一種實(shí)驗(yàn)室用精密直流信號(hào)源的設(shè)計(jì)

章彧

摘 要： 精密直流信號(hào)源裝置能夠程控輸出0-24V的直流電壓和0-2A的直流電流信號(hào)，具有精度高、可靠性高、操作簡(jiǎn)單的特點(diǎn)，可作為《電路》課程實(shí)驗(yàn)中的激勵(lì)源，發(fā)揮電路實(shí)驗(yàn)的功能，本文主要介紹了信號(hào)源的工作原理和操作方式。

關(guān)鍵詞： 直流信號(hào)源 實(shí)驗(yàn)裝置 單片機(jī)

《電路》是電氣信息類(lèi)各專(zhuān)業(yè)的一門(mén)重要基礎(chǔ)課程，通過(guò)該課學(xué)習(xí)，學(xué)生掌握電路的基本概念、基本理論和分析計(jì)算電路的基本方法，為后續(xù)專(zhuān)業(yè)課程學(xué)習(xí)培養(yǎng)電路分析能力?！峨娐贰氛n程理論嚴(yán)密，邏輯性強(qiáng)，而實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)是對(duì)電路理論教學(xué)的有益補(bǔ)充和豐富，是理論知識(shí)在具體實(shí)踐中的體現(xiàn)。通過(guò)電路實(shí)驗(yàn)，學(xué)生加深對(duì)電路理論的理解和掌握，將理論知識(shí)形象化和具體化，同時(shí)提高動(dòng)手操作能力，培養(yǎng)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)墓ぷ髯黠L(fēng)。

在電路實(shí)驗(yàn)中，往往要利用各種電路元件、激勵(lì)源和測(cè)量?jī)x表，搭建起一個(gè)實(shí)驗(yàn)電路，在激勵(lì)的作用下，對(duì)電路進(jìn)行測(cè)量和分析，從而驗(yàn)證電路定理。本設(shè)計(jì)的直流信號(hào)源作為電路實(shí)驗(yàn)中的激勵(lì)，可程控輸出0-24V的直流電壓和0-2A的直流電流信號(hào)，滿足電路實(shí)驗(yàn)的需求。

1.直流信號(hào)源的原理

直流信號(hào)源是一臺(tái)可程序控制、精確輸出直流電壓、直流電流的信號(hào)發(fā)生裝置，整個(gè)裝置由硬件功能電路和相關(guān)控制軟件兩大部分組成。

圖1 直流信號(hào)源硬件結(jié)構(gòu)框圖

直流信號(hào)源硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示，包括單片機(jī)、電壓信號(hào)輸出、電流信號(hào)輸出、存儲(chǔ)、顯示、鍵盤(pán)和串行通信模塊。

單片機(jī)選用C8051F064，是整個(gè)信號(hào)源裝置的控制核心，其主要功能是接受并顯示由鍵盤(pán)設(shè)置的輸出信號(hào)參數(shù)，經(jīng)數(shù)據(jù)處理后，切換到合適的電壓、電流量程，生成對(duì)應(yīng)的數(shù)字控制量，送給后續(xù)電壓、電流輸出模塊。

信號(hào)輸出模塊由D/A轉(zhuǎn)換器、量程切換電路、功率放大電路和功放保護(hù)電路組成。D/A轉(zhuǎn)換器是信號(hào)輸出模塊的核心環(huán)節(jié)，它為單片機(jī)提供利用數(shù)字信號(hào)實(shí)現(xiàn)模擬控制的手段，同時(shí)，它的性能會(huì)直接影響模擬輸出信號(hào)的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性。設(shè)計(jì)中D/A轉(zhuǎn)換器選用了DAC1220，它采用△-∑轉(zhuǎn)換技術(shù)，實(shí)現(xiàn)20位線性轉(zhuǎn)換，通過(guò)內(nèi)置的滿度、零點(diǎn)和線性修正寄存器，自動(dòng)進(jìn)行校準(zhǔn)功能，保證轉(zhuǎn)換的準(zhǔn)確性。CMOS結(jié)構(gòu)保證了其低功耗特性，具有噪聲低、線性誤差小、溫漂小等特點(diǎn)，并通過(guò)三線串行接口方式接收單片機(jī)的數(shù)據(jù)。DAC1220相關(guān)功能程序主要有兩塊：一是信號(hào)源裝置上電時(shí)的初始化程序，通過(guò)兩個(gè)字節(jié)命令字的設(shè)置，完成器件的工作方式設(shè)置和自動(dòng)校準(zhǔn)功能，其程序功能流程圖如圖2所示；二是D/A轉(zhuǎn)換功能程序，通過(guò)對(duì)三個(gè)字節(jié)數(shù)據(jù)輸入寄存器的設(shè)置，發(fā)揮來(lái)自單片機(jī)控制量的轉(zhuǎn)換輸出功能，其功能流程圖如圖3所示。

圖2 D/A轉(zhuǎn)換器初始化 圖3 D/A轉(zhuǎn)換功能

功能流程圖 流程圖

考慮到D/A轉(zhuǎn)換器環(huán)節(jié)和后續(xù)的功率放大電路環(huán)節(jié)會(huì)存在有線性誤差，因此，設(shè)計(jì)時(shí)，把0-24V的直流電壓分成26個(gè)量程檔，最小量程檔40mV，把0-2A的直流電流分成了45個(gè)量程檔，最小量程檔50uA。作為信號(hào)源輸出時(shí)，單片機(jī)可根據(jù)設(shè)定值自動(dòng)選擇適當(dāng)量程，控制量程切換環(huán)節(jié)的光耦元件和繼電器的工作狀態(tài)。

由于直流信號(hào)源裝置制造時(shí)，電路元件存在參數(shù)誤差，從而導(dǎo)致信號(hào)源輸出的實(shí)際信號(hào)值與鍵盤(pán)設(shè)定的給定信號(hào)值存在較大的偏差。這種問(wèn)題一般可通過(guò)在電路中加裝可調(diào)電位器解決，但本裝置中由于電壓、電流量程檔位很多，如用上述方式，電位器數(shù)量太多，既增加成本，又影響裝置的長(zhǎng)期穩(wěn)定性，因此設(shè)計(jì)時(shí)采用軟件修正方式減小誤差。具體的，按

y=kx+b（式1）

式中：y—修正值，送給DAC1220；

x—設(shè)定值；

k—滿度修正系數(shù)；

b—輕載修正系數(shù)；

進(jìn)行修正后輸出。每個(gè)電壓、電流量程都有一組k和b，它們按順序依次存放在E■PROM中。單片機(jī)會(huì)根據(jù)選定的量程，從對(duì)應(yīng)的E■PROM單元中取出修正系數(shù)，經(jīng)數(shù)據(jù)處理后，得到真正的控制量送給DAC1220。

直流信號(hào)源裝置還提供了RS232標(biāo)準(zhǔn)串行通信接口，并設(shè)計(jì)了串行通信協(xié)議，PC機(jī)可程控信號(hào)源的信號(hào)輸出，有利于電路實(shí)驗(yàn)室的微機(jī)化和網(wǎng)絡(luò)化管理。

2.直流信號(hào)源的操作

作為高校的實(shí)驗(yàn)裝置，其使用對(duì)象此前可能很少接觸到這類(lèi)智能裝置，這就要求人機(jī)交互功能設(shè)計(jì)時(shí)，直觀清晰，操作簡(jiǎn)單。顯示上，采用20×2字符型液晶顯示器，可顯示直流電壓和電流設(shè)定值。

輸出信號(hào)設(shè)定操作上有兩種方式：直讀方式和步進(jìn)方式。直讀方式是直接設(shè)定電壓、電流信號(hào)值輸出，操作步驟如圖4所示；步進(jìn)方式是按所選的步進(jìn)百分比刻度升降信號(hào)，操作步驟如圖5所示。

圖4 直讀方式輸出設(shè)置

圖5 步進(jìn)方式輸出設(shè)置

直流信號(hào)源裝置以C8051F064單片機(jī)為控制核心，以高精度、高穩(wěn)定性的DAC1220為轉(zhuǎn)換核心，通過(guò)軟硬件結(jié)合，使信號(hào)源準(zhǔn)確度達(dá)到±0.01%的精度。其裝置可靠性高，操作簡(jiǎn)單，能夠很好地滿足電路實(shí)驗(yàn)的需求。

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