數(shù)控直流電壓源教材

武漢理工大學(xué)《數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)》課程設(shè)計(jì)說明書PAGE課程設(shè)計(jì)任務(wù)書學(xué)生姓名：專業(yè)班級(jí)：電信0906班指導(dǎo)教師：工作單位：信息工程學(xué)院題目: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(shí)，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)）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)要求，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(duì)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0~9.9V，步進(jìn)電壓值0.1V，輸出紋波電壓≤10mv，輸出電流5A。=1\*GB2⑴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(shí)鐘輸入端和減計(jì)數(shù)CPD時(shí)鐘輸出端相連，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(jí)聯(lián)而成。=2\*GB2⑵數(shù)字顯示電路采用兩片二~十進(jìn)制BCD碼譯碼驅(qū)動(dòng)器如74LS248和2個(gè)七段數(shù)碼管組成。=3\*GB2⑶D/A轉(zhuǎn)換電路可采用DAC0832和集成運(yùn)算放大器構(gòu)成。=4\*GB2⑷調(diào)整輸出級(jí)采用運(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。=5\*GB2⑸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。=6\*GB2⑹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，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(bào)告書。全文用A4紙打印，圖紙應(yīng)符合繪圖規(guī)范。時(shí)間安排：=1\*GB2⑴第1—2天，查閱相關(guān)資料，學(xué)習(xí)設(shè)計(jì)原理。=2\*GB2⑵第3—4天，方案選擇和電路設(shè)計(jì)仿真。=3\*GB2⑶第4—5天，電路調(diào)試和設(shè)計(jì)說明書撰寫。=4\*GB2⑷第6天，上交課程設(shè)計(jì)成果及報(bào)告，同時(shí)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

目錄1.Proteus簡(jiǎn)介 12.總體設(shè)計(jì)方案 22.1總體設(shè)計(jì)思路 22.2總體設(shè)計(jì)框圖 23.硬件單元電路設(shè)計(jì) 23.1單片機(jī)最小系統(tǒng)設(shè)計(jì) 23.2顯示和按鍵控制電路設(shè)計(jì) 43.3D/A轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì) 53.3.1TLC5615的特點(diǎn) 53.3.2TLC5615引腳說明 53.3.3TLC5615的時(shí)序圖 63.4電源電路設(shè)計(jì) 74.總體電路圖 85.軟件仿真及結(jié)果分析 86.程序設(shè)計(jì) 97.實(shí)物安裝及調(diào)試 108.元器件清單 119.心得與體會(huì) 1210.參考文獻(xiàn) 13附錄一：C語(yǔ)言程序 14附錄二：本科生課程設(shè)計(jì)成績(jī)?cè)u(píng)定表 17PAGE161.Proteus簡(jiǎn)介Proteus是英國(guó)Labcenter公司開發(fā)的電路分析與實(shí)物仿真軟件。它運(yùn)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工具軟件的仿真功能，還能仿真單片機(jī)及外圍器件。它是目前最好的仿真單片機(jī)及外圍器件的工具。雖然目前國(guó)內(nèi)推廣剛起步，但已受到單片機(jī)愛好者、從事單片機(jī)教學(xué)的教師、致力于單片機(jī)開發(fā)應(yīng)用的科技工作者的青睞。該軟件的特點(diǎn)是：（1）實(shí)現(xiàn)了單片機(jī)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(jī)及其外圍電路組成的系統(tǒng)的仿真、RS232動(dòng)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(hào)發(fā)生器等。(2)支持主流單片機(jī)系統(tǒng)的仿真。目前支持的單片機(jī)類型有：ARM7(LPC21xx)、8051/52系列、AVR系列、PIC10/12/16/18系列、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(diǎn)等調(diào)試功能，同時(shí)可以觀察各個(gè)變量、寄存器等的當(dāng)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(shí)支持第三方的軟件編譯和調(diào)試環(huán)境，如KeilC51uVision2、MPLAB等軟件。(4)具有強(qiáng)大的原理圖繪制功能?？傊撥浖且豢罴瘑纹瑱C(jī)和SPICE分析于一身的仿真軟件，功能極其強(qiáng)大其功能特點(diǎn)如下:（1）原理布圖（2）PCB自動(dòng)或人工布線（3）SPICE電路仿真具有3大功能模塊:（1）—個(gè)易用而又功能強(qiáng)大的ISIS原理布圖工具；（2）PROSPICE混合模型SPICE仿真;（3）ARESPCB設(shè)計(jì).隨著科技的發(fā)展，“計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)”已成為許多設(shè)計(jì)部門重要的前期設(shè)計(jì)手段。它具有設(shè)計(jì)靈活，結(jié)果、過程的統(tǒng)一的特點(diǎn)?？墒乖O(shè)計(jì)時(shí)間大為縮短、耗資大為減少，也可降低工程制造的風(fēng)險(xiǎn)。相信在單片機(jī)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(jì)方案2.1總體設(shè)計(jì)思路采用AT89C51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。2.2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。單片機(jī)單片機(jī)AT89C52電壓顯示按鍵D/A轉(zhuǎn)換集成運(yùn)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(jì)圖3.硬件單元電路設(shè)計(jì)3.1單片機(jī)最小系統(tǒng)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(jiǎn)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(hào)、外設(shè)的接口與控制，同時(shí)它也是所有軟件的載體。本系統(tǒng)采用AT89C52是美國(guó)Atmel公司生產(chǎn)的低電壓、高性能CMOS8位單片機(jī)，片內(nèi)含8KB的可反復(fù)檫寫的程序存儲(chǔ)器和12B的隨機(jī)存取數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（RAM），器件采用Atmel公司的高密度、非易失性存儲(chǔ)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(chǔ)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)屬于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。VCC（40腳）和VSS（20腳）為供電端口，分別接+5V電源的正負(fù)端。P0~P3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：圖2AT89C52單片機(jī)管腳圖本設(shè)計(jì)中，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(shí)，都需要有一個(gè)時(shí)鐘電路和一個(gè)復(fù)位電路。本設(shè)計(jì)中選擇了內(nèi)部時(shí)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。圖3單片機(jī)最小系統(tǒng)3.2顯示和按鍵控制電路設(shè)計(jì)采用四位LED數(shù)碼管動(dòng)態(tài)顯示輸出電壓的大小。此電路原理簡(jiǎn)單,電路連接方便,可用單片機(jī)直接驅(qū)動(dòng),其中U2,U3為位驅(qū)動(dòng),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(shí)現(xiàn)“+”、“-”步進(jìn)控制,每當(dāng)按下KEY1時(shí)輸出電壓增加0.1v，同時(shí)數(shù)碼管顯示的數(shù)值也增加0.1，同理每當(dāng)按下KEY2時(shí)輸出電壓減少0.1v，同時(shí)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。圖5按鍵控制電路3.3D/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，可采用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(jiǎn)介：TLC5615為美國(guó)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。3.3.1TLC5615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(shí)間125μs；（7）內(nèi)部上電復(fù)位；（8）低功耗，最大僅175mW。3.3.2TLC5615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6TLC5615引腳排列圖引腳功能說明如下：——腳1DIN：串行數(shù)據(jù)輸入端；——腳2SCLK：串行時(shí)鐘輸入端；——腳3CS：芯片選用通端，低電平有效；——腳4DOUT：用于級(jí)聯(lián)時(shí)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7OUT：DAC模擬電壓輸出端；——腳8VDD：正電源端。3.3.3TLC5615的時(shí)序圖圖7TLC5615的時(shí)序圖TLC5615的時(shí)序分析:TLC5615的時(shí)序如圖7所示。由時(shí)序圖可以看出，當(dāng)片選CS為低電平時(shí)，輸入數(shù)據(jù)DIN由時(shí)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(shí)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的上升沿把數(shù)據(jù)傳送至DAC寄存器。當(dāng)片選CS為高電平時(shí)，串行輸入數(shù)據(jù)DIN不能由時(shí)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(gè)條件：第一時(shí)鐘SCLK的有效跳變；第二片選CS為低電平。這里，為了使時(shí)鐘的內(nèi)部饋通最小，當(dāng)片選CS為高電平時(shí)，輸入時(shí)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(jí)聯(lián)方式和非級(jí)聯(lián)方式。如不使用級(jí)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(shí)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?yàn)門LC5615的DAC輸入鎖存器為12位寬。如果使用TL5615的級(jí)聯(lián)功能，來自DOUT的數(shù)據(jù)需要輸入16位時(shí)鐘下降沿，因此完成一次數(shù)據(jù)輸入需要16個(gè)時(shí)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(shí)際電路中TLC5615與單片機(jī)連接如下圖所示：圖8D/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(yùn)算放大器UA741放大后,輸出0～10V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Auf=2。實(shí)際使用時(shí),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)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(zhǔn)電壓。3.4電源電路設(shè)計(jì)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±12V,一路經(jīng)LM7805得到+5V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(yùn)放的電源;+5V作為單片機(jī)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)以上的分析和設(shè)計(jì)，本系統(tǒng)的完整電路圖如下圖所示：圖10基于AT89C52單片機(jī)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(jì)完成后，檢查無(wú)誤后開始仿真，最初計(jì)數(shù)器示數(shù)為0，輸出電壓為0mV。然后按加或減法計(jì)數(shù)按鈕，兩位數(shù)碼管上可顯示出0~99中的任意數(shù)，圖中電壓表的示數(shù)即為對(duì)應(yīng)的輸出電壓值，對(duì)應(yīng)的從0~9.9v，步長(zhǎng)為0.1v變化。下圖為數(shù)碼管某一示數(shù)對(duì)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，在誤差允許范圍內(nèi)，基本實(shí)現(xiàn)了數(shù)控電壓源的功能。6.程序設(shè)計(jì)系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)采用C語(yǔ)言編程,設(shè)計(jì)的關(guān)鍵是對(duì)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(shí)候,MCU進(jìn)行復(fù)位,寄存器清零,輸出電壓為0V,并在數(shù)碼管上顯示(這里為0)。這時(shí)候程序循環(huán)檢測(cè)是否有按鍵信號(hào),如果KEY1按下,則輸出電壓增加0.1V;如果KEY2按下,則輸出電壓減省0.1V。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0V,并等待下一次按鍵。7.實(shí)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(wú)誤的情況下,就可進(jìn)行電路通電調(diào)試。首先測(cè)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μA741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9.9V,測(cè)量射極輸出器的輸出電壓,如果正常(9.9V),說明設(shè)計(jì)組裝基本成功。8.元器件清單名稱含義型號(hào)R1、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LM7805C4、C5電容1000ufC6、C7電容3.3ufVD1-VD4二極管1N40049.心得與體會(huì)10.參考文獻(xiàn)[1]譚浩強(qiáng).C程序設(shè)計(jì).第三版.北京：清華大學(xué)出版社，2007[2]唐競(jìng)新.數(shù)字電子電路[M].第1版.北京：清華大學(xué)出版社，2003[3]伍時(shí)和.數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ).第1版.北京：清華大學(xué)出版社，2009[4]蔣輝科等編著.單片機(jī)原理與應(yīng)用設(shè)計(jì).北京航空航天大學(xué)出版社，2007[5]李廣弟.單片機(jī)基礎(chǔ).第二版.北京:北京航空航天大學(xué)出版社，2002[6]李群芳.單片微型計(jì)算機(jī)與接口技術(shù).電子工業(yè)出版社，2005.1附錄一：C語(yǔ)言程序#include<reg52.h>#include<intrins.h>#defineucharunsignedchar#defineuintunsignedint#defineNop()_nop_()#define_Nop()_nop_()uintaa,shi,ge;sbitwela1=P2^0;/*定義數(shù)碼管位選*/sbitwela2=P2^1;sbitkey1=P1^0; /*定義控制按鍵*/sbitkey2=P1^3;sbitCLK=P3^0;/*定義DAC控制端口*/sbitCS=P3^1;sbitDIN=P3^2;/*定義數(shù)碼管顯示字符跟數(shù)字的對(duì)應(yīng)數(shù)組關(guān)系*/ucharduma[]={0xc0,0xf9,0xa4,0xb0,0x99,0x92,0x82,0xf8,0x80,0x90,0x7f};voiddelay(charc)/*延時(shí)1ms*/{chara,b;for(a=c;a>0;a--)for(b=110;b>0;b--)