數(shù)控直流電流源的設計與實現(xiàn)

1、數(shù)控直流電源的設計與實現(xiàn)、實驗目的1了解數(shù)控技術和電源技術。2 熟悉微機原理及其接口技術。3 運用微機系統(tǒng)實現(xiàn)一個數(shù)控直流電源。、實驗內容與要求基于 80x86 實驗箱平臺設計并制作數(shù)控直流電源。 要求由鍵盤預置輸入直流電壓在 0+ 9.9V之間的任意一個值，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。主要技術指標：（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“ +”、“ - ”步進調整的功能，步進 0.1V；（3） 用自動掃描代替人工按鍵，實現(xiàn)輸出電壓變化（步進0.1V 不變）。、實驗報告要求1 .設計目的和內容2 總體設計3 硬件設計

2、：原理圖（接線圖）及簡要說明4軟件設計框圖及程序清單5 設計結果和體會（包括遇到的問題及解決的方法）四、總體設計采用 8086 處理機構成該系統(tǒng)的核心數(shù)控模塊，與基本接口實驗板相連，通過軟件編譯實現(xiàn)設計各種功能的實現(xiàn)，經過穩(wěn)定的功率放大電路得到。輸出部分也不再采用傳統(tǒng)的調整管方式， 而是在 D/A 轉換后，由于使用了微處理器， 整個系統(tǒng)可編程實現(xiàn)， 系統(tǒng)的靈活性大大增加。系統(tǒng)設計框圖如圖1 所示。圖1方案三系統(tǒng)設計框圖為實現(xiàn)數(shù)控直流電源的各項功能，系統(tǒng)分為三個組成部分： 鍵盤/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/顯示電路：該電路的顯示部分又可分為電壓預制

3、值顯示電路和電壓實際輸出值顯示電路。系統(tǒng)利用可編程并行接口 8255單元電路構成實驗板上 4*4小鍵盤的接口和LED 數(shù)碼管電路的接口， 從而識別鍵碼同時顯示電壓預置值；在得到實際輸出值后， 實驗板上提供了模數(shù)轉換ADC0809單元電路，轉化成數(shù)字量后傳遞給 LED數(shù)碼管就可以顯示實際輸出值。（2）數(shù)控模塊：該部分主要由8086微處理器和數(shù)模轉換 DAC0832單元電路組成。其中 通過編寫匯編語言程序控制 8086微處理器快速完成各功能所需的復雜運算，然后數(shù)模轉換電路DAC0832可將運算所得的數(shù)字量轉換為模擬量。（3）穩(wěn)壓輸出電路：由于通過模數(shù)轉換電路輸出的電壓值大小有限制，通過使用運算放大

4、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。 功率放大電路通過外擴電路實現(xiàn)。五、硬件電路設計本課題的設計可通過實驗平臺上的一些功能模塊電路組成，由于各模塊電路內部已經連接，用戶在使用時只要設計模塊間電路的連接，因此，硬件電路的設計及實現(xiàn)相對簡單。完 整系統(tǒng)的硬件連接如圖 2所示。數(shù)據(jù)總線8255ECCQED7PCOPCIRDPC2w心RTSETPC4CSPCSAOPC6AlPCT+5V-IOR J-IOW 二RSTCS-5513PR2謹盤電躊呼匸呼=C0L1CCL2C0L4r.ri剛女u震CiWL【I吐CiW4 了 |存匸 他刪了 |l；0L2CS-DAR1010K+5

5、V運放輸出電路DACD$32I*IontlRf 1KcsXftrIonl2ILEAONDV0UT1I匸;R1 1KR2 500LM741WRl-IOWWR2DffKOCS1INOD0-D7ECCADD-?Vref(+)ADD-BVrefT-1)ADD-CALEG-UE?STARTVCCCLjOUMENABLE74LS245 輸入口 D0 ADEA DD-B島 DD-CSTCS2CS-ADCS0CS1CS2CS3CS4CS5CS6CS7地址譯碼電路圖2完整系統(tǒng)硬件連接圖實驗平臺上用到的一些功能模塊電路如下：地址譯碼電路：該單元通過三八譯碼器 74LS138與可編程邏輯器件 GAL20V8組成地址

6、譯 碼電路，產生 CS曠CS7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。可編程并行接口 8255單元電路：8255芯片是比較典型常用的并行接口芯片，可與實驗 平臺上提供的4*4的鍵盤單元和LED數(shù)碼管顯示電路單元相連構成接口電路，實現(xiàn)對鍵盤和顯示電路的控制。基本輸入輸出單元電路：通過74LS245以及74LS373組成基本的輸入單元電路，可以方便的通過數(shù)據(jù)線讀取或輸出數(shù)據(jù)。在系統(tǒng)中通過74LS245讀取了 ADC0809的轉換完成信號EOC計數(shù)器（分頻）電路單元：該單元電路由74LS393組成，對實驗板上提供 12MHz的時鐘 信號進行分頻，產生Q0-Q7不同頻率的時鐘脈沖信號

7、。在系統(tǒng)中選用Q2作ADC0809的外部 時鐘信號。從功能角度，該電路又可分為三個部分：鍵盤/顯示電路、數(shù)控部分、穩(wěn)壓輸出電路。下面就分別對這三個部分進行具體分析。1. 鍵盤/顯示電路的實現(xiàn)和電路連接該電路又可分為兩個部分： 電壓預制值顯示電路和電壓實際輸出值顯示電路。說明：（1）電壓預制值顯示電路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鍵盤的行、列接口，由于為非編碼鍵盤，需采用行反轉法（也可采用行掃描法）判斷所按實驗平臺上的小鍵盤為何鍵，同時通過編程把鍵值轉換為相應的數(shù)碼管段碼，實現(xiàn)數(shù)碼管顯示預置值。具體的電路連接如圖3所示。CS

8、1 f實驗平臺）C52C0L1-C0L4CS1 t援口實驗板CS2PC0-PC3PC4-PC7電壓預制顯示電路連接圖其中8255片選地址CS0為280H283H , LED數(shù)碼管段碼輸出選通的地址為284H287H，數(shù)碼管位選信號輸出選通的地址為288H28BH。（2）電壓實際輸出值顯示電路要在數(shù)碼管上顯示實際電壓輸出值首先需要將輸出電壓轉化為數(shù)字量，即完成A/D轉換。實現(xiàn)A/D轉換的方法很多，常用的有逐次逼近法、雙積分法及電壓頻率轉換法。其中逐次逼近法具有轉換快、精度高、抗干擾差等特點。ADC0809就是一個逐次比較式的 A/D轉換器。其分辨率為八位，模擬輸入電壓范圍 為05V，對應轉化值為

9、00H0FFH。有八個模擬輸入通道，可在程序控制下對任意通道進行A/D轉換。時鐘頻率10KHZ1280KHZ。每次只能對一路信號進行轉換，其通道號由 地址信號 A、B、C譯碼后選定。片內有地址鎖存和譯碼器。轉換結果送入三態(tài)輸出鎖存器，當輸出允許信號 0E有效時才輸出到數(shù)據(jù)總線上。另外，還有一個EOC信號，當轉換完成時，會發(fā)出轉換結束狀態(tài)信號，高電平有效，可以通過對該信號的檢測來查詢是否轉換完成。ADC0809引腳連接如圖4所示。出端口 丿22I :DOADC0y09vccDODllDOVKkJFf-)0ONEDO口 DINODC田CLKIN2ALELN3STTN4OEIN3AIN6BIN7GE

10、OG1701920常10AU AAl 24.A2 衛(wèi)26, DAC0S32辺 )VCUT11 I 3個棋KI2 ?電広輸3 入琳口47LS245輸入口 DI0圖4 ADC0809引腳連接圖此連接中通道號來自地址總線，分別由讀寫控制信號來控制ST, ALE和OE等使能端。EOC信號送入74LS245總線控制器的輸入DI0 口，在程序中對74LS245總線控制器的輸出口進行查詢式讀取 EOC信號。本系統(tǒng)中 ADC0809的輸入信號來自 DAC0832輸出電壓，具體的電路連接如圖 5所示。SDics3CREFI it+5VCLK_ADQ2CS ADIcssAOVOUT1I iAlcsv圖5電壓實際輸

11、出顯示電路連接圖其中由于ADC0809時鐘頻率范圍為10KHz1280KHz，計數(shù)器（分頻）電路單元中Q2產生的時鐘信號頻率 675KHZ，因此可以選擇 Q2。DAC0832的片選地址為 28CH28FH , ADC0809片選地址為 298H29BH , 74LS245總線控制器的片選地址為 29CH29FH。2. D/A數(shù)模轉換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，數(shù)控模塊關鍵的運算通過編程由8086微處理器完成，但系統(tǒng)的運算結果是八位數(shù)字量，必須經過數(shù)/模轉換器后才能輸出。采用雙緩沖的D/A轉換器 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

12、要電壓信號，可以通過運算放大器將其轉換為單極性或雙極性的輸出電壓。在單極性輸出中，對應數(shù)字量00OFFH的模擬電壓 V1的輸出范圍是0 Vref，輸出端口為V0UT1單極性輸出電壓 V1再經過運算放大器電平偏移、 放大后，對應數(shù)字量000FFH的模擬電壓V2的輸出范圍是VrefVref，即雙極性輸出，輸出端口為VOUT2 DAC0832引腳連接如圖6所示。3 模擬信號放大電路的分析與設計由于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0 9.9V ,需通過運算放大電路實現(xiàn)。比例運算電路的輸出電壓與輸入電壓之間存在比例關系，從而可以實現(xiàn)信號的放大。對比例運算電路加以擴展或

13、演變，可以得到求和、積分和微分電路、對數(shù)和指數(shù)電路等。對輸入信號接法的不同，比例運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。比例運算電路使用范圍廣泛，運放芯片種類也較多，有 LM741、LM324 NE5532等。通過比較，系統(tǒng)選用集成運算放大器LM741構建同向輸入比例運算放大電路，放大兩倍即可。7所示。LM741的引腳及同相比例運放電路具體連接如圖圖6 DAC0832引腳連接圖Rf圖7 LM741的引腳及同相比例運放電路連接圖如圖7所示，同相比例運算放大倍數(shù)為：u 0RfAuf1-u 1R1R1 Rf。系統(tǒng)選用R1 Rf 1k根據(jù)設計要求：Auf =2，即可確定

14、電路各參數(shù)：R2 R1/Rf 500六、系統(tǒng)軟件設計.開始.顯示主菜單鍵盤按鍵讀取鍵盤按鍵讀取算法子程序啟動模數(shù)、數(shù)模轉換反轉法掃描平臺鍵盤重新開始程序數(shù)碼管顯示左2位顯示預置值右2位顯示實際值是A鍵N是B鍵是C鍵是D鍵步長0.1V的正向掃描是E鍵步長0.1V的負向掃描是F鍵輸出三角波步進+ 0.1V步進一0.1VY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，識別按鍵、產生鍵碼并在數(shù)碼管上顯示；（2） 啟動DAC0832進行數(shù)模轉換，將預置電壓縮小1/2后單極輸出；（3） 將輸出電壓傳遞給模數(shù)轉換電路，啟動ADC0809進行轉換，采樣得到結果并在數(shù)碼 管上

15、顯示；（4）實現(xiàn)對整個系統(tǒng)的運行進行控制，完成系統(tǒng)步進、掃描、擴展輸出電壓等功能。系統(tǒng)軟件設計主要由主程序，菜單界面子程序，行反轉法鍵盤掃描子程序，鍵盤按鍵取值子程序，算法子程序，顯示子程序，“ +”、“”步進子程序，“ + ”、“”掃描子程序和三角波電壓產生子程序組成，程序流程如圖8所示。下面將對所涉及到幾個重要子程序進行介紹。行反轉法鍵盤掃描子程序（TESTKEY ）:該子程序通過行反轉法檢測實驗平臺鍵盤， 取得鍵值。但該子程序不能判斷鍵盤被多次按下時的鍵值，只能得到最后一次按鍵的鍵值， 而系統(tǒng)要求預置值為兩位數(shù)，因此還需再設計一個鍵盤按鍵取值子程序。鍵盤按鍵取值子程序（KEYINPUT

16、）:該子程序先調用一次鍵盤掃描子程序，但在取 得鍵值后并非立即返回主程序，而是繼續(xù)掃描鍵盤， 直到確定鍵盤掃描子程序已經掃描不到按鍵為止。這樣的作用是每調用一次鍵盤按鍵取值子程序就能取得一個鍵值，不會因為連續(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鍵盤按鍵取值子程序流程圖算法子程序（COUNT ）:通過兩個鍵盤按鍵取值子程序（鍵值為09）取得系統(tǒng)預置值，高位為 Vin1，低位為Vin2，暫不考慮小數(shù)。但輸入為十進制數(shù)，首先需轉化為十六進 制數(shù)，轉換公式為：Vin Vin1 * 10 Vin2(4)由于 DAC0832輸入范圍為 OOOFFH，輸出范圍為 0+5V，即+5V對應的是數(shù)

17、字量 255 (0FFH )，每個數(shù)字量表示的模擬量為5/256V。由此可得出預置電壓( Vin )轉換的相應數(shù)字量DATA公式為：Vin* 256 Vin*256DATA=(5)10*5* 2100經過DAC0832后就可得到范圍在 05V內的電壓。再通過ADC0809轉換后，得到相應的十 六進制的8位實際輸出電壓數(shù)字量， 為了在數(shù)碼管上顯示實際輸出電壓， 要采用相反的轉換 分別得出十進制的實際輸出電壓高位、低位。“ + ”、“”掃描子程序(FSCAN/BSCAN ):該子程序只需循環(huán)調用相應的“ + ”、“”步進子程序(JIAY/JIANY )，在每次調用結束后根據(jù)系統(tǒng)所需間隔時間增加一個中斷子程序 或延時子程序(DELAY2 )。以“ + ”掃描子程序為例，當鍵盤按鍵取值子程序返回的鍵值為 0EH時，調用“ + ”掃描子程序。進入子程序后，循環(huán)調用鍵盤掃描子程序，如果返回的鍵 值仍是0EH，則調用延時約為 1秒的延時子程序、步長為 0.1V的“+”步進子程序、算法 子程序和顯示子程序，即可實現(xiàn)間隔約為1秒的“ +”掃描功能；如果鍵盤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