數(shù)控直流電源的設(shè)計與實現(xiàn)

1、數(shù)控直流電源的設(shè)計與實現(xiàn)一、實驗?zāi)康?了解數(shù)控技術(shù)和電源技術(shù)。 熟悉微機(jī)原理及其接口技術(shù)。 運用微機(jī)系統(tǒng)實現(xiàn)一個數(shù)控直流電源。二、實驗內(nèi)容與要求基于80x86實驗箱平臺設(shè)計并制作數(shù)控直流電源。要求由鍵盤預(yù)置輸入直流電壓在09.9V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(shù)指標(biāo)：（1）輸出電壓：范圍09.9V，紋波不大于10mV，電壓值由數(shù)碼管顯示；（2）具有“+”、“-”步進(jìn)調(diào)整的功能，步進(jìn)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(jìn)0.1V不變）。三、實驗報告要求設(shè)計目的和內(nèi)容總體設(shè)計硬件設(shè)計：原理圖（接線圖）及簡要說明軟件設(shè)計框圖及

2、程序清單設(shè)計結(jié)果和體會（包括遇到的問題及解決的方法）四、總體設(shè)計采用8086處理機(jī)構(gòu)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(shè)計各種功能的實現(xiàn)，輸出部分也不再采用傳統(tǒng)的調(diào)整管方式，而是在D/A轉(zhuǎn)換后，經(jīng)過穩(wěn)定的功率放大電路得到。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(shè)計框圖如圖1所示。 圖1 方案三系統(tǒng)設(shè)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(yù)制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82

3、55單元電路構(gòu)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(yù)置值；在得到實際輸出值后，實驗板上提供了模數(shù)轉(zhuǎn)換ADC0809單元電路，轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(fù)雜運算，然后數(shù)模轉(zhuǎn)換電路DAC0832可將運算所得的數(shù)字量轉(zhuǎn)換為模擬量。（3）穩(wěn)壓輸出電路：由于通過模數(shù)轉(zhuǎn)換電路輸出的電壓值大小有限制，通過使用運算放大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

4、通過外擴(kuò)電路實現(xiàn)。五、硬件電路設(shè)計本課題的設(shè)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(nèi)部已經(jīng)連接，用戶在使用時只要設(shè)計模塊間電路的連接，因此，硬件電路的設(shè)計及實現(xiàn)相對簡單。完整系統(tǒng)的硬件連接如圖2所示。CS-55-IOWRST-IOR數(shù)據(jù)總線CS1CS-DA運放輸出電路輸出R2 500R1 1KRf 1KCS2CS-DIADDACS-ADDA CS0 CS1 CS2 CS3 CS4 CS5 CS6 CS7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組成地址譯碼電路，產(chǎn)生C

5、S0CS7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?？删幊滩⑿薪涌?255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(gòu)成接口電路，實現(xiàn)對鍵盤和顯示電路的控制?；据斎胼敵鰡卧娐罚和ㄟ^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(zhuǎn)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(jìn)行分頻，產(chǎn)生Q0Q7不同頻率的時鐘脈沖信號。在系統(tǒng)中選用Q2作ADC08

6、09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(jìn)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(yù)制值顯示電路和電壓實際輸出值顯示電路。下面分別說明：（） 電壓預(yù)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(zhuǎn)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(zhuǎn)換為相應(yīng)的數(shù)碼管段碼，實現(xiàn)數(shù)碼管顯示預(yù)置值。具體的電路連接如圖3所示。 圖3 電壓預(yù)制顯示電路連接圖其中8

7、255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(zhuǎn)化為數(shù)字量，即完成A/D轉(zhuǎn)換。實現(xiàn)A/D轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換法。其中逐次逼近法具有轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換器。其分辨率為八位，模擬輸入電壓范圍為05V，對應(yīng)轉(zhuǎn)化值為00H0FFH。有八個模擬輸入通道，可在程序控制下對任意通道進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換。時鐘頻率10KHz1280KHz。每次只能對一路信號進(jìn)

8、行轉(zhuǎn)換，其通道號由地址信號A、B、C譯碼后選定。片內(nèi)有地址鎖存和譯碼器。轉(zhuǎn)換結(jié)果送入三態(tài)輸出鎖存器，當(dāng)輸出允許信號OE有效時才輸出到數(shù)據(jù)總線上。另外，還有一個EOC信號，當(dāng)轉(zhuǎn)換完成時，會發(fā)出轉(zhuǎn)換結(jié)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(zhuǎn)換完成。ADC0809引腳連接如圖4所示。 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(jìn)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

9、連接如圖5所示。 圖5 電壓實際輸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(chǎn)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。2D/A數(shù)模轉(zhuǎn)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(shù)，數(shù)控模塊關(guān)鍵的運算通過編程由8086微處理器完成，但系統(tǒng)的運算結(jié)果是八位數(shù)字量，必須經(jīng)過數(shù)/模轉(zhuǎn)換器后才能輸出。采用雙緩沖的D/A轉(zhuǎn)換器DAC0832。 本系統(tǒng)采用了單緩沖方式。DAC0832的輸出是電流型

10、的，而系統(tǒng)需要電壓信號，可以通過運算放大器將其轉(zhuǎn)換為單極性或雙極性的輸出電壓。在單極性輸出中，對應(yīng)數(shù)字量000FFH的模擬電壓V1的輸出范圍是0，輸出端口為VOUT1；單極性輸出電壓V1再經(jīng)過運算放大器電平偏移、放大后，對應(yīng)數(shù)字量000FFH的模擬電壓V2的輸出范圍是，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(shè)計由于DAC0832單極性輸出的電壓范圍為05V，系統(tǒng)要求輸出電壓范圍為09.9V，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(guān)系，從而可以實現(xiàn)信號的放大。對比例運算電路加以擴(kuò)展或演變，可以得到求和、積分和

11、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(gòu)建同向輸入比例運算放大電路，放大兩倍即可。LM741的引腳及同相比例運放電路具體連接如圖7所示。 圖6 DAC0832引腳連接圖 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： 根據(jù)設(shè)計要求：Auf =2，即可確定電路各參數(shù)：。系統(tǒng)選用，。 六、系統(tǒng)軟件設(shè)計開 始圖8 系統(tǒng)流程圖NYNYNYYYYNNNN

12、NYYYNNYY有按鍵否反轉(zhuǎn)法掃描鍵盤回到DOS步長0.1V的負(fù)向掃描描是F鍵步進(jìn)0.1V步長0.1V的正向掃描步進(jìn)0.1V輸出三角波重新開始程序是E鍵是D鍵是C鍵是B鍵是A鍵取平臺鍵盤按鍵值是ESC否PC鍵盤輸入有按鍵否反轉(zhuǎn)法掃描平臺鍵盤數(shù)碼管顯示左2位顯示預(yù)置值右2位顯示實際值算法子程序啟動模數(shù)、數(shù)模轉(zhuǎn)換鍵值>9否鍵盤按鍵讀取鍵值>9否鍵盤按鍵讀取顯示主菜單 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(chǎn)生鍵碼并在數(shù)碼管上顯示；（2） 啟動DAC0832進(jìn)行數(shù)模轉(zhuǎn)換，將預(yù)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(zhuǎn)換

13、電路，啟動ADC0809進(jìn)行轉(zhuǎn)換，采樣得到結(jié)果并在數(shù)碼管上顯示；（4） 實現(xiàn)對整個系統(tǒng)的運行進(jìn)行控制，完成系統(tǒng)步進(jìn)、掃描、擴(kuò)展輸出電壓等功能。系統(tǒng)軟件設(shè)計主要由主程序，菜單界面子程序，行反轉(zhuǎn)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(jìn)子程序，“+”、“”掃描子程序和三角波電壓產(chǎn)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(jìn)行介紹。行反轉(zhuǎn)法鍵盤掃描子程序（TESTKEY）：該子程序通過行反轉(zhuǎn)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(yù)置值為兩位數(shù)，因此還需再設(shè)計一個鍵盤按鍵取

14、值子程序。鍵盤按鍵取值子程序（KEYINPUT）：該子程序先調(diào)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(jīng)掃描不到按鍵為止。這樣的作用是每調(diào)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(yù)置值，高位為，低位為，暫不考慮小數(shù)。但輸入為十進(jìn)制數(shù)，首先需轉(zhuǎn)化為十六進(jìn)制數(shù)，轉(zhuǎn)換公式為： （4） 由于DAC0832輸入范圍為000FFH，輸出范圍為0+5V，即+5V對應(yīng)的是數(shù)字量255（0F

15、FH），每個數(shù)字量表示的模擬量為5/256V。由此可得出預(yù)置電壓（）轉(zhuǎn)換的相應(yīng)數(shù)字量DATA公式為：DATA= （5）經(jīng)過DAC0832后就可得到范圍在05V內(nèi)的電壓。再通過ADC0809轉(zhuǎn)換后，得到相應(yīng)的十六進(jìn)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(zhuǎn)換分別得出十進(jìn)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(diào)用相應(yīng)的“+”、“”步進(jìn)子程序（JIAY/JIANY），在每次調(diào)用結(jié)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(dāng)鍵盤按鍵取值子程序返回的鍵值為0EH時，調(diào)用“+”掃描子程序。進(jìn)入子程序后，循環(huán)調(diào)用鍵盤掃描子程序，如果返回的鍵值仍是0EH，則調(diào)用延時約為1秒的延時子程序、步長為0.1V的“+”步進(jìn)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 “+”掃描子程序流程圖和具體程序參考“+”、“”掃描子程序即可得到三角波電壓產(chǎn)生