【畢業(yè)學(xué)位論文】(Word原稿)數(shù)控直流電流源設(shè)計(jì)

數(shù)控直流電流源 (F 題 ) 1 目 錄 一 方案設(shè)計(jì)與論證 體設(shè)計(jì)方案與比較 模塊電路設(shè)計(jì)及比較 *4鍵盤(pán)工作原理 值處理原理 序流程方框圖 序清單 系統(tǒng)測(cè)試 能測(cè)試 數(shù)據(jù)處理 銅絲阻值測(cè)試 差測(cè)試 發(fā)揮與創(chuàng)新 考文獻(xiàn) 器儀表 錄 控直流電流源 (F 題 ) 2 數(shù)控直流電流源（ F 題） 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/示模塊有兩個(gè)：一個(gè)是由 74示預(yù)值；另一個(gè)是在輸出端以 ，顯示實(shí)際測(cè)量值。此外，本設(shè)計(jì)可實(shí)現(xiàn)電流 0 21 10時(shí)有數(shù)碼顯示輸入的電流值。 關(guān)鍵字： 鍵盤(pán)控制 D/ 恒流源 A/is on a of of a DA a a a It a mA 0mA by +”-”. of It is of of is to be by D/A A/D 控直流電流源 (F 題 ) 3 一 方案設(shè)計(jì)與論證 總體設(shè)計(jì)方案與比較： 方案一：通過(guò)編碼開(kāi)關(guān)來(lái)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(lái)控制電流的變化；同時(shí)；通過(guò)四個(gè)編碼開(kāi)關(guān)的 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)是數(shù)據(jù)量大且存儲(chǔ)器存儲(chǔ)容量有限，在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)編碼開(kāi)關(guān)不穩(wěn)定，所以不宜采用。其電路方框圖如圖 示： 圖 方案一方框圖 方案二：采用以 89核心的單片機(jī)系統(tǒng)來(lái)控制 12 位 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(lái)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 示： 圖 案二方框圖 二 模塊電路設(shè)計(jì)及比較 系統(tǒng)硬件以 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。 數(shù)控直流電流源 (F 題 ) 4 2 1 電源模塊 本設(shè)計(jì)共用到電源有三種：即 5V +5V +21V. 源原理 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 源方框及波形圖 a 整流和濾波電路：整流作用是將交流電壓 3。濾波電路一般由電容組成，其作用是脈動(dòng)電壓 得到較平滑的直流電壓 b 穩(wěn)壓電路：由于得到的輸出電壓 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 +5V 其中 +5 V 給 電； 考電壓。由于要求輸出的電流最大值為 2000且取樣電阻為 1 歐所以 要求 出的電壓至少為 2 伏，通過(guò)計(jì)算 的電壓足夠?qū)崿F(xiàn)上述要求。 圖 5要用于單片機(jī)（ 數(shù)碼顯示（包括 74鍵盤(pán)。 圖 1 由于要求輸出的電流最大值 為 2000且主要電流從它通過(guò)，所以要用大電容，本設(shè)計(jì)采用兩個(gè) 470050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 耐壓值最大可達(dá) 42V，所以 。 圖 5V 電源原理圖 數(shù)控直流電流源 (F 題 ) 5 圖 5V 電源原理圖 圖 源原理圖 碼管顯示模塊： 74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 89串行口上用于數(shù)碼的顯示。數(shù)碼顯示模塊如圖 圖 值數(shù)碼顯示模塊原理圖 利用 轉(zhuǎn)換器組裝成 該電路為 電路采用標(biāo)準(zhǔn)的 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 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(guò)分壓的方法來(lái)擴(kuò)大它的量程。由于兩個(gè)輸入端最大承受電壓為 200此要實(shí)現(xiàn)最大值為 2000設(shè)計(jì)所采用的）如圖 數(shù)控直流電流源 (F 題 ) 6 圖 字電壓表的外接電路 通過(guò)上面的電路可以測(cè)量最大值為 2000電壓 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 . 圖 數(shù)字電壓表原理圖 數(shù)控直流電流源 (F 題 ) 7 ： 5模轉(zhuǎn)換公式： )2222(2)(2 001110101111121212 r e r e （ 2 例如 : 111111111111）且 5V，則： )2222(2 5 01101112 （ 2 當(dāng) 100000000000）且 5V,則： 2222(2 5 00001112 （ 2 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 12 位數(shù)模轉(zhuǎn)換來(lái)代替0 位數(shù)模轉(zhuǎn)換。 圖 片管腳圖 流源模塊 方案一：本設(shè)計(jì)在起初利用圖 恒流源電路 ， 運(yùn)放的輸出端通過(guò)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(wú)窮大，因此反相端和同相端的電位相等， 即 ,又由于三極管的發(fā)射極 1 與集電極電流 相差微小的基極電流，可視為兩者相等即 。因此可以通過(guò)改變同相輸入端的電壓來(lái)調(diào)整輸出電流 大小。 例如： 時(shí)， 12 但是在測(cè)試 控制比預(yù)期效果差，總是小于理論值。 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)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(lái)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 中輸出端取樣電阻為 1歐大功率電阻；康銅絲具有功率大，受數(shù)控直流電流源 (F 題 ) 8 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 精確測(cè)量）。 圖 案一恒流源電路原理圖 圖 案二恒流源電路原理圖 數(shù)控直流電流源 (F 題 ) 9 三 軟件設(shè)計(jì) 本作品使用 是以 使用時(shí)先在 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(lái)實(shí)現(xiàn)仿真。 本作品軟件要實(shí)現(xiàn)的功能是：鍵盤(pán)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（ ,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(jiàn)圖 片機(jī)模 塊方框圖 *4鍵盤(pán)工作原理： 鍵盤(pán)對(duì)單片機(jī)輸入數(shù)據(jù)，鍵盤(pán)為 4*4 矩陣鍵盤(pán)， 用 并行口 4 4 矩陣鍵盤(pán)，輸入線，以 輸出線 4 4 矩陣鍵盤(pán)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(guò)兩并行接口和 個(gè)按鍵的狀態(tài)同樣需變成數(shù)字量“ 0”和“ 1”，開(kāi)關(guān)的一端（列線）通過(guò)電阻接 接地是通過(guò)程序輸出數(shù)字“ 0”實(shí)現(xiàn)的。鍵盤(pán)處理程序的任務(wù)是：確定有無(wú)鍵按下，判斷哪一個(gè)鍵按下 ，鍵的功能是什么；還要消除按鍵在閉合或斷開(kāi)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(guò)軟件查表，查出該鍵的功能。鍵盤(pán)原理圖見(jiàn)圖 控直流電流源 (F 題 ) 10 圖 盤(pán)原理圖 值處理原理 鍵盤(pán)對(duì)單片機(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 假設(shè)鍵盤(pán)輸入的電流值為 I,由于 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 13095,根據(jù)題目要求所顯示的電流最大值為 2000 D/ （ 3 式中 為了單片機(jī)處理數(shù)據(jù)的方便，讓 D/095時(shí)，輸出的模擬信號(hào)最大值為 2047其線形關(guān)系為： 4 74 0 9 54 0 9 52 0 4 7（ 3 D/單片機(jī) 的 片機(jī)根據(jù)輸入的 I 值乘以 2，再轉(zhuǎn)換成二進(jìn)制數(shù)字信號(hào)，送到 。啟動(dòng) D/A 轉(zhuǎn)換即可輸出所需要的模擬信號(hào)值。 數(shù)控直流電流源 (F 題 ) 11 主程序流程圖： 圖 程序流程圖 數(shù)控直流電流源 (F 題 ) 12 盤(pán)處理流程圖 序清單 程序清單見(jiàn)附錄。 四 系統(tǒng)測(cè)試 本設(shè)計(jì)可實(shí)現(xiàn) 0到 2A 之間任意預(yù)置值（ 0000，同時(shí)具有 +/。 本設(shè)計(jì)要求輸出電流范圍為 2002000據(jù)圖 流源模塊可知，采樣電阻兩 端電壓為 2002000電壓值可以推算出數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊的參考電壓 少為 2伏（ 0） 。本設(shè)計(jì)的 2000以輸出電流為 0題目要求在 2002000任意預(yù)值，本設(shè)計(jì)可實(shí)現(xiàn) 0 2050預(yù)值。本設(shè)計(jì)通過(guò)鍵盤(pán)輸入電流值送單片機(jī) (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 控直流電流源 (F 題 ) 13 表 值測(cè)量值 電流值 （ 理論值 實(shí)際值 2047 0024 07712 03356 01128 0004 007F 007D 32 003F 003C 16 001F 001E 8 000F 000D 4 0007 0008 2 0003 0002 1 0001 0001 進(jìn)測(cè)試 題目要求具有“ +”“ -”步進(jìn)調(diào)整功能，步進(jìn)小于等于 10揮 部分要求步進(jìn) 1設(shè)計(jì)具有步進(jìn)調(diào)整 10全符合發(fā)揮部分的要求并對(duì)功能進(jìn)行了擴(kuò)充。 波電流測(cè)試 本設(shè)計(jì)要求電流小于 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(méi)交流成分，所以不會(huì)產(chǎn)生感抗）兩端的電壓，同過(guò)公式：紋波電流（ = 紋波電壓 (采樣電阻（ 1歐），通過(guò)測(cè)試，列表如下： 表 波系數(shù)測(cè)量 電流值 (交流毫伏表讀數(shù) (示波器讀數(shù)（ (200 00 000 500 000 ：交流毫伏表型號(hào)為：蘇州電子儀器廠生產(chǎn)的 示波器的型號(hào)為：江蘇電子儀器集團(tuán)有限公司生產(chǎn)的 紋波系數(shù)測(cè)試 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： 電源大面積共地（注意大電流與小電流不能共地） 數(shù)控直流電流源 (F 題 ) 14 在整流橋后加大電容慮波，本設(shè)計(jì)采用約為 10000 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 濾波效果相當(dāng)于 121 C 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) 圖 源濾波電路 五 數(shù)據(jù)處理 電路中需要 1歐的大功率電阻，本設(shè)計(jì)用 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 ，加上康銅絲后電阻值為 ，誤差為 度為 差測(cè)試 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，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 數(shù)控直流電流源 (F 題 ) 15 表 差測(cè)試表 輸入電流值（ 理論碼值 實(shí)際碼值 實(shí)際電流值 (誤差 (2047 0047 0 1024 077025 1 512 03313 1 256 01156 0 128 00028 0 64 007F 007D 64 0 32 003F 003C 33 1 16 001F 001E 16 0 8 000F 000D 8 0 4 0007 0008 4 0 2 0003 0002 2 0 1 0001 0001 1 0 通過(guò)測(cè)試發(fā)現(xiàn)，結(jié)果的最大誤差為當(dāng)輸入電流為 32，誤差為 3 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 1 本設(shè)計(jì)測(cè)量出來(lái)的誤差值小于規(guī)定的 誤差值。 六 發(fā)揮與創(chuàng)新 （ 1） 輸出電流范圍為 02050進(jìn) 1能比發(fā)揮部分功能更優(yōu)越； （ 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 +2個(gè)字 ,達(dá)到發(fā)揮部分要求； （ 3）改變負(fù)載電阻，輸出電壓在 10求輸出電流變化的絕對(duì)值輸出電流值的 1 （ 4）紋波電流達(dá)到規(guī)定要求小于 （ 5）其他 :本設(shè)計(jì)具有利用數(shù)字撥碼開(kāi)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 詳細(xì)介紹見(jiàn)各功能模塊介紹。 數(shù)控直流電流源 (F 題 ) 16 參 考 文 獻(xiàn) 1 童詩(shī)白，華成英 模擬電子技術(shù)基礎(chǔ) 高等教育出版社 2003 年 2 陳明熒 8051 單片機(jī)設(shè)