畢業(yè)設(shè)計(jì)----數(shù)控直流電流源

1、<p><b>　　目 錄</b></p><p>　　一 方案設(shè)計(jì)與論證---------------------------------------------------------3</p><p>　　總體設(shè)計(jì)方案與比較--------------------------------------------------3</p>

2、<p>　　二 模塊電路設(shè)計(jì)及比較-----------------------------------------------------3</p><p>　　2.1電源模塊-----------------------------------------------------------4</p><p>　　2.2數(shù)碼管顯示模塊--------------------

3、---------------------------------5</p><p>　　2.3 D/A轉(zhuǎn)換模塊-------------------------------------------------------7</p><p>　　2.4 恒流源模塊---------------------------------------------------------7</p

4、><p>　　三 軟件設(shè)計(jì)---------------------------------------------------------------9</p><p>　　3.1 4*4鍵盤工作原理---------------------------------------------------9</p><p>　　3.2 數(shù)值處理原理-----------

5、-------------------------------------------10</p><p>　　3.3 程序流程方框圖----------------------------------------------------11</p><p>　　3.4 程序清單--------------------------------------------------------

6、--12</p><p>　　四 系統(tǒng)測(cè)試---------------------------------------------------------------12</p><p>　　4.1 功能測(cè)試----------------------------------------------------------12</p><p>　　4.2紋波系數(shù)測(cè)

7、試-------------------------------------------------------13</p><p>　　五 數(shù)據(jù)處理---------------------------------------------------------------14</p><p>　　5.1 康銅絲阻值測(cè)試----------------------------------

8、-----------------14</p><p>　　5.2 誤差測(cè)試---------------------------------------------------------14</p><p>　　六 發(fā)揮與創(chuàng)新-------------------------------------------------------------16</p><p&

9、gt;　　參考文獻(xiàn)------------------------------------------------------------------17</p><p>　　儀器儀表------------------------------------------------------------------17</p><p>　　附錄-----------------------

10、-----------------------------------------------18</p><p>　　數(shù)控直流電流源（F題）</p><p>　　摘 要: 本設(shè)計(jì)分四個(gè)模塊：?jiǎn)纹瑱C(jī)控制及顯示模塊、數(shù)模（D/A）轉(zhuǎn)換模塊、恒流源模塊、輸出顯示模塊。單片機(jī)控制模塊以單片機(jī)為核心，對(duì)輸入電流信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)換成數(shù)字量輸出；恒流源模塊將D/A轉(zhuǎn)換來的電壓模擬量通過恒流源電路變成恒流；顯

11、示模塊有兩個(gè)：一個(gè)是由74LS164移位寄存器和數(shù)碼管構(gòu)成，顯示預(yù)值；另一個(gè)是在輸出端以CC7107為核心的A/D轉(zhuǎn)換芯片，顯示實(shí)際測(cè)量值。此外，本設(shè)計(jì)可實(shí)現(xiàn)電流0—2A且有±1mA和±10mA的兩種步進(jìn)，同時(shí)有數(shù)碼顯示輸入的電流值。</p><p>　　關(guān)鍵字：鍵盤控制 D/A轉(zhuǎn)換 恒流源 A/D轉(zhuǎn)換</p><p>　　Constant current

12、resource digital controlled</p><p>　　Abstract: The system is designed basing on a single-chip microcomputer of model AT89C51.The constant current resource of digital controlled includes main four modules---

13、a DA converter、a constant current resource 、a output display circuit and a single-chip microcomputer controlled circuit. LED provides with beforehand setting and display .It can change and measure the current with a step

14、 of 1mA and 10mA by the key of “+”and “-”. Because of using model AD7521, It is characteristic of its high pre</p><p>　　Key words: Keyboard controlled D/A converter Constant current resource A/D converte

15、r</p><p><b>　　一 方案設(shè)計(jì)與論證</b></p><p>　　1.1．總體設(shè)計(jì)方案與比較：</p><p>　　方案一：通過編碼開關(guān)來控制存儲(chǔ)器的地址；根據(jù)地址輸出對(duì)應(yīng)的數(shù)字量送數(shù)模（D/A）進(jìn)行轉(zhuǎn)換；再根據(jù)輸出的電壓量來控制電流的變化；同時(shí)；通過四個(gè)編碼開關(guān)的BCD碼送給4511及數(shù)碼管顯示。此方案的優(yōu)點(diǎn)是電路簡(jiǎn)單，缺點(diǎn)是

16、數(shù)據(jù)量大且存儲(chǔ)器存儲(chǔ)容量有限，在實(shí)驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn)編碼開關(guān)不穩(wěn)定，所以不宜采用。其電路方框圖如圖1.1所示：</p><p>　　圖1.1 方案一方框圖</p><p>　　方案二：采用以89C51為核心的單片機(jī)系統(tǒng)來控制12位AD7521的數(shù)據(jù)的輸入并將其轉(zhuǎn)換成模擬量輸出同時(shí)單片機(jī)把輸入的預(yù)值電流送數(shù)碼管顯示，再根據(jù)輸出的電壓量來控制電流的變化，此方案的優(yōu)點(diǎn)是輸入的預(yù)值電流信號(hào)穩(wěn)定且避免了

17、大量的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，所以電路設(shè)計(jì)和制作采用方案二。其電路方框圖如圖1.2所示：</p><p>　　圖1.2 方案二方框圖</p><p>　　二 模塊電路設(shè)計(jì)及比較</p><p>　　系統(tǒng)硬件以A789C51單片機(jī)為核心，外圍包括電源模塊、數(shù)碼管顯示模塊、D/A轉(zhuǎn)換模塊及恒流源模塊。</p><p><b>　　2．1 電源模塊&l

18、t;/b></p><p>　　本設(shè)計(jì)共用到電源有三種：即±5V +5V +21V.</p><p>　　2.1.1 電源原理</p><p>　　穩(wěn)壓電源由電源變壓器、整流電路、濾波電路和穩(wěn)壓電路組成，如圖2.1</p><p>　　圖2.1 電源方框及波形圖</p><p>　　a 整流和濾波電

19、路：整流作用是將交流電壓U2變換成脈動(dòng)電壓U3。濾波電路一般由電容組成，其作用是脈動(dòng)電壓U3中的大部分紋波加以濾除，以得到較平滑的直流電壓U4。</p><p>　　b 穩(wěn)壓電路：由于得到的輸出電壓U4受負(fù)載、輸入電 壓 和 溫度的影響不穩(wěn)定，為了得到更為穩(wěn)定電壓添加了穩(wěn)壓電路，從而得到穩(wěn)定的電壓U0。</p><p>　　+5V其中+5 V給AD7521供電；-5V為AD7521參考電壓

20、。由于要求輸出的電流最大值為2000mA，而且取樣電阻為1歐所以要求AD7521輸出的電壓至少為2伏，通過計(jì)算-5伏的電壓足夠?qū)崿F(xiàn)上述要求。</p><p>　　圖2.3中電路提供+5V的電源；主要用于單片機(jī)（AT89C51）、數(shù)碼顯示（包括74LS164,CC7107）、鍵盤。</p><p>　　圖2.4中提供的21V的電源用于LM358和 VCC . 由于要求輸出的電流最大值為200

21、0mA,而且主要電流從它通過，所以要用大電容，本設(shè)計(jì)采用兩個(gè)4700UF 50V的電容并聯(lián)(同時(shí)為了減小紋波系數(shù)本設(shè)計(jì)在兩個(gè)電容之間接入有源濾波電路)，由于的LM358的耐壓值最大可達(dá)42V，所以LM358可以安全工作 。</p><p>　　圖2.2 ±5V電源原理圖</p><p>　　圖2.3 +5V電源原理圖</p><p>　　圖2.4 VCC

22、電源原理圖</p><p>　　2.2 數(shù)碼管顯示模塊：</p><p>　　74LS164為串行輸入并行輸出的移位寄存器，可以作為靜態(tài)顯示器接口，接在89C51的串行口上用于數(shù)碼的顯示。數(shù)碼顯示模塊如圖2.5所示。</p><p>　　圖 2.5預(yù)值數(shù)碼顯示模塊原理圖</p><p>　　利用CC7107A/D轉(zhuǎn)換器組裝成3.5位數(shù)字電壓表

23、, 該電路為CC7107,LED和若干無源元件組成的數(shù)字電壓表電路。該電路采用標(biāo)準(zhǔn)的3.5位顯示電路進(jìn)行顯示，其中最高位可以顯示千位的 “1”和顯示負(fù)號(hào)。此外，由于該電路的兩個(gè)輸入端即COM 與V+端的電位差具有很高的穩(wěn)定性，可以作為參考電壓源。因此，可以通過分壓的方法來擴(kuò)大它的量程。由于兩個(gè)輸入端最大承受電壓為200mV因此要實(shí)現(xiàn)最大值為2000mV的顯示可以用以下分壓形式（本設(shè)計(jì)所采用的）如圖2.6所示：</p>&l

24、t;p>　　圖2.6 數(shù)字電壓表的外接電路</p><p>　　通過上面的電路可以測(cè)量最大值為2000mV的 電壓</p><p>　　而在本設(shè)計(jì)中的采樣電阻為1歐所以被測(cè)電壓值即為被測(cè)電流值.</p><p>　　圖2.7 3.5位數(shù)字電壓表原理圖</p><p>　　2.3 D/A轉(zhuǎn)換模塊：</p><p&g

25、t;　　AD7521作為D/A轉(zhuǎn)換器其芯片管腳如圖2.8 所示BIT1—BIT12為數(shù)字量輸入，Rfe為模擬量輸出，Vref為參考電壓Vdd為+5V電源。數(shù)模轉(zhuǎn)換公式：</p><p><b>　?。?-1）</b></p><p>　　例如: BIT1—BIT12為（111111111111）且Vref為-5V，則：</p><p><

26、b>　?。?-2）</b></p><p>　　當(dāng)BIT1—BIT12為（100000000000）且Vref為-5V,則：</p><p><b>　?。?-3）</b></p><p>　　由于該設(shè)計(jì)的發(fā)揮部分要求步進(jìn)1 毫安；基與此，本設(shè)計(jì)將采用AD7521的12位數(shù)模轉(zhuǎn)換來代替AD7520的10位數(shù)模轉(zhuǎn)換。</p

27、><p>　　圖2.8 AD7521芯片管腳圖</p><p><b>　　2.4、恒流源模塊</b></p><p>　　方案一：本設(shè)計(jì)在起初利用圖2.9所示 恒流源電路 ， 運(yùn)放的輸出端通過三極管與反向輸出端相連，構(gòu)成負(fù)反饋電路，由于運(yùn)放的同相輸入端與反相輸入端在理論上是虛短的，且運(yùn)放的輸入電阻無窮大，因此反相端和同相端的電位相等，即,又由于三

28、極管的發(fā)射極與集電極電流僅相差微小的基極電流，可視為兩者相等即。因此可以通過改變同相輸入端的電壓來調(diào)整輸出電流的大小。</p><p><b>　　例如： 時(shí)，</b></p><p>　　但是在測(cè)試對(duì)的控制比預(yù)期效果差，總是小于理論值。</p><p>　　方案二： 運(yùn)放的反相端輸入端與輸出端同樣采用負(fù)反饋電路，但是由于在反饋電路中加入了可調(diào)

29、電阻，使得取樣電阻上的電流可以微調(diào)，實(shí)現(xiàn)輸出電流與理論值相同，大大提高了輸出電流的精度，又由于運(yùn)放的同相輸入端的信號(hào)來自與數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊的運(yùn)放輸出，穩(wěn)定度很高。所以恒流源采用方案二。原理圖如圖2.10所示，圖中輸出端取樣電阻為1歐大功率電阻；康銅絲具有功率大，受熱情況下其阻值改變不大，所以采用康銅絲代替。（其阻值采用LCR數(shù)字電橋精確測(cè)量）。</p><p>　　圖2.9方案一恒流源電路原理圖</p>

30、<p>　　圖2.10方案二恒流源電路原理圖</p><p><b>　　三 軟件設(shè)計(jì) </b></p><p>　　本作品使用WAVE系列仿真器作為編程器件，它是以WINDOWS為設(shè)計(jì)平臺(tái)，在使用時(shí)先在WAVE環(huán)境下編輯程序，然后保存程序、建立新項(xiàng)目、設(shè)置項(xiàng)目，接著編譯程序，最后調(diào)試和執(zhí)行這樣一步步來實(shí)現(xiàn)仿真。</p><p>　

31、　本作品軟件要實(shí)現(xiàn)的功能是：鍵盤對(duì)單片機(jī)輸入數(shù)據(jù)，單片機(jī)對(duì)獲得的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，送到12位數(shù)模轉(zhuǎn)換器（AD7521）,再送到恒流源模塊，實(shí)現(xiàn)數(shù)字量對(duì)電流的控制。模塊框圖見圖3.1</p><p>　　圖3.1單片機(jī)模塊方框圖</p><p>　　3.1 4*4鍵盤工作原理：</p><p>　　鍵盤對(duì)單片機(jī)輸入數(shù)據(jù)，鍵盤為4*4矩陣鍵盤，用AT89S51的并行口P1接

32、4×4矩陣鍵盤，以P1.0－P1.3作輸入線，以P1.4－P1.7作輸出線   4×4矩陣鍵盤識(shí)別處理每個(gè)按鍵有它的行值和列值　，行值和列值的組合就是識(shí)別這個(gè)按鍵的編碼。矩陣的行線和列線分別通過兩并行接口和CPU通信。每個(gè)按鍵的狀態(tài)同樣需變成數(shù)字量“0”和“1”，開關(guān)的一端（列線）通過電阻接VCC，而接地是通過程序輸出數(shù)字“0”實(shí)現(xiàn)的。鍵盤處理程序的任務(wù)是：確定有無鍵按下，判斷哪一個(gè)鍵按下，鍵的功

33、能是什么；還要消除按鍵在閉合或斷開時(shí)的抖動(dòng)。兩個(gè)并行口中，一個(gè)輸出掃描碼，使按鍵逐行動(dòng)態(tài)接地，另一個(gè)并行口輸入按鍵狀態(tài)，由行掃描值和回饋信號(hào)共同形成鍵編碼而識(shí)別按鍵，通過軟件查表，查出該鍵的功能。鍵盤原理圖見圖3.2</p><p><b>　　圖3.2鍵盤原理圖</b></p><p>　　3.2 數(shù)值處理原理</p><p>　　鍵盤對(duì)單片

34、機(jī)輸入數(shù)據(jù)，（所要得到的電流值），單片機(jī)將得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行轉(zhuǎn)化成D/A轉(zhuǎn)換器AD7521所需要的數(shù)字信號(hào)。</p><p>　　假設(shè)鍵盤輸入的電流值為I,由于AD7521為12位的D/A轉(zhuǎn)換器，待轉(zhuǎn)換的數(shù)字信號(hào)最大值為2^ 13-1=4095,根據(jù)題目要求所顯示的電流最大值為2000mA，則D/A轉(zhuǎn)換器的數(shù)字信號(hào)和輸出的模擬信號(hào)的線形關(guān)系為： </p><p><b>　　（3-1

35、）</b></p><p>　　式中I為需要輸出的模擬信號(hào)值。</p><p>　　為了單片機(jī)處理數(shù)據(jù)的方便，讓D/A轉(zhuǎn)換器的數(shù)字信號(hào)為最大值4095時(shí)，輸出的模擬信號(hào)最大值為2047mA,則其線形關(guān)系為：</p><p><b>　?。?-2） </b></p><p>　　D/A轉(zhuǎn)換器輸入的數(shù)字信號(hào)由單

36、片機(jī)給出，從單片機(jī)的P0、P2口輸出，單片機(jī)根據(jù)輸入的I值，把I值乘以2，再轉(zhuǎn)換成二進(jìn)制數(shù)字信號(hào)，送到P0、P2口。啟動(dòng)D/A轉(zhuǎn)換即可輸出所需要的模擬信號(hào)值。</p><p>　　3.3程序流程方框圖</p><p><b>　　主程序流程圖：</b></p><p>　　圖3.3主程序流程圖</p><p>　　圖3.

37、4鍵盤處理流程圖</p><p><b>　　3.4 程序清單</b></p><p><b>　　程序清單見附錄。</b></p><p><b>　　四 系統(tǒng)測(cè)試</b></p><p>　　本設(shè)計(jì)可實(shí)現(xiàn)0到2A之間任意預(yù)置值（0000-2000mA），同時(shí)具有+/-1mA

38、和+/-10mA的步進(jìn)。</p><p><b>　　4.1功能測(cè)試</b></p><p>　　本設(shè)計(jì)要求輸出電流范圍為200mA—2000mA，根據(jù)圖2.10恒流源模塊可知，采樣電阻兩端電壓為200mV—2000mV，由電壓值可以推算出數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊的參考電壓 ︱Vref︱至少為2伏（Vref < 0）。本設(shè)計(jì)的Vref = -2.15V.輸出端模擬電壓范圍為

39、0—2000mV，所以輸出電流為0----2000mA. 題目要求在200mA—2000mA內(nèi)任意預(yù)值，本設(shè)計(jì)可實(shí)現(xiàn)0—2050mA的預(yù)值。本設(shè)計(jì)通過鍵盤輸入電流值送單片機(jī)(AT89C52),單片機(jī)根據(jù)輸入的鍵值，將模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量送給模數(shù)轉(zhuǎn)換電路；然后輸出模擬量。下面列出部分電流值及其對(duì)應(yīng)的理論和實(shí)際的數(shù)字量如表4.1</p><p>　　表4.1 預(yù)值測(cè)量值</p><p>　　4.

40、1.1 步進(jìn)測(cè)試</p><p>　　題目要求具有“+”“-”步進(jìn)調(diào)整功能，步進(jìn)小于等于10mA，發(fā)揮部分要求步進(jìn)1mA,本設(shè)計(jì)具有步進(jìn)調(diào)整10mA和1mA功能。完全符合發(fā)揮部分的要求并對(duì)功能進(jìn)行了擴(kuò)充。</p><p>　　4.2紋波系數(shù)的測(cè)試</p><p>　　4.2.1 紋波電流測(cè)試</p><p>　　本設(shè)計(jì)要求電流小于0.2毫安，

41、根據(jù)恒流源模塊電路，用低頻交流毫伏表測(cè)采樣電阻（康銅絲繞制而成，由于該電路為直流電路沒交流成分，所以不會(huì)產(chǎn)生感抗）兩端的電壓，同過公式：紋波電流（Iw） = 紋波電壓(Uw)/采樣電阻（1歐），通過測(cè)試，列表如下：</p><p>　　表4.2 紋波系數(shù)測(cè)量</p><p>　　注：交流毫伏表型號(hào)為：蘇州電子儀器廠生產(chǎn)的SX2172 </p><p>　　示波器的型

42、號(hào)為：江蘇電子儀器集團(tuán)有限公司生產(chǎn)的 YB43020B</p><p>　　4.2.2 紋波系數(shù)測(cè)試</p><p>　　由于電源電路存在紋波系數(shù)，必須盡量減小紋波系數(shù)，本設(shè)計(jì)采用措施有：</p><p>　　ⅰ電源大面積共地（注意大電流與小電流不能共地）</p><p>　?、⒃谡鳂蚝蠹哟箅娙輵]波，本設(shè)計(jì)采用約為10000</p&

43、gt;<p>　?、?為了進(jìn)一步避免紋波電壓對(duì)電路的干擾而產(chǎn)生的紋波電流，本設(shè)計(jì)又加入了有源濾波電路。電路如圖4.1其濾波效果相當(dāng)于 的容量的電容的濾波效果這樣進(jìn)一步減少了紋波電流系數(shù)</p><p>　　圖4.1 有源濾波電路</p><p><b>　　五 數(shù)據(jù)處理</b></p><p>　　5.1康銅絲阻值測(cè)試</p

44、><p>　　電路中需要1歐的大功率電阻，本設(shè)計(jì)用HZ2790型的LCR數(shù)字電橋（北京瑞普電子儀器廠生產(chǎn)）測(cè)量康銅絲的阻值，該儀器短路電阻為0.056歐，加上康銅絲后電阻值為1.056歐，誤差為0.001歐，精度為0.001。</p><p><b>　　5.2 誤差測(cè)試</b></p><p>　　下面列出部分電流值及其對(duì)應(yīng)的理論和實(shí)際的數(shù)字量，

45、其中對(duì)應(yīng)碼值為輸入電流對(duì)應(yīng)數(shù)模轉(zhuǎn)換所需要的碼值，實(shí)際碼值為單片機(jī)根據(jù)輸入電流值處理后送到數(shù)模轉(zhuǎn)換器的碼值如表5.1所示。</p><p>　　表5.1 誤差測(cè)試表</p><p>　　通過測(cè)試發(fā)現(xiàn)，結(jié)果的最大誤差為當(dāng)輸入電流為32mA時(shí)，誤差為1mA.小于輸出電流的0.1%</p><p>　　而題目中發(fā)揮部分要求輸出電流變化的絕對(duì)值≤輸出電流的0.1%+1mA，即

46、1.032，而本設(shè)計(jì)測(cè)量出來的誤差值小于規(guī)定的誤差值。</p><p><b>　　六 發(fā)揮與創(chuàng)新</b></p><p>　?。?）輸出電流范圍為0mA～2050mA，步進(jìn)1mA,功能比發(fā)揮部分功能更優(yōu)越；</p><p>　　（2）具有測(cè)試與顯示輸出電流的數(shù)字顯示表,測(cè)量誤差的絕對(duì)值≤測(cè)量值的0.1％+2個(gè)字,達(dá)到發(fā)揮部分要求；</p

47、><p>　?。?）改變負(fù)載電阻，輸出電壓在10V以內(nèi)變化時(shí)，要求輸出電流變化的絕對(duì)值≤輸出電流值的0.1％+1 mA；</p><p>　　（4）紋波電流達(dá)到規(guī)定要求小于0.2mA;</p><p>　?。?）其他:本設(shè)計(jì)具有利用數(shù)字撥碼開關(guān),可使系統(tǒng)脫離單片機(jī)工作,這樣可以校正系統(tǒng)誤差</p><p>　　詳細(xì)介紹見各功能模塊介紹。</

48、p><p><b>　　參 考 文 獻(xiàn)</b></p><p>　　[1] 童詩白，華成英 模擬電子技術(shù)基礎(chǔ) 高等教育出版社 2003年 </p><p>　　[2] 陳明熒 8051單片機(jī)設(shè)計(jì)實(shí)訓(xùn)教材 清華大學(xué)出版社 2004年</p><p>　　[3] 全國(guó)大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽組委會(huì) 第四屆全國(guó)電子設(shè)計(jì)

49、競(jìng)賽獲獎(jiǎng)作品選編 北京理工大學(xué)出版社 2001年</p><p>　　[4] 張友德 趙志英 途時(shí)亮 單片微型機(jī)原理應(yīng)用與實(shí)驗(yàn) 復(fù)旦大學(xué)出版社 2004年</p><p>　　[5] 閻石 數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ) 高教出版社 2004年</p><p><b>　　儀 器 儀 表</b></p><p>　　[1

50、]YB1731A2A直流穩(wěn)壓電源 江蘇綠揚(yáng)電子儀器集</p><p>　　[2]YB54100雙通道數(shù)字存儲(chǔ)示波器 江蘇綠揚(yáng)電子儀器集團(tuán)有限公司[3]YB43020A雙綜示波器 江蘇綠揚(yáng)電子儀器集團(tuán)有限公司</p><p>　　[4]偉福E6000/L仿真器 南京偉福實(shí)業(yè)有限公司 </p><p>　　[