數(shù)控直流電壓源

1、武漢理工大學數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)課程設(shè)計說明書 課程設(shè)計任務(wù)書學生姓名： 專業(yè)班級： 電信0906班 指導(dǎo)教師： 工作單位： 信息工程學院 題 目: 數(shù)控電壓源的設(shè)計仿真與制作 初始條件：運用所學的數(shù)電和模電知識，利用集成可逆計數(shù)器、D/A轉(zhuǎn)換器、顯示譯碼器、數(shù)碼管、運算放大器等器件實現(xiàn)系統(tǒng)設(shè)計。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如下圖所示。（也可以利用FPGA或單片機系統(tǒng)設(shè)計實現(xiàn)）要求完成的主要任務(wù): （包括課程設(shè)計工作量及技術(shù)要求，以及說明書撰寫等具體要求）1、課程設(shè)計工作量：1周內(nèi)完成對數(shù)控電壓源的設(shè)計、仿真、裝配與調(diào)試。2、技術(shù)要求：輸出電壓09.9V，步進電壓值0.1V，輸出紋波電壓10mv，輸出電流5A。 用兩

2、按鈕開關(guān)作為電壓調(diào)整鍵，與可逆計數(shù)器的加計數(shù)CPU 時鐘輸入端和減計數(shù)CPD 時鐘輸出端相連，可逆計數(shù)器采用兩片十進制同步加/減計數(shù)器如74LS192 級聯(lián)而成。 數(shù)字顯示電路采用兩片二十進制BCD碼譯碼驅(qū)動器如74LS248和2個七段數(shù)碼管組成。 D/A轉(zhuǎn)換電路可采用DAC0832和集成運算放大器構(gòu)成。 調(diào)整輸出級采用運放作射極跟隨器，使調(diào)整管的輸出電壓精確地與D/A轉(zhuǎn)換器輸出電壓保持一致。調(diào)整管可采用大功率達林頓管，確保電路的輸出電流值達到設(shè)計要求。 穩(wěn)壓電源部分利用7815、7915、和7805設(shè)計實現(xiàn)15V、±5V工作電源和調(diào)整管所需輸入電壓，要求能提供5A 的電流。 確定設(shè)

3、計方案，按功能模塊的劃分選擇元、器件和中小規(guī)模集成電路，設(shè)計分電路，畫出總體電路原理圖，闡述基本原理。3、查閱至少5篇參考文獻。按武漢理工大學課程設(shè)計工作規(guī)范要求撰寫設(shè)計報告書。全文用A4紙打印，圖紙應(yīng)符合繪圖規(guī)范。時間安排：第12天，查閱相關(guān)資料，學習設(shè)計原理。第34天，方案選擇和電路設(shè)計仿真。第45天，電路調(diào)試和設(shè)計說明書撰寫。第6天，上交課程設(shè)計成果及報告，同時進行答辯。指導(dǎo)教師簽名： 年 月 日 系主任（或責任教師）簽名： 年 月 日目 錄1. PROTEUS簡介12. 總體設(shè)計方案22. 1 總體設(shè)計思路22. 2 總體設(shè)計框圖23. 硬件單元電路設(shè)計23.1 單片機最小系統(tǒng)設(shè)計23

4、.2 顯示和按鍵控制電路設(shè)計43.3 D/A轉(zhuǎn)換電路設(shè)計53.3.1 TLC5615的特點53.3.2 TLC5615引腳說明53.3.3 TLC5615的時序圖63.4 電源電路設(shè)計74. 總體電路圖85. 軟件仿真及結(jié)果分析86. 程序設(shè)計97. 實物安裝及調(diào)試108. 元器件清單119. 心得與體會1210. 參考文獻13附錄一：C語言程序14附錄二：本科生課程設(shè)計成績評定表17 1. Proteus簡介Proteus 是英國Labcenter公司開發(fā)的電路分析與實物仿真軟件。它運行于Windows操作系統(tǒng)上，可以仿真、分析(SPICE)各種模擬器件和集成電路，不僅具有其它EDA工具軟件

5、的仿真功能，還能仿真單片機及外圍器件。它是目前最好的仿真單片機及外圍器件的工具。雖然目前國內(nèi)推廣剛起步，但已受到單片機愛好者、從事單片機教學的教師、致力于單片機開發(fā)應(yīng)用的科技工作者的青睞。該軟件的特點是：（1）實現(xiàn)了單片機仿真和SPICE電路仿真相結(jié)合。具有模擬電路仿真、數(shù)字電路仿真、單片機及其外圍電路組成的系統(tǒng)的仿真、RS232動態(tài)仿真、I2C調(diào)試器、SPI調(diào)試器、鍵盤和LCD系統(tǒng)仿真的功能；有各種虛擬儀器，如示波器、邏輯分析儀、信號發(fā)生器等。(2)支持主流單片機系統(tǒng)的仿真。目前支持的單片機類型有：ARM7(LPC21xx)、 8051/52系列、AVR系列、PIC10/12/16/18系列

6、、HC11系列以及多種外圍芯片。(3)提供軟件調(diào)試功能。在硬件仿真系統(tǒng)中具有全速、單步、設(shè)置斷點等調(diào)試功能，同時可以觀察各個變量、寄存器等的當前狀態(tài)，因此在該軟件仿真系統(tǒng)中，也必須具有這些功能；同時支持第三方的軟件編譯和調(diào)試環(huán)境，如Keil C51 uVision2、MPLAB等軟件。(4)具有強大的原理圖繪制功能。總之，該軟件是一款集單片機和SPICE分析于一身的仿真軟件，功能極其強大其功能特點如下: （1）原理布圖（2）PCB自動或人工布線（3）SPICE電路仿真具有3大功能模塊:（1）個易用而又功能強大的ISIS原理布圖工具；（2）PROSPICE混合模型SPICE仿真;（3） ARES

7、 PCB設(shè)計. 隨著科技的發(fā)展，“計算機仿真技術(shù)”已成為許多設(shè)計部門重要的前期設(shè)計手段。它具有設(shè)計靈活，結(jié)果、過程的統(tǒng)一的特點?？墒乖O(shè)計時間大為縮短、耗資大為減少，也可降低工程制造的風險。相信在單片機開發(fā)應(yīng)用中PROTEUS也能茯得愈來愈廣泛的應(yīng)用。 2. 總體設(shè)計方案2. 1 總體設(shè)計思路采用AT89C51 系列單片機作為整機的控制單元,通過改變輸入數(shù)字量來改變輸出電壓值(D/ A轉(zhuǎn)換后電壓值) ,經(jīng)集成運放放大和射極輸出器輸出,間接地改變輸出電壓的大小，并用PROTUES進行仿真。2. 2 總體設(shè)計框圖經(jīng)過方案論證和比較后,最終確定的系統(tǒng)框圖如圖1所示,主要由主電源、輔助電源、D/ A 轉(zhuǎn)

8、換、集成運放、射極輸出器、單片機最小系統(tǒng)、顯示及按鍵等組成。單片機AT89C52電壓顯示按鍵D/A轉(zhuǎn)換集成運算放大器輔助電源+12v,-12v,+5v射極輸出電源+12v電壓輸出圖1 電路總體設(shè)計圖 3. 硬件單元電路設(shè)計3.1 單片機最小系統(tǒng)設(shè)計單片機最小系統(tǒng)是能補足單片機工作的最簡單電路，它由單片機、電源、晶體振蕩器、復(fù)位電路等構(gòu)成。它是本系統(tǒng)的處理單元也是控制單元，負責處理信號、外設(shè)的接口與控制，同時它也是所有軟件的載體。本系統(tǒng)采用AT89C52是美國Atmel公司生產(chǎn)的低電壓、高性能CMOS 8位單片機，片內(nèi)含8KB的可反復(fù)檫寫的程序存儲器和12B的隨機存取數(shù)據(jù)存儲器（RAM），器件采

9、用Atmel公司的高密度、非易失性存儲技術(shù)生產(chǎn)，兼容標準MCS-51指令系統(tǒng)，片內(nèi)配置通用8位中央處理器（CPU）和Flash存儲單元，功能強大的AT89C52單片機可靈活應(yīng)用于各種控制領(lǐng)域。AT89C52單片機屬于AT89C51單片機的增強型，與Intel公司的80C52在引腳排列、硬件組成、工作特點和指令系統(tǒng)等方面兼容。主要管腳有：XTAL1（19 腳）和XTAL2（18 腳）為振蕩器輸入輸出端口，外接12MHz 晶振。RST/Vpd（9 腳）為復(fù)位輸入端口，外接電阻電容組成的復(fù)位電路。VCC（40 腳）和VSS（20 腳）為供電端口，分別接+5V電源的正負端。P0P3 為可編程通用I/O

10、 腳，其功能用途由軟件定義。其管腳如下圖所示：圖2 AT89C52單片機管腳圖本設(shè)計中，P0 端口（3239 腳）被定義為N1 功能控制端口，分別與N1的相應(yīng)功能管腳相連接。單片機正常工作時，都需要有一個時鐘電路和一個復(fù)位電路。本設(shè)計中選擇了內(nèi)部時鐘方式和按鍵電平復(fù)位電路，來構(gòu)成單片機的最小電路。如圖3所示。圖3 單片機最小系統(tǒng)3.2 顯示和按鍵控制電路設(shè)計采用四位L ED 數(shù)碼管動態(tài)顯示輸出電壓的大小。此電路原理簡單,電路連接方便,可用單片機直接驅(qū)動,其中U2,U3為位驅(qū)動,RP1是P0的上拉電阻。圖4 數(shù)碼管顯示電路本系統(tǒng)用兩只按鍵KEY1、KEY2 來實現(xiàn)“ + ”、“ - ”步進控制,

11、每當按下KEY1時輸出電壓增加0.1v，同時數(shù)碼管顯示的數(shù)值也增加0.1，同理每當按下KEY2時輸出電壓減少0.1v，同時數(shù)碼管顯示的數(shù)值也減少0.1，另外用一只按鍵KEY3 實現(xiàn)電路復(fù)位清零。圖5 按鍵控制電路3.3 D/A轉(zhuǎn)換電路設(shè)計 目前，數(shù)模轉(zhuǎn)換器從接口上可分為兩大類：并行接口數(shù)模轉(zhuǎn)換器和串行接口數(shù)模轉(zhuǎn)換器。并行接口數(shù)模轉(zhuǎn)換器的引腳多，體積大，占用單片機的口線多；而串行數(shù)模轉(zhuǎn)換器的體積小，占用單片機的口線少，為減少線路板的面積和占用單片機的口線，可采用TCL5615串行數(shù)模轉(zhuǎn)換器產(chǎn)生可變基準電壓。TLC5615串行數(shù)模轉(zhuǎn)換器簡介：TLC5615為美國德州儀器公司1999年推出的產(chǎn)品，是

12、具有串行接口的數(shù)模轉(zhuǎn)換器，其輸出為電壓型，最大輸出電壓是基準電壓值的兩倍。帶有上電復(fù)位功能，即把DAC寄存器復(fù)位至全零。 3.3.1 TLC5615的特點 （1）10位CMOS電壓輸出； （2）5V單電源供電； （3）與CPU三線串行接口； （4）最大輸出電壓可達基準電壓的二倍； （5）輸出電壓具有和基準電壓相同極性； （6）建立時間125s； （7）內(nèi)部上電復(fù)位； （8）低功耗，最大僅175mW。3.3.2 TLC5615引腳說明TLC5615有小型和塑料DIP封裝，DIP封裝的TLC5615芯片引腳排列如圖6所示。 圖6 TLC5615引腳排列圖引腳功能說明如下： 腳1DIN：串行數(shù)據(jù)輸入

13、端； 腳2SCLK：串行時鐘輸入端； 腳3CS：芯片選用通端，低電平有效； 腳4DOUT：用于級聯(lián)時的串行數(shù)據(jù)輸出端； 腳5AGND：模擬地； 腳6REFIN：基準電壓輸入端； 腳7OUT：DAC模擬電壓輸出端； 腳8VDD：正電源端。3.3.3 TLC5615的時序圖圖7 TLC5615的時序圖TLC5615的時序分析: TLC5615的時序如圖7所示。 由時序圖可以看出，當片選CS為低電平時，輸入數(shù)據(jù)DIN由時鐘SCLK同步輸入或輸出，而且最高有效位在前，低有效位在后。輸入時SCLK的上升沿把串行輸入數(shù)據(jù)DIN移入內(nèi)部的16位移位寄存器，SCLK的下降沿輸出串行數(shù)據(jù)DOUT，片選CS的上升

14、沿把數(shù)據(jù)傳送至DAC寄存器。 當片選CS為高電平時，串行輸入數(shù)據(jù)DIN不能由時鐘同步送入移位寄存器；輸出數(shù)據(jù)DOUT保持最近的數(shù)值不變而不進入高阻狀態(tài)。由此要想串行輸入數(shù)據(jù)和輸出數(shù)據(jù)必須滿足兩個條件：第一時鐘SCLK的有效跳變；第二片選CS為低電平。這里，為了使時鐘的內(nèi)部饋通最小，當片選CS為高電平時，輸入時鐘SCLK應(yīng)當為低電平。 串行數(shù)模轉(zhuǎn)換器TLC5615的使用有兩種方式，即級聯(lián)方式和非級聯(lián)方式。如不使用級聯(lián)方式，DIN只需輸入12位數(shù)據(jù)。DIN輸入的12位數(shù)據(jù)中，前10位為TLC5615輸入的D/A轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)，且輸入時高位在前，低位在后，后兩位必須寫入數(shù)值為零的低于LSB的位，因為TLC

15、5615的DAC輸入鎖存器為12位寬。如果使用TL5615的級聯(lián)功能，來自DOUT的數(shù)據(jù)需要輸入16位時鐘下降沿，因此完成一次數(shù)據(jù)輸入需要16個時鐘周期，輸入的數(shù)據(jù)也應(yīng)為16位。輸入的數(shù)據(jù)中，前4位為高虛擬位，中間10位為D/A轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)，最后2位為低于LSB的位即零。實際電路中TLC5615與單片機連接如下圖所示： 圖8 D/A轉(zhuǎn)換電路TLC5615的SCLK腳與P3.0連接，CS腳與P3.1連接，DIN腳與P3.2連接，DAC 輸出的電壓經(jīng)集成運算放大器UA741放大后,輸出010V 電壓。為了滿足輸出電壓的要求,應(yīng)使集成運放的放大倍數(shù)為2 倍,即A uf = 2。實際使用時,通過調(diào)整RV1

16、 的阻值,來滿足放大倍數(shù)的要求。集成運放放大的電壓經(jīng)Q41構(gòu)成射極跟隨器放大,作為最終電壓輸出。其中TL431可等效為一只穩(wěn)壓二極管，它為TLC5615提供2.5V基準電壓。3.4 電源電路設(shè)計本系統(tǒng)采用兩種電源(主電源和輔助電源) 供電,如圖4 所示, 電源變壓器帶有中心抽頭, 經(jīng)LM7812 、LM7912 得到大小相等、極性相反的±12 V ,一路經(jīng)LM7805 得到+ 5 V 電壓:其中+ 12V 為主電源,作為射極輸出器的電源; ±12V 作為集成運放的電源;+ 5 V作為單片機系統(tǒng)及顯示電路電源用。電路圖如下圖所示：圖9 電源電路圖4. 總體電路圖 根據(jù)以上的分

17、析和設(shè)計，本系統(tǒng)的完整電路圖如下圖所示：圖10 基于AT89C52單片機的數(shù)控電壓源電路5. 軟件仿真及結(jié)果分析按圖設(shè)計完成后，檢查無誤后開始仿真，最初計數(shù)器示數(shù)為0，輸出電壓為 0mV。然后按加或減法計數(shù)按鈕，兩位數(shù)碼管上可顯示出099中的任意數(shù)，圖中電壓表的示數(shù)即為對應(yīng)的輸出電壓值，對應(yīng)的從09.9v，步長為0.1v變化。下圖為數(shù)碼管某一示數(shù)對應(yīng)電壓表的示數(shù)： 圖11 軟件仿真結(jié)果 通過軟件仿真，所設(shè)計的電路圖符合實驗要求，在誤差允許范圍內(nèi)，基本實現(xiàn)了數(shù)控電壓源的功能。6. 程序設(shè)計系統(tǒng)程序設(shè)計采用C語言編程,設(shè)計的關(guān)鍵是對直流電壓源步進電壓的控制和顯示。設(shè)計框圖如圖12所示。圖12 軟件

18、設(shè)計流程圖當電源打開的時候,MCU 進行復(fù)位,寄存器清零,輸出電壓為0 V ,并在數(shù)碼管上顯示(這里為0) 。這時候程序循環(huán)檢測是否有按鍵信號,如果KEY1 按下,則輸出電壓增加0. 1 V ;如果KEY2 按下,則輸出電壓減省0. 1 V。若用戶按KEY3 ,則復(fù)位清零,單片機返回初始狀態(tài),輸出電壓為0 V ,并等待下一次按鍵。7. 實物安裝及調(diào)試電路組裝好以后,要檢查一遍接線情況,在確定安裝接線無誤的情況下,就可進行電路通電調(diào)試。首先測量電源輸出電壓是否達到要求;在初始化狀態(tài)下,調(diào)節(jié)集成運放A741 的外接調(diào)零電位器,使集成運放輸出電壓為零。調(diào)節(jié)射極輸出器的偏置電阻RV2使輸出電壓為零;在

19、輸入數(shù)值最大的情況下,調(diào)節(jié)輸出集成運放的負反饋電阻RV1,使其輸出電壓為9.9 V ,測量射極輸出器的輸出電壓,如果正常(9.9 V) ,說明設(shè)計組裝基本成功。8. 元器件清單名稱含義型號R1、R2、R4、R5電阻1KR3電阻10KC1電容10ufC2、C3電容30pfU1單片機AT89C52U2、U3反相器74HC04U4D/A轉(zhuǎn)換器TLC5615U5并聯(lián)穩(wěn)壓管TL431U6運算放大器UA741Q1三極管ZTX453RP1電阻10KRV1電位器15KRV2電位器20KX1數(shù)碼管CRYSTALKEY1、KEY2、KEY3按鍵BUTTONL1穩(wěn)壓管LM7812L2穩(wěn)壓管LM7912L3穩(wěn)壓管LM

20、7805C4、C5電容1000ufC6、C7電容3.3ufVD1-VD4二極管1N40049. 心得與體會10. 參考文獻1 譚浩強.C程序設(shè)計.第三版. 北京：清華大學出版社，20072 唐競新.數(shù)字電子電路M.第1版.北京：清華大學出版社，2003 3 伍時和.數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ).第1版. 北京：清華大學出版社，20094 蔣輝科等編著. 單片機原理與應(yīng)用設(shè)計.北京航空航天大學出版社，2007 5 李廣弟.單片機基礎(chǔ).第二版.北京: 北京航空航天大學出版社，20026 李群芳.單片微型計算機與接口技術(shù).電子工業(yè)出版社，2005.1附錄一：C語言程序#include<reg52.h>

21、;#include <intrins.h>#define uchar unsigned char #define uint unsigned int#define Nop() _nop_()#define _Nop() _nop_()uint aa,shi,ge;sbit wela1=P20;/*定義數(shù)碼管位選*/sbit wela2=P21;sbit key1=P10;/*定義控制按鍵*/sbit key2=P13;sbit CLK=P30;/*定義DAC控制端口*/sbit CS=P31;sbit DIN=P32;/*定義數(shù)碼管顯示字符跟數(shù)字的對應(yīng)數(shù)組關(guān)系*/uchar duma=0xc0,0xf9,0xa4,0xb0, 0x99,0x92,0x82,0xf8,0x80,0x90,0x7f;void delay(char c) /*延時1ms*/ char a,b; for(a=c;a>0;a-) for(b=110;b>0;b-);void keyscan1()/*按鍵1進行加1*/ if(ke