數控直流電壓源教材

武漢理工大學《數字電子技術基礎》課程設計說明書PAGE課程設計任務書學生姓名：專業(yè)班級：電信0906班指導教師：工作單位：信息工程學院題目:數控電壓源的設計仿真與制作初始條件：運用所學的數電和模電知識，利用集成可逆計數器、D/A轉換器、顯示譯碼器、數碼管、運算放大器等器件實現系統(tǒng)設計。系統(tǒng)結構如下圖所示。（也可以利用FPGA或單片機系統(tǒng)設計實現）要求完成的主要任務:（包括課程設計工作量及技術要求，以及說明書撰寫等具體要求）1、課程設計工作量：1周內完成對數控電壓源的設計、仿真、裝配與調試。2、技術要求：輸出電壓0~9.9V，步進電壓值0.1V，輸出紋波電壓≤10mv，輸出電流5A。=1\*GB2⑴用兩按鈕開關作為電壓調整鍵，與可逆計數器的加計數CPU時鐘輸入端和減計數CPD時鐘輸出端相連，可逆計數器采用兩片十進制同步加/減計數器如74LS192級聯(lián)而成。=2\*GB2⑵數字顯示電路采用兩片二~十進制BCD碼譯碼驅動器如74LS248和2個七段數碼管組成。=3\*GB2⑶D/A轉換電路可采用DAC0832和集成運算放大器構成。=4\*GB2⑷調整輸出級采用運放作射極跟隨器，使調整管的輸出電壓精確地與D/A轉換器輸出電壓保持一致。調整管可采用大功率達林頓管，確保電路的輸出電流值達到設計要求。=5\*GB2⑸穩(wěn)壓電源部分利用7815、7915、和7805設計實現15V、±5V工作電源和調整管所需輸入電壓，要求能提供5A的電流。=6\*GB2⑹確定設計方案，按功能模塊的劃分選擇元、器件和中小規(guī)模集成電路，設計分電路，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。按《武漢理工大學課程設計工作規(guī)范》要求撰寫設計報告書。全文用A4紙打印，圖紙應符合繪圖規(guī)范。時間安排：=1\*GB2⑴第1—2天，查閱相關資料，學習設計原理。=2\*GB2⑵第3—4天，方案選擇和電路設計仿真。=3\*GB2⑶第4—5天，電路調試和設計說明書撰寫。=4\*GB2⑷第6天，上交課程設計成果及報告，同時進行答辯。指導教師簽名：年月日系主任（或責任教師）簽名：年月日

目錄1.Proteus簡介 12.總體設計方案 22.1總體設計思路 22.2總體設計框圖 23.硬件單元電路設計 23.1單片機最小系統(tǒng)設計 23.2顯示和按鍵控制電路設計 43.3D/A轉換電路設計 53.3.1TLC5615的特點 53.3.2TLC5615引腳說明 53.3.3TLC5615的時序圖 63.4電源電路設計 74.總體電路圖 85.軟件仿真及結果分析 86.程序設計 97.實物安裝及調試 108.元器件清單 119.心得與體會 1210.參考文獻 13附錄一：C語言程序 14附錄二：本科生課程設計成績評定表 17PAGE161.Proteus簡介Proteus是英國Labcenter公司開發(fā)的電路分析與實物仿真軟件。它運行于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，還能仿真單片機及外圍器件。它是目前最好的仿真單片機及外圍器件的工具。雖然目前國內推廣剛起步，但已受到單片機愛好者、從事單片機教學的教師、致力于單片機開發(fā)應用的科技工作者的青睞。該軟件的特點是：（1）實現了單片機仿真和SPICE電路仿真相結合。具有模擬電路仿真、數字電路仿真、單片機及其外圍電路組成的系統(tǒng)的仿真、RS232動態(tài)仿真、I2C調試器、SPI調試器、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、信號發(fā)生器等。(2)支持主流單片機系統(tǒng)的仿真。目前支持的單片機類型有：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)提供軟件調試功能。在硬件仿真系統(tǒng)中具有全速、單步、設置斷點等調試功能，同時可以觀察各個變量、寄存器等的當前狀態(tài)，因此在該軟件仿真系統(tǒng)中，也必須具有這些功能；同時支持第三方的軟件編譯和調試環(huán)境，如KeilC51uVision2、MPLAB等軟件。(4)具有強大的原理圖繪制功能。總之，該軟件是一款集單片機和SPICE分析于一身的仿真軟件，功能極其強大其功能特點如下:（1）原理布圖（2）PCB自動或人工布線（3）SPICE電路仿真具有3大功能模塊:（1）—個易用而又功能強大的ISIS原理布圖工具；（2）PROSPICE混合模型SPICE仿真;（3）ARESPCB設計.隨著科技的發(fā)展，“計算機仿真技術”已成為許多設計部門重要的前期設計手段。它具有設計靈活，結果、過程的統(tǒng)一的特點?？墒乖O計時間大為縮短、耗資大為減少，也可降低工程制造的風險。相信在單片機開發(fā)應用中PROTEUS也能茯得愈來愈廣泛的應用。2.總體設計方案2.1總體設計思路采用AT89C51系列單片機作為整機的控制單元,通過改變輸入數字量來改變輸出電壓值(D/A轉換后電壓值),經集成運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進行仿真。2.2總體設計框圖經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轉換、集成運放、射極輸出器、單片機最小系統(tǒng)、顯示及按鍵等組成。單片機單片機AT89C52電壓顯示按鍵D/A轉換集成運算放大器輔助電源+12v,-12v,+5v射極輸出電源+12v電壓輸出圖1電路總體設計圖3.硬件單元電路設計3.1單片機最小系統(tǒng)設計單片機最小系統(tǒng)是能補足單片機工作的最簡單電路，它由單片機、電源、晶體振蕩器、復位電路等構成。它是本系統(tǒng)的處理單元也是控制單元，負責處理信號、外設的接口與控制，同時它也是所有軟件的載體。本系統(tǒng)采用AT89C52是美國Atmel公司生產的低電壓、高性能CMOS8位單片機，片內含8KB的可反復檫寫的程序存儲器和12B的隨機存取數據存儲器（RAM），器件采用Atmel公司的高密度、非易失性存儲技術生產，兼容標準MCS-51指令系統(tǒng)，片內配置通用8位中央處理器（CPU）和Flash存儲單元，功能強大的AT89C52單片機可靈活應用于各種控制領域。AT89C52單片機屬于AT89C51單片機的增強型，與Intel公司的80C52在引腳排列、硬件組成、工作特點和指令系統(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）為復位輸入端口，外接電阻電容組成的復位電路。VCC（40腳）和VSS（20腳）為供電端口，分別接+5V電源的正負端。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單片機管腳圖本設計中，P0端口（32~39腳）被定義為N1功能控制端口，分別與N1的相應功能管腳相連接。單片機正常工作時，都需要有一個時鐘電路和一個復位電路。本設計中選擇了內部時鐘方式和按鍵電平復位電路，來構成單片機的最小電路。如圖3所示。圖3單片機最小系統(tǒng)3.2顯示和按鍵控制電路設計采用四位LED數碼管動態(tài)顯示輸出電壓的大小。此電路原理簡單,電路連接方便,可用單片機直接驅動,其中U2,U3為位驅動,RP1是P0的上拉電阻。圖4數碼管顯示電路 本系統(tǒng)用兩只按鍵KEY1、KEY2來實現“+”、“-”步進控制,每當按下KEY1時輸出電壓增加0.1v，同時數碼管顯示的數值也增加0.1，同理每當按下KEY2時輸出電壓減少0.1v，同時數碼管顯示的數值也減少0.1，另外用一只按鍵KEY3實現電路復位清零。圖5按鍵控制電路3.3D/A轉換電路設計目前，數模轉換器從接口上可分為兩大類：并行接口數模轉換器和串行接口數模轉換器。并行接口數模轉換器的引腳多，體積大，占用單片機的口線多；而串行數模轉換器的體積小，占用單片機的口線少，為減少線路板的面積和占用單片機的口線，可采用TCL5615串行數模轉換器產生可變基準電壓。TLC5615串行數模轉換器簡介：TLC5615為美國德州儀器公司1999年推出的產品，是具有串行接口的數模轉換器，其輸出為電壓型，最大輸出電壓是基準電壓值的兩倍。帶有上電復位功能，即把DAC寄存器復位至全零。3.3.1TLC5615的特點（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）最大輸出電壓可達基準電壓的二倍；（5）輸出電壓具有和基準電壓相同極性；（6）建立時間125μs；（7）內部上電復位；（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：串行數據輸入端；——腳2SCLK：串行時鐘輸入端；——腳3CS：芯片選用通端，低電平有效；——腳4DOUT：用于級聯(lián)時的串行數據輸出端；——腳5AGND：模擬地；——腳6REFIN：基準電壓輸入端；——腳7OUT：DAC模擬電壓輸出端；——腳8VDD：正電源端。3.3.3TLC5615的時序圖圖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，當片選CS為低電平時，輸入數據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據DIN移入內部的16位移位寄存器，SCLK的下降沿輸出串行數據DOUT，片選CS的上升沿把數據傳送至DAC寄存器。當片選CS為高電平時，串行輸入數據DIN不能由時鐘同步送入移位寄存器；輸出數據DOUT保持最近的數值不變而不進入高阻狀態(tài)。由此要想串行輸入數據和輸出數據必須滿足兩個條件：第一時鐘SCLK的有效跳變；第二片選CS為低電平。這里，為了使時鐘的內部饋通最小，當片選CS為高電平時，輸入時鐘SCLK應當為低電平。串行數模轉換器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位數據。DIN輸入的12位數據中，前10位為TLC5615輸入的D/A轉換數據，且輸入時高位在前，低位在后，后兩位必須寫入數值為零的低于LSB的位，因為TLC5615的DAC輸入鎖存器為12位寬。如果使用TL5615的級聯(lián)功能，來自DOUT的數據需要輸入16位時鐘下降沿，因此完成一次數據輸入需要16個時鐘周期，輸入的數據也應為16位。輸入的數據中，前4位為高虛擬位，中間10位為D/A轉換數據，最后2位為低于LSB的位即零。實際電路中TLC5615與單片機連接如下圖所示：圖8D/A轉換電路TLC5615的SCLK腳與P3.0連接，CS腳與P3.1連接，DIN腳與P3.2連接，DAC輸出的電壓經集成運算放大器UA741放大后,輸出0～10V電壓。為了滿足輸出電壓的要求,應使集成運放的放大倍數為2倍,即Auf=2。實際使用時,通過調整RV1的阻值,來滿足放大倍數的要求。集成運放放大的電壓經Q41構成射極跟隨器放大,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基準電壓。3.4電源電路設計本系統(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LM7812、LM7912得到大小相等、極性相反的±12V,一路經LM7805得到+5V電壓:其中+12V為主電源,作為射極輸出器的電源;±12V作為集成運放的電源;+5V作為單片機系統(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.總體電路圖根據以上的分析和設計，本系統(tǒng)的完整電路圖如下圖所示：圖10基于AT89C52單片機的數控電壓源電路5.軟件仿真及結果分析按圖設計完成后，檢查無誤后開始仿真，最初計數器示數為0，輸出電壓為0mV。然后按加或減法計數按鈕，兩位數碼管上可顯示出0~99中的任意數，圖中電壓表的示數即為對應的輸出電壓值，對應的從0~9.9v，步長為0.1v變化。下圖為數碼管某一示數對應電壓表的示數：圖11軟件仿真結果通過軟件仿真，所設計的電路圖符合實驗要求，在誤差允許范圍內，基本實現了數控電壓源的功能。6.程序設計系統(tǒng)程序設計采用C語言編程,設計的關鍵是對直流電壓源步進電壓的控制和顯示。設計框圖如圖12所示。圖12軟件設計流程圖當電源打開的時候,MCU進行復位,寄存器清零,輸出電壓為0V,并在數碼管上顯示(這里為0)。這時候程序循環(huán)檢測是否有按鍵信號,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,則復位清零,單片機返回初始狀態(tài),輸出電壓為0V,并等待下一次按鍵。7.實物安裝及調試電路組裝好以后,要檢查一遍接線情況,在確定安裝接線無誤的情況下,就可進行電路通電調試。首先測量電源輸出電壓是否達到要求;在初始化狀態(tài)下,調節(jié)集成運放μA741的外接調零電位器,使集成運放輸出電壓為零。調節(jié)射極輸出器的偏置電阻RV2使輸出電壓為零;在輸入數值最大的情況下,調節(jié)輸出集成運放的負反饋電阻RV1,使其輸出電壓為9.9V,測量射極輸出器的輸出電壓,如果正常(9.9V),說明設計組裝基本成功。8.元器件清單名稱含義型號R1、R2、R4、R5電阻1KR3電阻10KC1電容10ufC2、C3電容30pfU1單片機AT89C52U2、U3反相器74HC04U4D/A轉換器TLC5615U5并聯(lián)穩(wěn)壓管TL431U6運算放大器UA741Q1三極管ZTX453RP1電阻10KRV1電位器15KRV2電位器20KX1數碼管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10.參考文獻[1]譚浩強.C程序設計.第三版.北京：清華大學出版社，2007[2]唐競新.數字電子電路[M].第1版.北京：清華大學出版社，2003[3]伍時和.數字電子技術基礎.第1版.北京：清華大學出版社，2009[4]蔣輝科等編著.單片機原理與應用設計.北京航空航天大學出版社，2007[5]李廣弟.單片機基礎.第二版.北京:北京航空航天大學出版社，2002[6]李群芳.單片微型計算機與接口技術.電子工業(yè)出版社，2005.1附錄一：C語言程序#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;/*定義數碼管顯示字符跟數字的對應數組關系*/ucharduma[]={0xc0,0xf9,0xa4,0xb0,0x99,0x92,0x82,0xf8,0x80,0x90,0x7f};voiddelay(charc)/*延時1ms*/{chara,b;for(a=c;a>0;a--)for(b=110;b>0;b--)