電子系統(tǒng)設(shè)計-實驗報告

1、本科生實驗報告實驗課程 電子系統(tǒng)設(shè)計 學(xué)院名稱 專業(yè)名稱 測控技術(shù)與儀器 學(xué)生姓名 學(xué)生學(xué)號 指導(dǎo)教師 實驗地點 實驗成績 二 年 月 二 年 月實驗一、運(yùn)放應(yīng)用電路設(shè)計一、實驗?zāi)康模?）了解并運(yùn)用NE555定時器或者其他電路，學(xué)會脈沖發(fā)生器的設(shè)計，認(rèn)識了解各元器件的作用和用法。（2）掌握運(yùn)算放大器基本應(yīng)用電路設(shè)計二、實驗要求（1）使用555或其他電路設(shè)計一個脈沖發(fā)生器，并能滿足以下要求：產(chǎn)生三角波V2，其峰峰值為4V，周期為0.5ms，允許T有5%的誤差。圖1-1 三角波脈沖信號（2）使用一片四運(yùn)放芯片LM324設(shè)計所示電路，實現(xiàn)如下功能：設(shè)計加法器電路，實現(xiàn)V3=10V1+V2,V1是正弦

2、波信號，峰峰值0.01v，頻率10kHz。 圖1-2 加法電路原理三、實驗內(nèi)容1、555定時器的說明：NE555是屬于555系列的計時IC的其中的一種型號，555系列IC的接腳功能及運(yùn)用都是相容的，只是型號不同的因其價格不同其穩(wěn)定度、省電、可產(chǎn)生的振蕩頻率也不大相同；而555是一個用途很廣且相當(dāng)普遍的計時IC，只需少數(shù)的電阻和電容，便可產(chǎn)生數(shù)位電路所需的各種不同頻率的脈波訊號。 a. NE555的特點有： 1.只需簡單的電阻器、電容器，即可完成特定的振蕩延時作用。其延時范圍極廣，可由幾微秒至幾小時之久。 2.它的操作電源范圍極大，可與TTL，CMOS等邏輯閘配合，也就是它的輸出準(zhǔn)位及輸入觸發(fā)準(zhǔn)

3、位，均能與這些邏輯系列的高、低態(tài)組合。 3.其輸出端的供給電流大，可直接推動多種自動控制的負(fù)載。 4.它的計時精確度高、溫度穩(wěn)定度佳，且價格便宜。b. NE555引腳位配置說明下： NE555接腳圖 ：圖1-3 555定時器引腳圖Pin 1 (接地) -地線(或共同接地) ，通常被連接到電路共同接地。 Pin 2 (觸發(fā)點) -這個腳位是觸發(fā)NE555使其啟動它的時間周期。觸發(fā)信號上緣電壓須大于2/3 VCC，下緣須低于1/3 VCC 。 Pin 3 (輸出) -當(dāng)時間周期開始555的輸出輸出腳位，移至比電源電壓少1.7伏的高電位。周期的結(jié)束輸出回到O伏左右的低電位。于高電位時的最大輸出電流大

4、約200 mA 。 Pin 4 (重置) -一個低邏輯電位送至這個腳位時會重置定時器和使輸出回到一個低電位。它通常被接到正電源或忽略不用。 Pin 5 (控制) -這個接腳準(zhǔn)許由外部電壓改變觸發(fā)和閘限電壓。當(dāng)計時器經(jīng)營在穩(wěn)定或振蕩的運(yùn)作方式下,這輸入能用來改變或調(diào)整輸出頻率。 Pin 6 (重置鎖定) - Pin 6重置鎖定并使輸出呈低態(tài)。當(dāng)這個接腳的電壓從1/3 VCC電壓以下移至2/3 VCC以上時啟動這個動作。 Pin 7 (放電) -這個接腳和主要的輸出接腳有相同的電流輸出能力，當(dāng)輸出為ON時為LOW，對地為低阻抗，當(dāng)輸出為OFF時為HIGH，對地為高阻抗。 Pin 8 (V +) -

5、這是555個計時器IC的正電源電壓端。供應(yīng)電壓的范圍是+4.5伏特(最小值)至+16伏特(最大值)。 參數(shù)功能特性： 供應(yīng)電壓4.5-18V 供應(yīng)電3-6 mA 輸出電225mA (max) 上升/下時間100 nsc.NE555的相關(guān)應(yīng)用: NE555的作用范圍很廣，但一般多應(yīng)用于單穩(wěn)態(tài)多諧振蕩器（Monostable Mutlivibrator）及無穩(wěn)態(tài)多諧振蕩器(Astable Multivibrator)。2、利用555定時器產(chǎn)生方波和三角波三角波信號的產(chǎn)生：555定時器產(chǎn)生方波信號后，接一個積分電路。原理圖如圖所示：圖1-4 三角波和方波信號的產(chǎn)生產(chǎn)生信號波形圖：圖1-5 脈沖信號波

6、形圖3、產(chǎn)生有正負(fù)電壓的三角波實驗原理：將產(chǎn)生的三角波接近運(yùn)放，在運(yùn)放的參考端，接上一個偏置電壓，這樣，當(dāng)三角波的輸出電壓達(dá)不到偏置電壓的大小，輸出即為負(fù)值。實驗原理圖：圖1-6 產(chǎn)生完整的三角波信號輸出波形圖：圖1-7 完整三角波波形圖4、加法器的使用信號的疊加：要實現(xiàn)V3=10V1+V2,V1是正弦波信號，峰峰值0.01v，頻率10kHz。將正弦信號加在方波信號上，由于0.01v信號太微弱，所以決定用0.1v的正弦信號。加法器：我利用的反向求和電路，所以輸出V3 = (R10/R13)V1 + (R10/R12)V2 ，由圖中參數(shù)，可以算出V3=10V1+V2。原理圖如圖所示：圖1-8 信

7、號疊加圖產(chǎn)生波形圖如圖所示：圖1-9 脈沖信號疊加波形圖根據(jù)圖中的數(shù)據(jù)，可以知道，我們實現(xiàn)了V3=10V1+V2的疊加，由電壓即可直觀地看出。實驗二、基于微控制器的直流電機(jī)驅(qū)動電路設(shè)計與仿真一、實驗?zāi)康模?）理解直流電機(jī)的驅(qū)動原理和驅(qū)動方式；（2）理解微控制器定時計數(shù)器工作原理及PWM發(fā)生；（3）掌握直流電機(jī)的驅(qū)動電路設(shè)計方法；（4）掌握直流電機(jī)的驅(qū)動軟件設(shè)計方法。二、實驗要求（1）構(gòu)建以51微控制器為核心的直流電機(jī)驅(qū)動電路，包括人機(jī)接口（按鍵和顯示）、光電隔離、L298N全橋驅(qū)動器（如圖1所示）。按鍵包括復(fù)位鍵（KEY_RST）、順時針轉(zhuǎn)向鍵（KEY_CW）、逆時針轉(zhuǎn)向鍵（KEY_CCW）、

8、調(diào)速增加鍵（KEY_UP）、調(diào)速降低鍵（KEY_DOWN）、確認(rèn)鍵（KEY_ENTER），調(diào)速步進(jìn)為滿量程的10%。圖2-1 電路原理圖（2）聯(lián)合Proteus和Keil軟件平臺，采用51微控制器的C語言編程，實現(xiàn)對1路直流電機(jī)的PWM調(diào)速控制和轉(zhuǎn)向控制。（3）建立PWM占空比與直流電機(jī)轉(zhuǎn)速的相關(guān)性數(shù)學(xué)模型。三、 實驗內(nèi)容實驗原理：（1）直流電機(jī)轉(zhuǎn)速直流電機(jī)的數(shù)學(xué)模型可用圖2-2表示，由圖可見電機(jī)的電樞電動勢Ea的正方向與電樞電流Ia的方向相反，Ea為反電動勢；電磁轉(zhuǎn)矩T的正方向與轉(zhuǎn)速n的方向相同，是拖動轉(zhuǎn)矩；軸上的機(jī)械負(fù)載轉(zhuǎn)矩T2及空載轉(zhuǎn)軍T0均與n相反，是制動轉(zhuǎn)矩。圖2-2 直流電機(jī)的數(shù)學(xué)

9、模型根據(jù)基爾霍夫第二定律，得到電樞電壓電動勢平衡方程式：U=Ea-Ia（Ra+Rc） 其中，Ra為電樞回路電阻，電樞回路串聯(lián)保繞阻與電刷接觸電阻的總和：Rc是外接在電樞回路中的調(diào)節(jié)電阻。由此可得到直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速公式為：n=Ua-IR/Ce（Ce為電動勢常數(shù)，是磁通量。）因此可得n=Ea/Ce可以看出，對于一個已經(jīng)制造好的電機(jī)，當(dāng)勵磁電壓和負(fù)載轉(zhuǎn)矩恒定時，它的轉(zhuǎn)速由在電樞兩端的電壓Ea決定，電樞電壓越高，電機(jī)轉(zhuǎn)速就越快，電樞電壓降低到0V時，電機(jī)就停止轉(zhuǎn)動：改變電樞電壓的極性，電機(jī)就反轉(zhuǎn)。（2）PWM電機(jī)調(diào)速原理 對于直流電機(jī)來說，如果加在電樞兩端的電壓為5所示的脈動電流壓（要求脈動電壓的周期遠(yuǎn)

10、小于電機(jī)的慣性常數(shù)），可以看出，在T不變的情況下，改變T1和T2寬度，得到的電壓將發(fā)生變化，下面對這一變化進(jìn)一步推導(dǎo)。圖2-3 施加在電樞兩端的脈動電壓 設(shè)電機(jī)接全電壓U時，其轉(zhuǎn)速最大為Vmax。若施加到電樞兩端的脈動電壓占空比為D=t1/T，則電樞的平均電壓為： U平=UD 可得：n=Ea/CeUD/Ce=KD 在假設(shè)電樞內(nèi)阻轉(zhuǎn)小的情況下式中K=U/CE，是常數(shù)。圖2-4為施加不同占空比時實測的數(shù)據(jù)繪制所得占空比與轉(zhuǎn)速的關(guān)系圖。圖2-4 占空比與電機(jī)轉(zhuǎn)速的關(guān)系由圖看出轉(zhuǎn)速與占空比D并不是完全的線性關(guān)系（途中實線），原因是電樞本身有電阻，不過一般直流電機(jī)的內(nèi)阻較小，可以近視為線性關(guān)系。由此可見

11、，改變施加在電樞兩端電壓就能改變電機(jī)的轉(zhuǎn)速，這就是直流電機(jī)PWM調(diào)速原理。仿真電路圖：圖2-5 仿真電路圖加速：圖2-6 加速顯示圖減速：圖2-7 減速顯示圖反轉(zhuǎn)：圖2-8 反轉(zhuǎn)顯示圖驅(qū)動主程序：#include#include lcd.h#include#define uchar unsigned char#define uint unsigned intsbit INPUT1 = P20;sbit INPUT2 = P21;sbit ENA = P22; sbit key_zz=P30;sbit key_fz=P31;sbit key_up=P32;sbit key_down=P33;sb

12、it key_tz=P34;sbit key_ok=P35;void time_Init();void exti_Init();void Delayms(unsigned int t);uchar num=0;unsigned int timer_count=0;unsigned int Duty_cycle=1;unsigned int set_duty=1;void main(void) time_Init();exti_Init();LcdInit(); Lcd_Str(0x00,6,STATE:); while(1)if(key_ok=0)Delayms(10);if(key_ok=0

13、)Duty_cycle=set_duty;if(key_tz=0)Delayms(10);if(key_tz=0) INPUT1=0; INPUT2=0;Lcd_Str(0x40,10,direct_tz );if(key_zz=0)Delayms(10);if(key_zz=0) INPUT1=1; INPUT2=0;Lcd_Str(0x40,10,direct_zz ); if(key_fz=0)Delayms(10);if(key_fz=0) INPUT1=0; INPUT2=1;Lcd_Str(0x40,10,direct_fz);void time_Init() /定時器0配置函數(shù),

14、工作方式1,50ms中斷一次TMOD=0x01;EA=1;ET0 = 1;TH0 = (65536-5000)/256;TL0 = (65536-5000)%256;TR0 = 1; void exti_Init()/外部中斷EA=1;EX0=1;EX1=1;IT0=1;IT1=1;void timer_inter() interrupt 1TH0 = (65536-5000)/256;TL0 = (65536-5000)%256;timer_count+; if(timer_count10)timer_count=0; if(timer_count9)set_duty=0;elseset_d

15、uty+;LcdWriteCom(0x80+0x07);LcdWriteData(0+(set_duty-1)%10); Lcd_Str(0x40,10,speed_down);void exti1_inter() interrupt 2if(set_duty0;x-) for(y=120;y0;y-);實驗三、數(shù)控電流源電路系統(tǒng)設(shè)計與仿真一、實驗?zāi)康模海?）理解數(shù)控電流源電路系統(tǒng)工作原理（2）理解V/I變換電路的工作原理（3）掌握數(shù)控電流源電路系統(tǒng)設(shè)計與仿真方法二、實驗要求：（1）構(gòu)建如圖1所示的數(shù)控電流源電路系統(tǒng)，包括人機(jī)接口（按鍵和顯示）、DAC和V/I變換電路（圖2）。按鍵包括輸出電流

16、增加鍵（KEY_UP）、輸出電流降低鍵（KEY_DOWN）、步進(jìn)選擇鍵（KEY_STEP），步進(jìn)分為三檔0.01mA、0.1mA和1.0mA。輸出電流的范圍020mA。圖3-1數(shù)控電流源電路系統(tǒng)的原理框圖圖3-2 V/I變換電路（2）分析電路工作原理，推導(dǎo)DAC數(shù)字輸入變量與電路輸出電流的數(shù)學(xué)關(guān)系，C語言編程實現(xiàn)對LCD顯示、DAC驅(qū)動、按鍵掃描及功能服務(wù)處理流程（如圖3所示）。圖3-3 數(shù)控電流源電路程序工作流程三、實驗內(nèi)容具有SPI接口的12位DAC：MCP4921引腳圖：圖3-4 引腳圖SPI輸入時序圖：圖3-5 時序圖寫命令寄存器：圖3-6 位邏輯實驗原理：利用51單片機(jī)作為整機(jī)的控制

17、單元，利用D/A轉(zhuǎn)換，U/I轉(zhuǎn)換來實現(xiàn)高精度數(shù)控電流源的設(shè)計。本系統(tǒng)通過按鍵和LCD實現(xiàn)人機(jī)交互，通過按鍵改變要實現(xiàn)的電流值或量程，LCD 負(fù)責(zé)顯示電流數(shù)值和量程。因為采用12的DAC，而基準(zhǔn)電壓是4.096V，所以精度可以達(dá)到0.001V，再通過U/I轉(zhuǎn)換電路，就可以達(dá)到精度為0.01mA，再通過LCD顯示出來，而量程切換只需要令tmp=1，當(dāng)量程切換按鍵按下，執(zhí)行tmp*10，當(dāng)按鍵超過兩次就進(jìn)行循環(huán)，這樣即可達(dá)到0.01mA到1mA的量程改變。從而精確實現(xiàn)按鍵改變電流的大小的數(shù)控電流源的設(shè)計。仿真電路圖：圖3-7 仿真電路圖初始步進(jìn)值和電流值圖3-8 顯示圖減小電流：圖3-9 顯示圖步進(jìn)

18、值切換0.1mA量程:圖3-10 顯示圖1mA量程：圖3-11 顯示圖控制電流源數(shù)值：（顯示與電流表真實值）數(shù)控電流源主程序：#include #include lcd.h#include mcp4821.hsbit key1=P10;sbit key2=P11;sbit key3=P12;unsigned int value=2000;unsigned int step_value=2;unsigned int n;unsigned char m11=0,1,2,3,4,5,6,7,8,9;unsigned char c5=0,0,0,0,0;unsigned int pn,pstep_va

19、lue;void Delayms(unsigned int t);void main()LcdInit();Lcd_Str(0x00,6,cot :);Lcd_Str(0x40,6,Step :);pstep_value=step_value;pstep_value=pstep_value/2;c0=pstep_value/1000%10;c1=pstep_value/100%10;c2=pstep_value/10%10;c3=pstep_value%10; Lcd_Num(0x46,1,mc0); Lcd_Num(0x47,1,mc1); Lcd_Str(0x49,1,.); Lcd_Nu

20、m(0x49,1,mc2); Lcd_Num(0x4a,1,mc3); Lcd_Str(0x4c,1,m); Lcd_Str(0x4d,1,A); pn=value; pn=pn/2;c0=pn/1000%10;c1=pn/100%10;c2=pn/10%10;c3=pn%10; Lcd_Num(0x06,1,mc0); Lcd_Num(0x07,1,mc1); Lcd_Str(0x09,1,.); Lcd_Num(0x09,1,mc2); Lcd_Num(0x0a,1,mc3); MCP4821_write(0,0,1,value); while(1)if(key1=0)Delayms(10);if(key1=0)if(value4096)value=0;elsevalue+=step_value;n=value;MCP4821_write(0,0,1,value);pn=n; pn=pn/2;c0=pn/1000%10;c1=pn/100%10;c2=pn/10%10;c3=pn%10; Lcd_Num(0x06,1,mc0); Lcd_Num(0x07,1,mc1); Lcd_Str(0x09,1,.); Lcd_Num(0x09,1,mc2); Lcd_Num(0x0a,1,mc3);i