數(shù)控電壓源的設(shè)計(jì)仿真與制作

1、課程設(shè)計(jì)任務(wù)書學(xué)生姓名：專業(yè)班級：指導(dǎo)教師：工作單位：題 目：數(shù)控電壓源的設(shè)計(jì)仿真與制作初始條件：運(yùn)用所學(xué)的數(shù)電和模電知識，利用集成可逆計(jì)數(shù)器、d/a轉(zhuǎn)換器、顯示譯碼器、數(shù)碼管、運(yùn)算放大器等器件實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如下圖所示。（也可以利用fpga或單片機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)）f ac220v f要求完成的主要任務(wù)：（包括課程設(shè)計(jì)工作量及技術(shù)耍求，以及說明書撰寫等具體要求）1、課程設(shè)計(jì)工作量：1周內(nèi)完成對數(shù)控電壓源的設(shè)計(jì)、仿真、裝配與調(diào)試。2、技術(shù)要求：輸出電壓09.9v,步進(jìn)電壓值0. iv,輸出紋波電壓wiomv,輸出電流5a。 用兩按鈕開關(guān)作為電壓調(diào)整鍵，與可逆計(jì)數(shù)器的加計(jì)數(shù)cpu時鐘輸入端和減

2、計(jì)數(shù)cpd時鐘輸入 端相連，可逆計(jì)數(shù)器采用兩片十進(jìn)制同步加/減計(jì)數(shù)器如74ls192級聯(lián)而成。 數(shù)字顯示電路采用兩片二十進(jìn)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(yùn)算放大器構(gòu)成。 調(diào)整輸出級釆用運(yùn)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(dá)林頓管，確保電路的輸出電流值達(dá)到設(shè)計(jì)要求。 穩(wěn)壓電源部分利用7815、7915、和7805設(shè)計(jì)實(shí)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)計(jì)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(jì)分電路

3、，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(xiàn)。按武漢理工大學(xué)課程設(shè)計(jì)工作規(guī)范要求撰寫設(shè)計(jì)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：1）2010年6月2627日,查閱相關(guān)資料，學(xué)習(xí)設(shè)計(jì)原理。2）2010年6月2830日,方案選擇和電路設(shè)計(jì)仿真。3）2010年7月廣3日,電路調(diào)試和設(shè)計(jì)說明書撰寫。4）2010年7月4日上交課程設(shè)計(jì)成果及報告,同時進(jìn)行答辯。指導(dǎo)教師簽名：年 月 日系主任（或責(zé)任教師）簽名：年 月 日數(shù)控直流電壓源的設(shè)計(jì)摘 要:為解決普通電源精度不高的問題，介紹一種數(shù)控直流穩(wěn)壓電源。詳細(xì)論述了該系統(tǒng)的總體結(jié) 構(gòu)、硬件和軟件的設(shè)計(jì)。采用at89c51系

4、列單片機(jī)作為整機(jī)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(yùn)放放大和射極輸出器輸出，間接地改變輸出電壓的大小,具有輸 出精度高、數(shù)碼顯示直觀等特點(diǎn)。關(guān)鍵詞:at89c51 ;tlc5615澈控;電壓源abstract: to solve the problem of normal power supply，s low accuracy jhe article introduces a kind of a numerica!2cont rolled direct voltage source further more .the paper elaborates

5、 this system overall the structure jhe hardware and the soft ware design. concretely the power supply uses 51 mcu as center2cont rolling part ,and changes output2voltage by changing input digits at last output s are amplified by operational amplifier and circuit emitter output .it will indirectly al

6、ters output voltage source .this source supply has the advantages of high accuracy on output and dc displays directlykeywords :at89c51 ;tlc5615 ;numerica!2cont rolled ;voltage source1總體設(shè)計(jì)方案1.1總體設(shè)計(jì)思路采用a t89c51系列單片機(jī)作為整機(jī)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(yùn)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(jìn)行仿真。1.2

7、總體設(shè)計(jì)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)換、集 成運(yùn)放、射極輸出器、單片機(jī)最小系統(tǒng)、顯示及按鍵等組成。電源+12v電壓顯示單片機(jī)at89c52a d/a轉(zhuǎn)換 一集成運(yùn)算放大器按鍵射極輸岀輔助電源+12v,12v,+5v圖1電路總體設(shè)計(jì)圖2.硬件單元電路的設(shè)計(jì)2.1單片機(jī)最小系統(tǒng)的設(shè)計(jì)單片機(jī)最小系統(tǒng)是能補(bǔ)足單片機(jī)工作的最簡單電路，它由單片機(jī)、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(fù)責(zé)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cm o

8、s 8位單片機(jī)，片內(nèi)含8kb的可 反復(fù)擦寫的程序存儲器和12b的隨機(jī)存取數(shù)據(jù)存儲器（ram）,器件釆用atmel公司的高密度、非易失 性存儲技術(shù)生產(chǎn)，兼容標(biāo)準(zhǔn)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(qiáng)大的at89c52單片機(jī)可靈活應(yīng)用于各種控制領(lǐng)域。at89c52單片機(jī)屈于at89c51單片機(jī)的增強(qiáng) 型，與intel公司的80c52在引腳排列、硬件組成、工作特點(diǎn)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。

9、vcc （40腳）和vss （20腳）為供電端口，分別接+5v電源的正負(fù)端。p0p3為可編程通用i/o腳，其功能用途由軟件定義。其管腳如下圖所示：t2/p1. 0 c t2ex/p1. 1 c p1. 2 c p1. 3 c pl.4 c mosi/p1.5 c mis0/p1.6 csck/p1. 7 crst rxd/p3. 0 txd/p3. 1imt1/p3； 3t0/p3. 4附xtal2 >：tal1 pdip ordcccc0123456789012 3 4 5 6 78 9111111111120987854321o 9 8 7 6 54 32 1 43333323333

10、2222122222333vccp0. o/adop0. 1/ad1p0. 2"d2 p0. 3/ad3 p0.4zad4 p0 5/ad5p0. 6/ad6 巴7/adfeazvppp2 7za15p2.6/a14p2 5/a13p2.4/a12 p2 3/a11p2 2/a10 p2. 1/a9p2 0/a8圖2 at89c52單片機(jī)管腳圖本設(shè)計(jì)屮，p0端口 （32-39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(jī)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(jì)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(jī)的最小電路。如圖3所示。c=)u1

11、x1c rystai一is-aa_主 土ppppppppatsqcs231嚨 器popoporopopo瞬e憲2.2.2仝 40 0-7p3.o/rxx>pg.1/txd p3p3.3nt1 p3 atto p3 czt1 p3p3.7.»hia遵亠亠盞夷a亠亠mi圖3單片機(jī)最小系統(tǒng)2.2顯示和按鍵電路設(shè)計(jì)釆用四位led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(jī)直接 驅(qū)動，其中u2,u3為位驅(qū)動,rp1是p0的上拉電阻。pbcdefg dp1 234-poowdo p0.1w1 p0 2xftd2 p0 3/ad3 p0.4wm p0.5xad6 p

12、0 6xad6 po.7j5ad7p2.(mfie p2.1za0圖4數(shù)碼管顯示電路本系統(tǒng)用兩只按鍵keyl、key2來實(shí)現(xiàn)“ + ”、“ ”步進(jìn)控制，每當(dāng)按下key1時輸出電壓增加o.lv,同時數(shù)碼管顯示的數(shù)值也增加0.1,同理每當(dāng)按下key2時輸出電壓減少o.lv,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(shí)現(xiàn)電路復(fù)位清零。p1.0/t2p1.1/t2exp1.2p1.3p1.4p1.5p1.6p1.7at89c52圖5按鍵控制電路2.3 d/a轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì)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

13、用單片機(jī)的口線多；而串行數(shù)模轉(zhuǎn)換器的體積小， 占用單片機(jī)的口線少，為減少線路板的面積和占用單片機(jī)的口線，可釆用tcl5615串行數(shù)模轉(zhuǎn)換 器產(chǎn)生可變基準(zhǔn)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(zhǔn)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。2. 3. 1 tlc5615 的特點(diǎn)：(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(dá)基準(zhǔn)電壓的二倍；(5) 輸出電壓具有和基準(zhǔn)電壓相同極性；(6) 建立時間125

14、 u s；(7) 內(nèi)部上電復(fù)位;(8) 低功耗，最大僅175mw02.3.2 tlc5615 引腳說明:dinsci kndout2 7tlc56i53 6tlc5615有小型和塑料dip封裝，dip封裝的tlc5615芯片引腳排列如圖£所示。vddoutrbl ina(ind圖6tlc5615引腳排列圖引腳功能說明如下: 一一腳1dtn：串行數(shù)據(jù)輸入端：腳2sclk：串行時鐘輸入端；一一腳3cs：芯片選用通端，低電平有效；一一腳4d0ut：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(zhǔn)電壓輸入端；腳70ut： dac模擬電壓輸出端；腳8vdd：正電源端。2.

15、 3. 2 tlc5615的時序圖如下:dcxtt圖7tlc5615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(dāng)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1 6位移位寄存器,sclk的下降沿輸出串行數(shù)據(jù)dout,片選cs的上升沿把數(shù)據(jù)傳送至dac寄存器。當(dāng)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(jìn)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

16、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(dāng)片 選cs為高電平時，輸入時鐘sclk應(yīng)當(dāng)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?yún)几呶辉谇?，低位在后，后兩位必須寫入?shù)值為零的低于lsb的位，因?yàn)閠lc5615 的dac輸入鎖存器為12位寬。如果使用tl5615的級聯(lián)功能，來0 d0ut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

17、，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(shí)際電路中tlc5615與單片機(jī)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，di7腳與p3. 2連接，dac輸出的電壓經(jīng)集成運(yùn)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(yùn)放的放大倍數(shù)為2倍, 即 uf =2。實(shí)際使用時，通過調(diào)整rv1的阻值，來滿足放大倍數(shù)的要求。集成運(yùn)放放大的電壓經(jīng)例1構(gòu) 成射極跟隨器放大，作為最終電壓輸出。英中tl431可等效為一只穩(wěn)壓二極管，它為tlc5615提供2. 5v 基準(zhǔn)電壓。2.4電源設(shè)計(jì)電路本系統(tǒng)采用兩種電源（

18、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±12v,路經(jīng)lm7805得到+5 v電壓:其中+ 12v為 主電源，作為射極輸岀器的電源；±12v作為集成運(yùn)放的電源;+5 v作為單片機(jī)系統(tǒng)及顯示電路電源用。*18圖9電源電路丄丁t寧3 總體電路圖根據(jù)以上的分析和設(shè)計(jì)，本系統(tǒng)的完整電路圖如下圖所示:kt aumotasmu,nzmnr?f3xnoc>1vt7xf3 vtx>121j” xtt14mej圖10基于at89c52單片機(jī)的數(shù)控電壓源電路4. 調(diào)試過程及結(jié)果分析路圖設(shè)計(jì)完成后，檢查無誤后開始

19、仿真，最初計(jì)數(shù)器示數(shù)不0,輸出電壓為omv。然 后按加或減法計(jì)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.w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(jì)的電路圖符合實(shí)驗(yàn)要求，在誤差允許范圉內(nèi)，實(shí)現(xiàn)了數(shù)控電壓源的功能。5. 軟件設(shè)計(jì)系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)采用c語言，設(shè)計(jì)的關(guān)鍵是對直流電壓源步進(jìn)電壓的控制和顯示。設(shè)計(jì)框 圖如圖12所示。圖12軟件設(shè)計(jì)流程圖當(dāng)電源打開的時候,mcu進(jìn)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 v) o 這時候程序循環(huán)檢測是否有按鍵信號，如果ke

20、y1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 vo若用戶按key3，則復(fù)位清零，單片機(jī)返回初始狀態(tài)，輸出電壓為0 v，并等待下一次按 鍵。6. 實(shí)物安裝調(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(jìn)行電路通電調(diào)試。首 先測量電源輸出電壓是否達(dá)到要求;在初始化狀態(tài)下,調(diào)節(jié)集成運(yùn)放ua741的外接調(diào)零電位器,使集成 運(yùn)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;在輸入數(shù)值最大的情況下,調(diào)節(jié)輸 出集成運(yùn)放的負(fù)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(jì)組裝

21、基本成功。7器件清單名稱含義型號r、 r2、 r4、 r5電阻1kr3電阻10kc1電容10ufc2、c3電容30pfu1單片機(jī)at89c52u2、u3反相器74hc04u4d/a轉(zhuǎn)換器tlc5615u5并聯(lián)穩(wěn)壓管tl431u6運(yùn)算放大器ua741q1三極管ztx453rp1電阻10krv1電位器15krv2電位器20kxi數(shù)碼管crystalkeyk key2、key3按鍵buttonl1穩(wěn)壓管lm7812l2穩(wěn)壓管lm7912l3穩(wěn)壓管lm7805c4、c5電容loooufc6、c7電容3. 3ufvd1-vd4二極管1n40048.心得體會附錄一:#inciude<reg52. h

22、>#inelude <intrins. h>#dcfinc uchar unsignod char#dcfinc uint unsigned int#define nop() _nop_()#def ine _nop () _nop_ ()uint aa, shi, go;sb it welal二p2"0;/*定義數(shù)碼管位選*/sbi t wcla2=p2"l;sbit keyl=pro； /*定義控制按鍵*/sbit key2二p3;sbit clk二p3o/*定義 dac 控制端口*/sbit cs二p3"l;sbit din=p3"2;/*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, oxbo, 0x99, 0x92, 0x82, 0x