《数控直流电流源设计 毕业论文.doc》由会员分享,可在线阅读,更多相关《数控直流电流源设计 毕业论文.doc(42页珍藏版)》请在三一文库上搜索。
1、数控直流电流源设计 I 数控直流电流源设计数控直流电流源设计 摘 要 本设计大致分五个模块:单片机控制模块、数模(D/A)转换模块、恒流源模 块、模数(A/D)转换模块、显示模块。单片机控制模块以单片机为核心,对输入 电流信号进行转换成数字量输出;恒流源模块将 D/A 转换来的电压模拟量通过恒流 源电路变成恒流;显示模块采用数码管显示译码芯片与 74LS47 设计成 10 进制 4 位 数码动态显示电路。键盘模块采用常见单路复位开关,做成 44 矩阵键盘,用动态 扫描方式读取外部按键动作,这样设计可靠,配合凌阳 AT89S52 单片机,可以很轻 松的实现按键输入 。此外,本设计可实现电流 0-
2、2A 且有1mA 和10mA 的两种 步进,同时有数码显示输入的电流值。 关键词 单片机 键盘控制 D/A 转换 恒流源 A/D 转换 译码显示 数控直流电流源设计 II Constant Current Resource Digital Controlled ABSTRACT The design is divided into five modules: Single-chip control, digital-to-analog (D / A) conversion module, constant current source module, the output display mo
3、dule. To single- chip single - chip control module as the core of the input current signals to digital output; Constant current source modules will be D / A converter to the voltage analog circuit through the constant current source into a constant current; display module display digital 74LS47 deco
4、der chip designed with 10-band digital dynamic display four circuits. Common use of the keyboard module reset single switch, make 4 * 4 matrix keyboard, using dynamic scanning button to read the external action, so that the design of reliable, with Sun plus AT89S52 microcontroller, can easily achiev
5、e the keystrokes. In addition, the design can achieve the current 0-2A and a 10mA and 1mA Step two, at the same time digital display of the current input. KEY WORDS Single - chip Keyboard control D / A converter A / D conversion Decoding show 数控直流电流源设计 目目 录录 中文摘要I 英文摘要II 1 绪论.1 1.1 概述 .1 1.2 课题的背景和意
6、义 .1 1.3 数控直流恒流源简介 .2 1.4 恒流源的应用 .2 2 数控直流电流源整体设计.3 2.1 整体结构设计与论证 .3 2.2 系统原理与基本框图 .5 3 硬件电路设计.6 3.1 单片机模块的设计 .6 3.1.1 单片机的选择6 3.1.2 单片机最小系统组成及 AT89S52 介绍6 3.1.2.1 AT89S52 单片机功能特性描述.6 3.1.2.2 AT89S52 引脚功能描述.7 3.2 D/A 转换模块设计11 3.2.1 D/A 转换方案.11 3.2.2 12 位串行 D/A 转换芯片 MAX538 介绍11 数控直流电流源设计 3.2.2.1 性能特点
7、.11 3.2.2.2 主要参数.12 3.2.2.3 内部结构.12 3.2.2.4 引脚结构.12 3.2.2.5 输入接口.13 3.2.3 D/A 转换模块电路14 3.3 V/I 转换模块设计14 3.3.1 V/I 转换方案14 3.3.2 V/I 转换电路15 3.4 A/D 转换模块设计17 3.4.1 A/D 转换方案.17 3.4.2 12 位串行 A/D 转换芯片 MAX197 介绍18 3.4.2.1 MAX197 的特性.18 3.4.2.2 MAX197 的结构.18 3.4.3 A/D 转换模块电路20 3.5 显示模块设计 .21 3.5.1 显示电路方案21
8、3.5.2 译码器 74LS47 简要介绍21 3.5.3 LED 显示器的工作原理23 3.5.4 显示模块电路25 3.6 键盘模块设计 .26 数控直流电流源设计 3.6.1 键盘电路方案选择.26 3.6.2 键盘模块的电路26 3.7 电源模块设计 .28 3.7.1 稳压电路电源方案.28 3.7.2 电源原理.28 3.7.3 LM7805、LM7812 简要介绍.28 3.7.4 电源模块电路29 4 软件设计.30 总结.33 致 谢.34 参考文献.35 附 录.36 数控直流电流源设计 1 1 绪论 1.1 概述 随着科学技术的迅速发展,人们对物质需求也越来越来高,特别是
9、一些高新技 术产品。电源作为当今人们生活中普遍存在的电子商品,从上世纪九十年代末 起便迅速发展。随着对系统更高效率和更低功耗的需求,电信与数据通讯设备的技 术更新推动电源行业中直流/直流电源转换器向更高灵活性和智能化方向发展。从 80 年代的第一代分布式供电系统开始转向到 20 世纪末更为先进的第四代分布式供电结 构以及中间母线结构,直流/直流电源行业正面临着新的挑战,即如何在现有系统加 入嵌入式电源智能系统和数字控制。 然而,早在 90 年代中,半导体生产商们就开发出了数控电源管理技术,而在当 时,这种方案的性价比与当时广泛使用的模拟控制方案相比处与劣势,因而无法被 广泛采用。由于板载电源管
10、理的更广泛应用和行业能源节约和运行最优化的关注, 电源行业和半导体生产商们便开始共同开发这种名为“数控电源”的新产品。而如今 随着直流电源技术的飞跃发展,整流系统由以前的分立元件和集成电路控制发展为 微机控制,从而使直流电源智能化。具有遥测、遥信、遥控的三遥功能, 基本实现 了直流电源的无人值守。并且,在当今科技快速发展过程中,模块化是直流电源的 发展趋势,并联运行是电源产品大容量化的一个有效手段,可以通过设计 N+1 冗余 电源系统,实现容量扩展,提高电源系统的可靠性、可用性,缩短维修、维护时间, 从而使企业产生更大的效益。智能模块电源采用电流型控制模式,集中式散热技术, 实时多任务监控,具
11、有高效、高可靠、超低辐射,维护快捷等优点,机箱结构紧凑, 防腐与散热也作了多方面的加强。它的应用将会克服大功率电源的制造、运输及维 修等困难。而且和传统可控硅电源相比节电 20%-30%节能优势,奠定了它将是未来 大功率直流电源的首选。 1.2 课题的背景和意义 世界的经济活动已经到了工业经济时代,并正在转入高新技术产业迅猛发展时 期。直流电源是电子技术常用的仪器设备之一,广泛的应用于教学、科研等领域, 是电子实验员、电子设计人员及电路开发部门进行实验操作和科学研究所不可缺少 的电子仪器。在电子电路中,通常都需要电压稳定的直流电源来供电。而整个恒流 数控直流电流源设计 2 过程是由电源变压器、
12、整流、滤波、稳压等四部分组成。然而这种传统的恒流电源 功能简单、不好控制、可靠性低、干扰大、精度低且体积大、复杂度高。 普通的直流恒流电源品种有很多, 但均存在以下二个问题: 1) 输出电流是通过粗调(波段开关) 及细调(电位器)来调节。这样,当输出电流 需要精确输出,或需要在一个小范围内改变时,困难就较大。另外,随着使用时间 的增加,波段开关及电位器难免接触不良,对输出会有影响。 2) 稳压方式均是采用串联型稳压电路,对过载进行限流或截流型保护,电路构 成复杂,稳压精度也不高。从上面我们能看出传统的恒流电源已经不能满足现在需 要,但是在各类电子设备和一些家用电器中,通常又都需要稳定的直流电源
13、供电。 而在我们实际生活中电源往往都是由 220V 的交流电网供电,那么这就需要通过变 压、整流、滤波、稳压电路将交流电转换成稳定的直流电。其中滤波器用于滤整流 输出电压中的纹波,一般传统电路由滤波扼流圈和电容器组成,若由晶体管滤波器 来替代,则可缩小直流电源的体积,减轻其重量,且晶体管滤波直流电源不需直流 稳压器就能用作家用电器的电源,这既降低了家用电器的成本,又缩小了其体积, 使家用电器小型化。然而传统的直流电源通常采用电位器和波段开关来实现电压的 调节,并由电流表指示电流值的大小。 因此,电流的调整精度不高,读数欠直观, 电位器也易磨损。而基于单片机控制的直流恒流电源能较好地解决以上传统
14、恒流电 源的不足,并且数控直流电源与传统稳压电源相比,具有操作方便、电流稳定度高 的特点。它的纹波电流低,电流调节精确,输出电流大小采用数字显示,直观易读。 电路大部分使用集成电路,从而使调试简单、性能优良、故障率低、使用寿命长。 1.3 数控直流恒流源简介 数控直流恒流源就是一个能输出恒定电流的电源, 在电子电路中(如晶体管放 大器电路)我们常需要一些电压增益较大的放大器,为此常要将晶体管集电极的负 载电阻设计得尽量大,但此电阻太大将容易使晶体管进入饱和状态,此时我们可利 用晶体三极管来代替这个大电阻,这样一来既可得到大的电阻,同时直流压降并不 大。 1.4 恒流源的应用 随着电子技术的发展
15、、数字电路应用领域的扩展,现今社会,产品智能化、数 字化已成为人们追求的一种趋势,设备的性能、价格、发展空间等备受人们的关注, 数控直流电流源设计 3 尤其对电子设备的精密度和稳定度最为关注。性能好的电子设备,首先离不开稳定 的电源,电源稳定度越高,设备和外围条件越优越,那么设备的寿命更长。基于此, 人们对数控恒定电流器件的需求越来越迫切。当今社会,数控恒压技术已经很成熟, 但是恒流方面特别是数控恒流的技术才刚刚起步且有待发展,高性能的数控恒流器 件的开发和应用存在巨大的发展空间。本文正是应社会发展的需求,研制出一种基 于单片机的高性能的数控直流恒流源。本数控直流恒流源系统输出电流稳定,输出
16、电流可在 20mA2000mA 范围内任意设定,不随负载和环境温度变化,并具有很高 的精度,输出电流误差范围4mA,因而可实际应用于需要高稳定度小功率直流恒流 源的领域。 2 数控直流电流源整体设计 2.1 整体结构设计与论证 方案一:采用 AT89S52 单片机作为整机的控制单元,通过改变 D/A 转换器 MAX538 的输入数字量来改变输出电压值,从而使输出功率管的基极电压发生变化, 间接地改变输出电流的大小。为了能够使系统具备检测实际输出电流值的大小,可 以将电流转换成电压,并经过 A/D 转换器 MAX188 进行模数转换。 交 流 输 入 整 流 滤 波 输出 调整 单元 恒 流 输
17、 出 测 试 通 道 芯片供 电部分 A/D 转换器 反馈通道 单片机及外围电路 键盘数码显示 D/A 转换器 图2-1 原理框图 数控直流电流源设计 4 此系统比较灵活,采用软件方法来解决数据的预置以及电流的步进控制,使系 统硬件更加简洁,各类功能易于实现,能很好地满足题目的要求。本方案的基本原 理如图 2-1 所示。 方案二:通过专门的恒流/恒压芯片 LT1769 和简单的控制线路来实现压控电流 源方案。这种恒压芯片具有集成度高,使用起来控制系统的软硬件都变得相对简单 的优点。但缺点是方案实现不够灵活;由于该芯片精度不高(5%) ,设备性能被局 限在这种专用芯片性能指标所允许的范围内。所以
18、这种设计一般只适合于精度要求 不高,但集成度和便携性要求高的场合。事实证明,这不是最理想的数控电流源实 现方案。 方案三:由单片机控制 DAC 产生电压控制信号,通过精密的线性压控电流源电 路输出所需的电流值。框架图如图 2-2 所示。 图2-2 方案三框图 由于在实现上比较直接,并且使用了线性功率器件,相比之下,更容易得到较 高的精度和更稳定的输出。具体实现上,电流源电路的精度和质量取决于精密的功 率放大器。同时,要特别关注设计上的问题(如 PCB 排版等) 。 方案四:通过编码开关来控制存储器的地址;根据地址输出对应的数字量送数 模(D/A)进行转换;再根据输出的电压量来控制电流的变化;同
19、时;通过四个编 码开关的 BCD 码送给 4511 及数码管显示。此方案的优点是电路简单,缺点是数据 量大且存储器存储容量有限,在实验过程中发现编码开关不稳定,所以不宜采用。 其电路方框图如图 2-3 所示: 数控模块 电源模块 精密电流源 模块 S 扩流模块 电流检测 模块 数控直流电流源设计 5 显示 编码开关 存储器 D/A 转换恒流源 负 载 图2-3 方案四方框图 方案五:采用开环电路,即利用微处理器做控制电路,D/A 转换器和 V/I 转换 电路来实现,系统框图见下图: 微 处 理 器 D/A 转换 V/I 转换电路电流输出 图2-4 智能电流源开环系统框图 在这种实现方法中,微处
20、理器通过控制 D/A 的输出直接调控电流大小,由于无 反馈环节,会造成电流输出效果不理想,精度差,量程范围小等问题,尤其在需要 高精度、宽量程的电流输出时达不到要求。 方案六:在传统电路设计的基础上,利用控制系统中反馈与控制原理,给电路 加上反馈电路,使整个电路构成一个闭环,软件上利用 PID 算法来实现对输出电流 的精确控制。这种方法设计的电流源性能稳定、带负载能力强。 系统的控制过程为:利用单片机将被预置的电流通过换算由 D/A 转换器进行 D/A 转换,以输出电压,驱动 V/I 转换实现电流输出,并将该电流值对应电压通过 闭环回路,经信号处理电路作 A/D 转换输入单片机系统,通过 PI
21、D 算法调整电流输 出,并驱动显示电路显示当前电流值。 系统由稳压电路电源、单片机、D/A 转换电路、电压电流(V/I)转换电路、A/D 转换电路、键盘显示电路组成。 比较以上几种方案的优缺点,方案六简洁、灵活、可扩展性好,能达到题目的 设计要求,因此采用方案六来实现。 数控直流电流源设计 6 2.2 系统原理与基本框图 结合以上各部分模块电路方案,本设计系统框图如图 2-5 所示。该系统通过 RS-485 总线与计算机进行串口通信,串行通信采用串行方式 1,速率为 9600 波特率。 在计算机上能适时地对该系统进行数据监测和控制,操作方便、快捷、直观。本系 统计算机软件采用 VB 软件实现
22、Windows 环境编程,VB 中实现串行通信是一个 MSComm 控件,该控件通过串行端口传输和接收数据,为应用程序提供串行通信功 能。 系 统 电 源 模 块 89S52 单 片 机 键盘模块 A/D 转换 (MAX197) D/A 转换 (MAX538) 显示模块 V/I 转换 恒 流 输 出 图2-5 数控直流电流源系统框图 3 硬件电路设计 3.1 单片机模块的设计 3.1.1 单片机的选择 对单片机的要求:只要能够方便地扩展显示器、键盘、A/D 转换器、D/A 转换 器等外设即可,其他并无特殊要求。常见的单片机有 8051 系列的单片机、8096 系 列的单片机、SPCE061A
23、的凌阳单片机。这里采用 AT89S52。89S52 相比于 89C51 价格基本不变,甚至比 89C51 更低,具有更高的性价比。 3.1.2 单片机最小系统组成及 AT89S52 介绍 单片机最小系统是整个数控系统的核心部分,它主要用于键盘按键管理、数据 处理、实时采样分析系统参数及对各部分反馈环节进行整体调整。主要包括 数控直流电流源设计 7 AT89S52 单片机、D/A 转换芯片 MAX538、A/D 转换芯片 MAX188、数码管显示译 码芯片、驱动译码器 74LS47 等器件。 3.1.2.1 AT89S52 单片机功能特性描述 AT89S52是一种低功耗、高性能CMOS8位微控制
24、器,具有8K在系统可编程 Flash存储器。使用Atmel公司高密度非易失性存储器技术制造,与工业80C51产品指 令和引脚完全兼容。片上Flash允许程序存储器在系统可编程,亦适于常规编程器。 图3-1 AT89S52引脚封装图 在单芯片上,拥有灵巧的8位CPU和在系统可编程 Flash,使得AT89S52为众多 嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效的解决方案。AT89S52具有以下标准功能: 8K字节Flash,256字节RAM,32位I/O口线,看门狗定时器,2个数据指针,三个16 位定时器/计数器,一个6向量2级中断结构,全双工串行口,片内晶振及时钟电路。 另外,AT89S52可降至0
25、Hz静态逻辑操作,支持2种软件可选择节电模式。空闲模式 下,CPU停止工作,允许RAM、定时器/计数器、串口、中断继续工作。掉电保护方 式下,RAM内容被保存,振荡器被冻结,单片机一切工作停止,直到下一个中断或 硬件复位为止。 数控直流电流源设计 8 3.1.2.2 AT89S52 引脚功能描述 VCC:电源 GND:地 P0口:P0口是一个8位漏极开路的双向I/O口。作为输出口,每位能驱动8个TTL 逻辑电平。对P0端口写“1”时,引脚用作高阻抗输入。当访问外部程序和数据存储器 时,P0口也被作为低8位地址/数据复用。在这种模式下,P0具有内部上拉电阻。在 flash编程时,P0口也用来接收
26、指令字节;在程序校验时,输出指令字节。程序校验 时,需要外部上拉电阻。 P1口:P1口是一个具有内部上拉电阻的8位双向I/O口,p1输出缓冲器能驱动4个 TTL逻辑电平。对P1端口写“1”时,内部上拉电阻把端口拉高,此时可以作为输入口 使用。作为输入使用时,被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因,将输出电流 (IIL)。此外,P1.0和P1.2分别作定时器/计数器2的外部计数输入(P1.0/T2)和定 时/计数器2的触发输入(P1.1/T2EX),具体如下表所示。在flash编程和校验时,P1 口接收低8位地址字节。 表3-1 AT89S52引脚功能表 引脚号第二功能 P1.0T2(定时器/计数器
27、 T2 的外部计数输入),时钟输出 P1.1T2EX(定时器/计数器 T2 的捕捉/重载触发信号和方向控制) P1.5MOSI(在系统编程用) P1.6MISO(在系统编程用) P1.7SCK(在系统编程用) P2口:P2口是一个具有内部上拉电阻的8位双向I/O口,P2输出缓冲器能驱动4个 TTL逻辑电平。对P2端口写“1”时,内部上拉电阻把端口拉高,此时可以作为输入口 使用。作为输入使用时,被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因,将输出电流 (IIL)。在访问外部程序存储器或用16位地址读取外部数据存储器(例如执行 MOVXDPTR)时,P2口送出高八位地址。在这种应用中,P2口使用很强的内部
28、上拉发送1。在使用8位地址(如MOVXRI)访问外部数据存储器时,P2口输出P2 锁存器的内容。 表3-2 引脚功能表 引脚号第二功能 数控直流电流源设计 9 P3.0RXD(串行输入) P3.1TXD(串行输出) P3.2INT0(外部中断 0) P3.3INT0(外部中断 0) P3.4T0(定时器 0 外部输入) P3.5T1(定时器 1 外部输入) P3.6WR(外部数据存储器写选通) P3.7RD(外部数据存储器写选通) 在flash编程和校验时,P2口也接收高8位地址字节和一些控制信号。 P3口:P3口是一个具有内部上拉电阻的8位双向I/O口,p2输出缓冲器能驱动4个 TTL 逻辑
29、电平。对P3端口写“1”时,内部上拉电阻把端口拉高,此时可以作为输入 口使用。作为输入使用时,被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因,将输出电流 (IIL)。P3口亦作为AT89S52特殊功能(第二功能)使用,如表3-2所示。在flash编 程和校验时,P3口也接收一些控制信号。 ST:复位输入。晶振工作时,RST脚持续2个机器周期高电平将使单片机复位。 看门狗计时完成后,RST脚输出96个晶振周期的高电平。特殊寄存器AUXR(地址 8EH)上的DISRTO位可以使此功能无效。DISRTO默认状态下,复位高电平有效。 ALE/PROG:地址锁存控制信号(ALE)是访问外部程序存储器时,锁存低8位
30、地址的输出脉冲。在flash编程时,此引脚(PROG)也用作编程输入脉冲。在一般情 况下,ALE以晶振六分之一的固定频率输出脉冲,可用来作为外部定时器或时钟使 用。然而,特别强调,在每次访问外部数据存储器时,ALE脉冲将会跳过。如果需 要,通过将地址为8EH的SFR的第0位置“1”,ALE操作将无效。这一位置“1”,ALE 仅在执行MOVX或MOVC指令时有效。否则,ALE将被微弱拉高。这个ALE使能标 志位(地址为8EH的SFR的第0位)的设置对微控制器处于外部执行模式下无效。 PSEN:外部程序存储器选通信号(PSEN)是外部程序存储器选通信号。当 AT89S52从外部程序存储器执行外部代
31、码时,PSEN在每个机器周期被激活两次,而 在访问外部数据存储器时,PSEN将不被激活。 /VPP:访问外部程序存储器控制信号。为使能从0000H到FFFFH的外部程序EA 存储器读取指令,EA必须接GND。为了执行内部程序指令,应该接。在flashEA cc V 数控直流电流源设计 10 编程期间,EA也接收12伏VPP电压。 XTAL1:振荡器反相放大器和内部时钟发生电路的输入端。 XTAL2:振荡器反相放大器的输出端。 图3-2 AT89S52内部结构方框图 数控直流电流源设计 11 图3-3 AT89S52基本连接图 3.2 D/A 转换模块设计 3.2.1 D/A 转换方案 根据题目
32、要求,所设计的直流电流源应具有数控功能,按发挥部分的指标要求, 应满足输出最大 2000mA,步进 1mA 的要求,因此,用“单片机D/A”的方式实 现数控功能最为合适。根据指标要求,D/A 的位数至少为 11 位,故而选择 12 位的 D/A 转换器。由于系统对输出电流设定的实时性没有要求,所以选择串行 12bitD/A 转换器 MAX538 以节约单片机接口资源。MAX538 是 MAXIM 公司生产的 12 位双 通道、三线串行输入、电压输出的 D/A 转换器。它不需要任何外围器件就可达到最 佳的性能指标。 3.2.2 12 位串行 D/A 转换芯片 MAX538 介绍 MAX538 是
33、低功耗,电压输出 12bitD/A 转换器。MAX538 可用电源+5V 供电, 外形为 8 脚封装。MAX538 仅吸收 140uA 的电流,是一种省电型器件。 MAX538 的输出放大器可分别提供 1 和 2 的增益。该器件可广泛的应用在便携 式测试仪器、程控增益放大器、工业过程控制、数字电话等领域。 3.2.2.1 性能特点 D/A 转换为电压输出; 数控直流电流源设计 12 内部有电压基准; 仅需 140uA 的电源电流; 串行数据输入; 可单电源+5V 工作。 3.2.2.2 主要参数 参考电压输入范围 03V; 参考端输入电阻大于 40K; D/A 转换输出电压 02.6; 增益误
34、差小于2LSB; 电源抑制比大于 300uV/V; 噪声电压小于 400uV; 输出电压建立时间小于 25us。 3.2.2.3 内部结构 MAX538 内部电路结构如图 3-4 所示,它主要有控制逻辑、12 位以寄存器、 D/A 转换寄存器、基准电源、上电复位等部分组成。 MAX531 ONLY BIPOFF 2.048V REFERENCE (MAX531 ONLY) POWER-UP RESET CONTROL LOGIC DAC REGISTER (12BITS) SHIFT REGISTER (12BITS) (LSB) (MSB) DAC REFIN MAX531 ONLY REF
35、OUT RFB MAX531 ONLY VOUT VDD DGND MAX531 ONLY VSS MAX531 ONLY 4 BITS VOUT AGND CLR MAX531 ONLY CS SCLK DIN MAX538 图 3-4 MAX538 内部电路结构 3.2.2.4 引脚结构 MAX538 的引脚排列见图所示,其引脚功能为: 1 脚:BIPOFF,双极性偏置端; 数控直流电流源设计 13 2 脚:Din,串行数据输入端; 3 脚:CLR,清除寄存器信号,低电平有效,清除后 D/A 寄存器为 000H; 4 脚:SCLK,可作输入端与 Din 配合输入数据; 5 脚:CS,片选端
36、,低电平有效; 6 脚:DOUT,串行数据输出端; 7 脚:DGND,数字地; 8 脚:AGND,模拟地,可与 DGND 共地; 9 脚:REFIN,参考电源输入端; 10 脚:REROUT,2.048V 参考电压输出端; 11 脚:Vs,负电源输入端、与地应接入 0.1uF 电容; 12 脚:VOUT,D/A 电压输出端; 13 脚:V+,正电源输入端,与地应接入 0.1uF 电容; 14 脚:RFB,内部运方反馈电阻,一般与 VOUT 相接。 图 3-5 MAX538 引脚排列 3.2.2.5 输入接口 MAX538 与 CPU 接口时,仅需三根串行线,其输入波形如图所示。在时钟频率 为
37、877KHz 时,传输 12bit 的数据 D/A 转换输出仅需 25us 的建立时间。 图 3-6 串行输入波形 数控直流电流源设计 14 3.2.3 D/A 转换模块电路 下图为 MAX538 的基本连接,参考电压必须外接,输出为单极性信号。 图 3-7 MAX538 基本连接图 在本设计中,MAX538 的 DIN、SCLK、分别接 AT89S52 的 P1.0 口、CS ALE(PRDG)、P1.1 口。REF 外接参考电压电路,OUT 接 V/I 转换电路。 系统采用 MAX6325 为 MAX538 提供 2.5V 的参考电压。MAX6325 是一款高输 出精度、低功耗、低噪声的基
38、准电压器件,其基本连接图如下: 图 3-8 MAX6325 基本连接图 3.3 V/I 转换模块设计 3.3.1 V/I 转换方案 方案一:采用压流变送器 XTRllO。此种方案会使恒流输出十分稳定,但是输出 电流较小,后级电流放大难以实现。专门的电流放大器价格昂贵且器件难以购买。 方案二:采用由精密运放与三个晶体管组成的达林顿管电路构成的压流转换模 块。转换电路利用晶体管平坦的输出特性和深度负反馈电路使输出电流稳定。 数控直流电流源设计 15 本设计选用方案二,使压流转换较容易实现。 3.3.2 V/I 转换电路 系统中 V/I 转换电路由精密运放与晶体管 T1、T2、T3 组成的达林顿电路
39、构成。 利用晶体管平坦的输出特性和深度的负反馈电路得到稳定的恒流输出,使系统带负 载能力强。其输出范围达到 200mA2000mA。 在 V/I 转换电路的输出回路中引入一个反馈电阻 ,输出电流 经反馈电阻 f R o I 得到一个反馈电压,=,通过,加到运算放大器的两个输入端。 f R f V f V 1211 VV 8 R 9 R 设运放的同向端和反向端的电压为,。该部分的输入电压为 Vi(由 MAX538 3 V 2 V 的 7 脚输出) 。又理想运放两端的输入电流值 i3,i2约等于零,且,则有: 3 V 2 V (3-1) 86 6 113 79 9 12 97 7 2 RR R V
40、VV RR R V RR R V i 即: (3-2) 86 6 11 79 9 12 97 7 RR R VV RR R V RR R i 由于,则: f1112 VVV (3-3) 86 6 11 79 9 11 97 7 )( RR R VV RR R VV RR R if 若令:,则有:KRR10 76 KRR1 98 (3-4) 79/ R RVV if 略去反馈回路的电流,则: (3-5) fiff RVRVI10/ 0 数控直流电流源设计 16 图 3-9 V/I 转换电路原理图 可见,输出电流的标定由 D/A 转换的输出电压和的阻值决定,成线性变 i V f R 换。采用大线径
41、康铜丝制作,其温度系数很小,大线径可使其温度影响减至最小, f R 此处选用的是 1/2W 的大功率精密电阻。在选三极管时注意 T3 应选用大功率管,且 要使用散热片,以保证管子工作在线性区。 设计中精密运放采用四运放集成芯片 LM324。它的内部包含四组形式完全相同 的运算放大器,除电源共用外,四组运放相互独立。其特点是既可单电源工作又可 双电源工作,并可在较宽电源电压范围内工作,且电源电流很小,输入偏置电流具 有温度补偿,无需外接频率补偿元件。它有 5 个引出脚,其中“+”、 “-”为两个信号输 入端, “V+”、 “V-”为正、负电源端, “”为输出端。两个信号输入端中,-(-)为反 O
42、 V i V 相输入端,表示运放输出端的信号与该输入端的位相反;+(+)为同相输入端, O V i V 表示运放输出端的信号与该输入端的相位相同。 O V 晶体管 T1、T2、T3 选用 2SC4596,耐压 60V,最大电流 5A,最大功率 25W, 能够较好的满足题目设计的要求。 数控直流电流源设计 17 3.4 A/D 转换模块设计 模数转换器是一种用来将连续的模拟信号转换成适合于数字处理的二进制数的 器件,可以认为,模数转换器是一个将模拟信号值编制成对应的二进制码的编码器。 常用的模/数转化器有:计数式 A/D 转换器、双积分式 A/D 转换器、逐位比较 式 A/D 转换器及并行直接比
43、较式 A/D 转换器等几种。 一个完整的模数转换器应该包含这样一些输入、输出信号: 模拟输入信号 Vin 和参考电压 Vref; 数字输出信号; 启动转换信号; 转换完成(结束)信号或者“忙”信号,输出; 数据输出允许信号,输入。 单片机对 A/D 转换的控制一般分为三个过程: (1)单片微机通过控制口发出启动转换信号,命令模/数转换器开始转换。 (2)单片微机通过状态口读入 A/D 转换器的状态,判断它是否转换结束。 (3)一旦转换结束,CPU 发出数据输出允许信号,读入转换完成的数据。 3.4.1 A/D 转换方案 根据题目要求,系统应能测量显示实际输出电流的范围及精度指标是:范围 202
44、000mA,精度 0.11mA。因此可知,A/D 的精度至少要在 12 位以上,但由 于只是用于测量显示,因而测量速度要求不高;又因为测量对象为直流信号,故也 没有双极性测量的要求。据此可以考虑采用以下具有可变增益功能的 A/D 转换器。 方案一:ICL7135 是美国 Intersil 公司生产的 4 位半双积分型 A/D 转换器,它 采用单基准电压,能对双极性输入的模拟电压进行转换。它具有自动量程控制信号 输出,自动极性判别信号输出,动态字位扫描 BCD 码输出的特点,因此在转换精度 要求较高而采样时间可以相对较慢的数据采集系统中被广泛应用。 方案二:MAX197 是美国 MAXIM 公司
45、设计的 12 位串行 A/D 转换器, 8 通道 单端或 4 通道差分输入,其内部集成了 8 通道多路开关,故转换速率高且功耗低, 特别适合对体积、功耗和精度有较高要求的便携式智能化仪器仪表产品。因此,这 里选择 MAX197。 数控直流电流源设计 18 3.4.2 12 位串行 A/D 转换芯片 MAX197 介绍 MAX197 芯片是美国 MAXIM 公司近年的新产品,是多量程 (10V,5V,010V,05V)、8 通道、12 位高精度的 A/D 转换器。它采用逐次 逼近工作方式,有标准的微机接口。三态数据 IO 口用做 8 位数据总线,数据总线 的时序与绝大多数通用的微处理器兼容。全部
46、逻辑输入和输出与 TTLCMOS 电平 兼容。新型 AD 转换器芯片 MAX197 与一般 A/D 转换器芯片相比,具有极好的性 能价格比,仅需单一5V 供电,且外围电路简单,可简化电路设计。 3.4.2.1 MAX197 的特性 12 位分辨率,1/2LSB 线形度; 单+5V 供电; 软件可编程选择输入量程: 10V, 5V,0+5V,0+10V; 输入多路选择器保护: 16.5V 8 路模拟输入通道; 6us 转换时间,100kSPS 采样速度; 内/外部采集控制; 内部 4.096V 或外部参考电压; 两种掉电模式; 内部或外部时钟。 3.4.2.2 MAX197 的结构 MAX197
47、 有 28 脚 DIP (窄型)、宽型 SO,SSOP 等封装形式。其引脚如图 3.7 所 示。 D0D11:输出数据线; CH0CH7:模拟量输入通道; CS:片选端; RD,WR:读写控制端; CLK:时钟输入; INT:转换结束信号; HBEN:12 b 转换结果输出选择端,HBEN-1:高 4 位输出;HBEN-0:低 8 位 输出; 数控直流电流源设计 19 SHDN:省电控制端,SHDN-0 时,MAX197 进入省电模式; REFADJ:带隙电压基准输出外部调整端; REF:基准缓冲输出ADC 基准输入; VDD:接+5 V; DGND:数字地; AGND:模拟地。 图 3-10
48、 MAX197 引脚图 3.4.1.3MAX197 的工作原理 MAX197 控制字节的写入和转换结束后的数据读出都是由 8 位并行接口完成的, 这使得微处理器能把 MAX197 作为一个 I/O 口来寻址,应用极为方便。 MAX197 A/D 转换的起动是通过写控制字来实现的,即每当向其写入一个控制 字时,同时也就起动了一次相应的转换。MAX197 还提供了一个标准的中断信号, 当变换完成,输出数据准备就绪后,变为低电平,在第一个读周期或者写一个新的 控制字节时,返回高电平。 MAX197 在单极性方式下,输出数据格式为二进制数;在双极性方式下,输出 数据格式为补码形式的二进制数。在读取数据
49、时,当 HBEN 为低电平时,读低 8 位, 当 HBEN 为高电平时,读高 4 位。 MAX197 既可以使用内部参考电压源,也可以使用外部参考电压源。当使用内 部参考源时,芯片内部的 2.5V 基准源经放大后向 REF 提供 4.096V 参考电平。这时 应在 REF 与 AGND 之间接入一个 4.7F 电容,在 REFADJ 与 AGND 之间接入一个 0.01F 电容。当使用外部参考源时,接至 REF 的外部参考源必须能够提供 400A 数控直流电流源设计 20 的直流工作电流,且输出电阻小于 10。如果参考源噪声较大,应在 REF 端与模拟 信号地之间接一个 4.7F 电容。模拟量输入通道拥有16.5V 的过电压保护,即使在 关断状态下,保护也有效。 图 3-11 MAX197 内部构成方框图 3.4.3 A/D 转换模块电路 在本次设计中 MAX197 通过 D0D7 与 AT89S52 的 P0.0P0.7 相连,既用于 输出 MAX197 的初始化控制字,也用于传输转换结果数据。 用 AT89S52 单片机的 P3.0 作片选信号,则 MAX19
链接地址:https://www.31doc.com/p-3934461.html