電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)-實(shí)驗(yàn)報(bào)告

1、本科生實(shí)驗(yàn)報(bào)告實(shí)驗(yàn)課程 電子系統(tǒng)設(shè)計(jì) 學(xué)院名稱 專業(yè)名稱 測(cè)控技術(shù)與儀器 學(xué)生姓名 學(xué)生學(xué)號(hào) 指導(dǎo)教師 實(shí)驗(yàn)地點(diǎn) 實(shí)驗(yàn)成績(jī) 二 年 月 二 年 月實(shí)驗(yàn)一、運(yùn)放應(yīng)用電路設(shè)計(jì)一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康模?）了解并運(yùn)用NE555定時(shí)器或者其他電路，學(xué)會(huì)脈沖發(fā)生器的設(shè)計(jì)，認(rèn)識(shí)了解各元器件的作用和用法。（2）掌握運(yùn)算放大器基本應(yīng)用電路設(shè)計(jì)二、實(shí)驗(yàn)要求（1）使用555或其他電路設(shè)計(jì)一個(gè)脈沖發(fā)生器，并能滿足以下要求：產(chǎn)生三角波V2，其峰峰值為4V，周期為0.5ms，允許T有5%的誤差。圖1-1 三角波脈沖信號(hào)（2）使用一片四運(yùn)放芯片LM324設(shè)計(jì)所示電路，實(shí)現(xiàn)如下功能：設(shè)計(jì)加法器電路，實(shí)現(xiàn)V3=10V1+V2,V1是正弦

2、波信號(hào)，峰峰值0.01v，頻率10kHz。 圖1-2 加法電路原理三、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容1、555定時(shí)器的說明：NE555是屬于555系列的計(jì)時(shí)IC的其中的一種型號(hào)，555系列IC的接腳功能及運(yùn)用都是相容的，只是型號(hào)不同的因其價(jià)格不同其穩(wěn)定度、省電、可產(chǎn)生的振蕩頻率也不大相同；而555是一個(gè)用途很廣且相當(dāng)普遍的計(jì)時(shí)IC，只需少數(shù)的電阻和電容，便可產(chǎn)生數(shù)位電路所需的各種不同頻率的脈波訊號(hào)。 a. NE555的特點(diǎn)有： 1.只需簡(jiǎn)單的電阻器、電容器，即可完成特定的振蕩延時(shí)作用。其延時(shí)范圍極廣，可由幾微秒至幾小時(shí)之久。 2.它的操作電源范圍極大，可與TTL，CMOS等邏輯閘配合，也就是它的輸出準(zhǔn)位及輸入觸發(fā)準(zhǔn)

3、位，均能與這些邏輯系列的高、低態(tài)組合。 3.其輸出端的供給電流大，可直接推動(dòng)多種自動(dòng)控制的負(fù)載。 4.它的計(jì)時(shí)精確度高、溫度穩(wěn)定度佳，且價(jià)格便宜。b. NE555引腳位配置說明下： NE555接腳圖 ：圖1-3 555定時(shí)器引腳圖Pin 1 (接地) -地線(或共同接地) ，通常被連接到電路共同接地。 Pin 2 (觸發(fā)點(diǎn)) -這個(gè)腳位是觸發(fā)NE555使其啟動(dòng)它的時(shí)間周期。觸發(fā)信號(hào)上緣電壓須大于2/3 VCC，下緣須低于1/3 VCC 。 Pin 3 (輸出) -當(dāng)時(shí)間周期開始555的輸出輸出腳位，移至比電源電壓少1.7伏的高電位。周期的結(jié)束輸出回到O伏左右的低電位。于高電位時(shí)的最大輸出電流大

4、約200 mA 。 Pin 4 (重置) -一個(gè)低邏輯電位送至這個(gè)腳位時(shí)會(huì)重置定時(shí)器和使輸出回到一個(gè)低電位。它通常被接到正電源或忽略不用。 Pin 5 (控制) -這個(gè)接腳準(zhǔn)許由外部電壓改變觸發(fā)和閘限電壓。當(dāng)計(jì)時(shí)器經(jīng)營(yíng)在穩(wěn)定或振蕩的運(yùn)作方式下,這輸入能用來改變或調(diào)整輸出頻率。 Pin 6 (重置鎖定) - Pin 6重置鎖定并使輸出呈低態(tài)。當(dāng)這個(gè)接腳的電壓從1/3 VCC電壓以下移至2/3 VCC以上時(shí)啟動(dòng)這個(gè)動(dòng)作。 Pin 7 (放電) -這個(gè)接腳和主要的輸出接腳有相同的電流輸出能力，當(dāng)輸出為ON時(shí)為L(zhǎng)OW，對(duì)地為低阻抗，當(dāng)輸出為OFF時(shí)為HIGH，對(duì)地為高阻抗。 Pin 8 (V +) -

5、這是555個(gè)計(jì)時(shí)器IC的正電源電壓端。供應(yīng)電壓的范圍是+4.5伏特(最小值)至+16伏特(最大值)。 參數(shù)功能特性： 供應(yīng)電壓4.5-18V 供應(yīng)電3-6 mA 輸出電225mA (max) 上升/下時(shí)間100 nsc.NE555的相關(guān)應(yīng)用: NE555的作用范圍很廣，但一般多應(yīng)用于單穩(wěn)態(tài)多諧振蕩器（Monostable Mutlivibrator）及無穩(wěn)態(tài)多諧振蕩器(Astable Multivibrator)。2、利用555定時(shí)器產(chǎn)生方波和三角波三角波信號(hào)的產(chǎn)生：555定時(shí)器產(chǎn)生方波信號(hào)后，接一個(gè)積分電路。原理圖如圖所示：圖1-4 三角波和方波信號(hào)的產(chǎn)生產(chǎn)生信號(hào)波形圖：圖1-5 脈沖信號(hào)波

6、形圖3、產(chǎn)生有正負(fù)電壓的三角波實(shí)驗(yàn)原理：將產(chǎn)生的三角波接近運(yùn)放，在運(yùn)放的參考端，接上一個(gè)偏置電壓，這樣，當(dāng)三角波的輸出電壓達(dá)不到偏置電壓的大小，輸出即為負(fù)值。實(shí)驗(yàn)原理圖：圖1-6 產(chǎn)生完整的三角波信號(hào)輸出波形圖：圖1-7 完整三角波波形圖4、加法器的使用信號(hào)的疊加：要實(shí)現(xiàn)V3=10V1+V2,V1是正弦波信號(hào)，峰峰值0.01v，頻率10kHz。將正弦信號(hào)加在方波信號(hào)上，由于0.01v信號(hào)太微弱，所以決定用0.1v的正弦信號(hào)。加法器：我利用的反向求和電路，所以輸出V3 = (R10/R13)V1 + (R10/R12)V2 ，由圖中參數(shù)，可以算出V3=10V1+V2。原理圖如圖所示：圖1-8 信

7、號(hào)疊加圖產(chǎn)生波形圖如圖所示：圖1-9 脈沖信號(hào)疊加波形圖根據(jù)圖中的數(shù)據(jù)，可以知道，我們實(shí)現(xiàn)了V3=10V1+V2的疊加，由電壓即可直觀地看出。實(shí)驗(yàn)二、基于微控制器的直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)與仿真一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康模?）理解直流電機(jī)的驅(qū)動(dòng)原理和驅(qū)動(dòng)方式；（2）理解微控制器定時(shí)計(jì)數(shù)器工作原理及PWM發(fā)生；（3）掌握直流電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)方法；（4）掌握直流電機(jī)的驅(qū)動(dòng)軟件設(shè)計(jì)方法。二、實(shí)驗(yàn)要求（1）構(gòu)建以51微控制器為核心的直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路，包括人機(jī)接口（按鍵和顯示）、光電隔離、L298N全橋驅(qū)動(dòng)器（如圖1所示）。按鍵包括復(fù)位鍵（KEY_RST）、順時(shí)針轉(zhuǎn)向鍵（KEY_CW）、逆時(shí)針轉(zhuǎn)向鍵（KEY_CCW）、

8、調(diào)速增加鍵（KEY_UP）、調(diào)速降低鍵（KEY_DOWN）、確認(rèn)鍵（KEY_ENTER），調(diào)速步進(jìn)為滿量程的10%。圖2-1 電路原理圖（2）聯(lián)合Proteus和Keil軟件平臺(tái)，采用51微控制器的C語言編程，實(shí)現(xiàn)對(duì)1路直流電機(jī)的PWM調(diào)速控制和轉(zhuǎn)向控制。（3）建立PWM占空比與直流電機(jī)轉(zhuǎn)速的相關(guān)性數(shù)學(xué)模型。三、 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容實(shí)驗(yàn)原理：（1）直流電機(jī)轉(zhuǎn)速直流電機(jī)的數(shù)學(xué)模型可用圖2-2表示，由圖可見電機(jī)的電樞電動(dòng)勢(shì)Ea的正方向與電樞電流Ia的方向相反，Ea為反電動(dòng)勢(shì)；電磁轉(zhuǎn)矩T的正方向與轉(zhuǎn)速n的方向相同，是拖動(dòng)轉(zhuǎn)矩；軸上的機(jī)械負(fù)載轉(zhuǎn)矩T2及空載轉(zhuǎn)軍T0均與n相反，是制動(dòng)轉(zhuǎn)矩。圖2-2 直流電機(jī)的數(shù)學(xué)

9、模型根據(jù)基爾霍夫第二定律，得到電樞電壓電動(dòng)勢(shì)平衡方程式：U=Ea-Ia（Ra+Rc） 其中，Ra為電樞回路電阻，電樞回路串聯(lián)保繞阻與電刷接觸電阻的總和：Rc是外接在電樞回路中的調(diào)節(jié)電阻。由此可得到直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速公式為：n=Ua-IR/Ce（Ce為電動(dòng)勢(shì)常數(shù)，是磁通量。）因此可得n=Ea/Ce可以看出，對(duì)于一個(gè)已經(jīng)制造好的電機(jī)，當(dāng)勵(lì)磁電壓和負(fù)載轉(zhuǎn)矩恒定時(shí)，它的轉(zhuǎn)速由在電樞兩端的電壓Ea決定，電樞電壓越高，電機(jī)轉(zhuǎn)速就越快，電樞電壓降低到0V時(shí)，電機(jī)就停止轉(zhuǎn)動(dòng)：改變電樞電壓的極性，電機(jī)就反轉(zhuǎn)。（2）PWM電機(jī)調(diào)速原理 對(duì)于直流電機(jī)來說，如果加在電樞兩端的電壓為5所示的脈動(dòng)電流壓（要求脈動(dòng)電壓的周期遠(yuǎn)

10、小于電機(jī)的慣性常數(shù)），可以看出，在T不變的情況下，改變T1和T2寬度，得到的電壓將發(fā)生變化，下面對(duì)這一變化進(jìn)一步推導(dǎo)。圖2-3 施加在電樞兩端的脈動(dòng)電壓 設(shè)電機(jī)接全電壓U時(shí)，其轉(zhuǎn)速最大為Vmax。若施加到電樞兩端的脈動(dòng)電壓占空比為D=t1/T，則電樞的平均電壓為： U平=UD 可得：n=Ea/CeUD/Ce=KD 在假設(shè)電樞內(nèi)阻轉(zhuǎn)小的情況下式中K=U/CE，是常數(shù)。圖2-4為施加不同占空比時(shí)實(shí)測(cè)的數(shù)據(jù)繪制所得占空比與轉(zhuǎn)速的關(guān)系圖。圖2-4 占空比與電機(jī)轉(zhuǎn)速的關(guān)系由圖看出轉(zhuǎn)速與占空比D并不是完全的線性關(guān)系（途中實(shí)線），原因是電樞本身有電阻，不過一般直流電機(jī)的內(nèi)阻較小，可以近視為線性關(guān)系。由此可見

11、，改變施加在電樞兩端電壓就能改變電機(jī)的轉(zhuǎn)速，這就是直流電機(jī)PWM調(diào)速原理。仿真電路圖：圖2-5 仿真電路圖加速：圖2-6 加速顯示圖減速：圖2-7 減速顯示圖反轉(zhuǎn)：圖2-8 反轉(zhuǎn)顯示圖驅(qū)動(dòng)主程序：#include#include lcd.h#include#define uchar unsigned char#define uint unsigned intsbit INPUT1 = P20;sbit INPUT2 = P21;sbit ENA = P22; sbit key_zz=P30;sbit key_fz=P31;sbit key_up=P32;sbit key_down=P33;sb

12、it key_tz=P34;sbit key_ok=P35;void time_Init();void exti_Init();void Delayms(unsigned int t);uchar num=0;unsigned int timer_count=0;unsigned int Duty_cycle=1;unsigned int set_duty=1;void main(void) time_Init();exti_Init();LcdInit(); Lcd_Str(0x00,6,STATE:); while(1)if(key_ok=0)Delayms(10);if(key_ok=0

13、)Duty_cycle=set_duty;if(key_tz=0)Delayms(10);if(key_tz=0) INPUT1=0; INPUT2=0;Lcd_Str(0x40,10,direct_tz );if(key_zz=0)Delayms(10);if(key_zz=0) INPUT1=1; INPUT2=0;Lcd_Str(0x40,10,direct_zz ); if(key_fz=0)Delayms(10);if(key_fz=0) INPUT1=0; INPUT2=1;Lcd_Str(0x40,10,direct_fz);void time_Init() /定時(shí)器0配置函數(shù),

14、工作方式1,50ms中斷一次TMOD=0x01;EA=1;ET0 = 1;TH0 = (65536-5000)/256;TL0 = (65536-5000)%256;TR0 = 1; void exti_Init()/外部中斷EA=1;EX0=1;EX1=1;IT0=1;IT1=1;void timer_inter() interrupt 1TH0 = (65536-5000)/256;TL0 = (65536-5000)%256;timer_count+; if(timer_count10)timer_count=0; if(timer_count9)set_duty=0;elseset_d

15、uty+;LcdWriteCom(0x80+0x07);LcdWriteData(0+(set_duty-1)%10); Lcd_Str(0x40,10,speed_down);void exti1_inter() interrupt 2if(set_duty0;x-) for(y=120;y0;y-);實(shí)驗(yàn)三、數(shù)控電流源電路系統(tǒng)設(shè)計(jì)與仿真一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康模海?）理解數(shù)控電流源電路系統(tǒng)工作原理（2）理解V/I變換電路的工作原理（3）掌握數(shù)控電流源電路系統(tǒng)設(shè)計(jì)與仿真方法二、實(shí)驗(yàn)要求：（1）構(gòu)建如圖1所示的數(shù)控電流源電路系統(tǒng)，包括人機(jī)接口（按鍵和顯示）、DAC和V/I變換電路（圖2）。按鍵包括輸出電流

16、增加鍵（KEY_UP）、輸出電流降低鍵（KEY_DOWN）、步進(jìn)選擇鍵（KEY_STEP），步進(jìn)分為三檔0.01mA、0.1mA和1.0mA。輸出電流的范圍020mA。圖3-1數(shù)控電流源電路系統(tǒng)的原理框圖圖3-2 V/I變換電路（2）分析電路工作原理，推導(dǎo)DAC數(shù)字輸入變量與電路輸出電流的數(shù)學(xué)關(guān)系，C語言編程實(shí)現(xiàn)對(duì)LCD顯示、DAC驅(qū)動(dòng)、按鍵掃描及功能服務(wù)處理流程（如圖3所示）。圖3-3 數(shù)控電流源電路程序工作流程三、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容具有SPI接口的12位DAC：MCP4921引腳圖：圖3-4 引腳圖SPI輸入時(shí)序圖：圖3-5 時(shí)序圖寫命令寄存器：圖3-6 位邏輯實(shí)驗(yàn)原理：利用51單片機(jī)作為整機(jī)的控制

17、單元，利用D/A轉(zhuǎn)換，U/I轉(zhuǎn)換來實(shí)現(xiàn)高精度數(shù)控電流源的設(shè)計(jì)。本系統(tǒng)通過按鍵和LCD實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互，通過按鍵改變要實(shí)現(xiàn)的電流值或量程，LCD 負(fù)責(zé)顯示電流數(shù)值和量程。因?yàn)椴捎?2的DAC，而基準(zhǔn)電壓是4.096V，所以精度可以達(dá)到0.001V，再通過U/I轉(zhuǎn)換電路，就可以達(dá)到精度為0.01mA，再通過LCD顯示出來，而量程切換只需要令tmp=1，當(dāng)量程切換按鍵按下，執(zhí)行tmp*10，當(dāng)按鍵超過兩次就進(jìn)行循環(huán)，這樣即可達(dá)到0.01mA到1mA的量程改變。從而精確實(shí)現(xiàn)按鍵改變電流的大小的數(shù)控電流源的設(shè)計(jì)。仿真電路圖：圖3-7 仿真電路圖初始步進(jìn)值和電流值圖3-8 顯示圖減小電流：圖3-9 顯示圖步進(jìn)

18、值切換0.1mA量程:圖3-10 顯示圖1mA量程：圖3-11 顯示圖控制電流源數(shù)值：（顯示與電流表真實(shí)值）數(shù)控電流源主程序：#include #include lcd.h#include mcp4821.hsbit key1=P10;sbit key2=P11;sbit key3=P12;unsigned int value=2000;unsigned int step_value=2;unsigned int n;unsigned char m11=0,1,2,3,4,5,6,7,8,9;unsigned char c5=0,0,0,0,0;unsigned int pn,pstep_va

19、lue;void Delayms(unsigned int t);void main()LcdInit();Lcd_Str(0x00,6,cot :);Lcd_Str(0x40,6,Step :);pstep_value=step_value;pstep_value=pstep_value/2;c0=pstep_value/1000%10;c1=pstep_value/100%10;c2=pstep_value/10%10;c3=pstep_value%10; Lcd_Num(0x46,1,mc0); Lcd_Num(0x47,1,mc1); Lcd_Str(0x49,1,.); Lcd_Nu

20、m(0x49,1,mc2); Lcd_Num(0x4a,1,mc3); Lcd_Str(0x4c,1,m); Lcd_Str(0x4d,1,A); pn=value; pn=pn/2;c0=pn/1000%10;c1=pn/100%10;c2=pn/10%10;c3=pn%10; Lcd_Num(0x06,1,mc0); Lcd_Num(0x07,1,mc1); Lcd_Str(0x09,1,.); Lcd_Num(0x09,1,mc2); Lcd_Num(0x0a,1,mc3); MCP4821_write(0,0,1,value); while(1)if(key1=0)Delayms(10);if(key1=0)if(value4096)value=0;elsevalue+=step_value;n=value;MCP4821_write(0,0,1,value);pn=n; pn=pn/2;c0=pn/1000%10;c1=pn/100%10;c2=pn/10%10;c3=pn%10; Lcd_Num(0x06,1,mc0); Lcd_Num(0x07,1,mc1); Lcd_Str(0x09,1,.); Lcd_Num(0x09,1,mc2); Lcd_Num(0x0a,1,mc3);i