輸出端口為VOUT2。 D

11、AC0832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09.9V ，需通過(guò)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(lèi)也較多，有LM741、 LM324、 NE5532 等。通過(guò)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

12、可。LM741 的引腳及同相比例運(yùn)放電路具體連接如圖7 所示。圖 6 DAC0832 引腳連接圖圖 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：A ufu 0Rfu 11R1根據(jù)設(shè)計(jì)要求： Auf =2 ，即可確定電路各參數(shù)： R1 Rf 。系統(tǒng)選用 R1 Rf1k ，R2R1/R f500。六、系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)開(kāi) 始顯示主菜單鍵盤(pán)按鍵讀取Y鍵值>9 否N鍵盤(pán)按鍵讀取NY鍵值>9 否算法子程序啟動(dòng)模數(shù)、數(shù)模轉(zhuǎn)換數(shù)碼管顯示左 2 位顯示預(yù)置值右 2 位顯示實(shí)際值反轉(zhuǎn)法掃描平臺(tái)鍵盤(pán)N 有按鍵否YPC 鍵盤(pán)輸入是 ESC否N取平臺(tái)鍵盤(pán)按鍵值是 A 鍵N

13、是 B 鍵N是 C 鍵N是 D 鍵N是 E 鍵N是 F 鍵反轉(zhuǎn)法掃描鍵盤(pán)Y有按鍵否Y回到 DOSY 重新開(kāi)始程序Y 輸出三角波Y步進(jìn) 0.1VY步進(jìn) 0.1VY 步長(zhǎng) 0.1V 的正向掃描Y 步長(zhǎng) 0.1V 的負(fù)向掃描圖 8 系統(tǒng)流程圖N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(pán)，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

14、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(pán)掃描子程序，鍵盤(pán)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(pán)掃描子程序（TESTKEY ）：該子程序通過(guò)行反轉(zhuǎn)法檢測(cè)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)鍵盤(pán)，取得鍵值。但該子程序不能判斷鍵盤(pán)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(pán)按鍵取值子程序。鍵盤(pán)按鍵取值子程序（KEYINPUT ）：該子程序先調(diào)用一次鍵盤(pán)掃描子程序，但在取得鍵值后并非立即返回主程序，而

15、是繼續(xù)掃描鍵盤(pán)，直到確定鍵盤(pán)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(pán)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(pán)按鍵取值子程序流程圖算法子程序（ COUNT ）：通過(guò)兩個(gè)鍵盤(pán)按鍵取值子程序（鍵值為09）取得系統(tǒng)預(yù)置值，高位為V in1 ，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：V in V in1 * 10V in2（ 4）由于 DAC0832 輸入范圍為000FFH ，輸出范圍為0+5V ，即 +5V對(duì)應(yīng)的是數(shù)字量 255（0FFH ），每個(gè)數(shù)字量表示的模擬量為5/

16、256V 。由此可得出預(yù)置電壓（V in ）轉(zhuǎn)換的相應(yīng)數(shù)字量 DATA 公式為：V in * 256Vin * 256（ 5）DA TA=10010* 5* 2經(jīng)過(guò) DAC0832 后就可得到范圍在 05V 內(nèi)的電壓。 再通過(guò) 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(pán)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(pán)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(zhǎng)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(pán)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“+”掃描子程序流程圖和具體程序參考“ +”、“”掃描子程序即可得到