电子毕业论文-数控直流电流源

2013 届本科毕业设计（论文）绪论电源是电子产品中非常重要的部分，通常都将电源称为电子产品的心脏，电源是各种电子电器线路与壮志不可缺少的原动力，电源产品的可靠性，抗干扰性能，稳定性能都直接影响电子产品的质量，目前绝大部分电子设备中都采用体积小，重量轻，效率高。电源技术高速的发展表现在经过电源变换技术，在应用电能已占全部电能的90%左右。电源技术的应用领域非常广泛，目前科技领域广泛应用于程控电话，交换机，光端机，无线电基站，无线电定位系统，无线监控系统，电力系统，各类电子仪器仪表；在工农业生产，家用电器，局势工程等，凡是有电子设备的场合都要用到电源设备，随着家用电器向广大农村用户的普及，电源技术将深入到每个家庭，可以数，每个人都是电源的使用者，形成了广大的用户队伍，近年来，随着电子技术的发展，电子系统的应用的领域越来越宽，电子设备的种类也越来越多，对电源的要求也灵活多样，由于新型功率器件的出现和电力电子变换技术的进步，使电源技术又有了新的发展，其主要方向发展可以归纳为一下几个方面。1.扩展了电源的功率范围，从几瓦的小功率电源发展到几千瓦的大功率或超大功率的电源。2.提高了电源的电气性能，如对输出电压，输出纹波，负载调整率，输入和负载功率因数，电磁兼容性等提出了更高的要求。3.提高了电源的工作可靠性，在电路的优化设计元器件的选择，可靠预测和设计及大功率电源的唢呐热设计等方面做了大量的工作，使电源设备具有尽可能出那个平均无故障时间。4.提高了电源小型化和集成化的程度，这主要靠星星元器件，新型功率快和电源模块来实现，使电源向轻，薄，小和高效率方向发展。5.积极研发工作在高温，高海拔，高潮湿，高盐雾，抗辐射等特殊自然环境和冶金工业，焊接，电镀，热处理等特殊工作环境下的特殊电源。6.提高了电源的节能效率，在 15%-20%，期望达到更高 40%-50%。作为电源的一种的直流电源广泛应用于实验室，自动测试设备，电子检修设备，生产流水线的电子器，继电器，马达等电子元件老化，例如在实验室中像在模拟信号的测量要求电源稳定度高，噪音低，说字信号的处理自动化设备等则要求电源可靠，耐冲击性好，这是因为模拟电路对电源稳定性十分敏感，说字电路高低电平来传递和标识信息，因此要求电源的波动要小。如果电源不稳定有可能整个系统振荡，出现各种干扰，使电源的调整心能变差，噪声增大等，任何一个2013 届本科毕业设计（论文）电子系统都是由不同的电子线路组成，直流电源必须同时满足各种不同的要求，这是系统安全可靠，正常运行的基本保证，因此要求设计者正对电子系统的工作特性技术条件及特点，合理利的按各部分电源，特包括电源的总体结构，种类，性质技术指标等相关问题的确定与实施。以这为原则本设计的数控直流电源如下，这次摒弃了直流电源通过编码开关连接存储器地址，在根据输出对应的数字量送模数进行转换，在更具输出电压俩控制电流的变化的这种电路，因为这种数据存储量大且存储量有限，在实验室过程中发现通过编码开关不稳定；选择了AT89S51 为核心的的单片机系统来控制 12 位 AD751 的数据的输入并将其转换成模拟输出量同时单片机把输出的预值电流送数码管显示，在根据输出的电压量来控制电流变化，输入预值信号稳定避免了大量的数据存储。此直流电源于市场调压直流电源相比具有精度高，纹波小，稳定性高的特点，电流值续可调；与市场开关电源相比，它具有高精度，纹波小，无高频辐射，干扰。2013 届本科毕业设计（论文）第 1 章 方案设计与论证方案一：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 1-1 所示：图 1-1 方案一方框图方案二：采用以 89C51 为核心的单片机系统来控制 12 位 AD7521 的数据的输入并将其转换成模拟量输出 同时单片机把输入的预值电流送数码管显示，再根据输出的电压量来控制电流的变化，此方案的优点是输入的预值电流信号稳定且避免了大量的数据存储，所以 电路设计和制作采用方案二。其电路方框图如图 1-2所示：键盘 D/A 转换单片机89C51输入显示恒流源输出显示负载图 1-2 方案二方框图2013 届本科毕业设计（论文）第 2 章 模块电路设计及比较系统硬件以 AT89C51 单片机为核心，外围包括电源模块、数码管显示模块、D/A 转换模块及恒流源模块。21 电源模块本设计共用到电源有三种：即5V +5V +21V.2.1.1 电源原理稳压电源由电源变压器、整流电路、滤波电路和稳压电路组成，如图 2-1 所示。图 2-1 电源方框及波形图整流电路：整流作用是将交流电压 U2变换成脉动电压 U3。滤波原理：利用储能元件电容两端的电压（或通过电感中的电流）不能突变的特性，滤掉整流电路输出电压中的交流成份，保留其直流成份，达到平滑输出波形的目的。滤波电路一般由电容组成，其作用是脉动电压 U3中的大部分纹波加以滤除，以得到较平滑的直流电压 U4。稳压电路：由于得到的输出电压 U4受负载、输入电 压 和 温度的影响不稳定，为了得到更为稳定电压添加了稳压电路，从而得到稳定的电压 U0。2013 届本科毕业设计（论文）2.1.2 制作电路所用元器件的介绍1变压器（1） 变压器工作原理：变压器是变换交流电压、电流和阻抗的器件，当初级线圈中通有交流电流时，铁芯（或磁芯）中便产生交流磁通，使次级线圈中感应出电压（或电流）。变压器由铁芯（或磁芯）和线圈组成，线圈有两个或两个以上的绕组，其中接电源的绕组叫初级线圈，其余的绕组叫次级线圈。 如果把两个线圈并列放置在一起，那么当其中的一个线圈通以交流电所产生的磁通切割另一线圈时，将产生感应电动势。如果将电压表跨接于这一线圈的两端，表针就会偏转，改变两个线圈的圈数比就会在第二个线圈上得到不同的电压，变压器就是根据这个原理制成的一种电压变换装置。将初级线圈和次级线圈的圈数采用适当的比例，可以把电路中的电压升高或降低用公式可以的似地表示，即：初级电压（U1）/次级电压（U2）=初级圈数（n1） /次级圈数（n2）应该注意的是，任何一只变压器只能把电能由初级转移到次级，使电压升高或降低，但不能增大功率。变压器初、次级的电压之比等于次、初级的电流之比。在不考虑变压器损耗的情况下，可以说初级输入的功率等于次级输出的功率。初级的功率 P1=次级功率 P2 可写成：U1I1=U2I2 可以变成 U1/U2=I2/I1 变压器在电中中通常用“B”表示。（2） 变压器分类 按冷却方式分类：干式（自冷）变压器、油浸（自冷）变压器、氟化物（蒸发冷却）变压器。 按防潮方式分类：开放式变压器、灌封式变压器、密封式变压器。按铁芯或线圈结构分类：芯式变压器（插片铁芯、C 型铁芯、铁氧体铁芯） 、壳式变压器（插片铁芯、C 型铁芯、铁氧体铁芯） 、环型变压器、金属箔变压器。按电源相数分类：单相变压器、三相变压器、多相变压器。按用途分类：电源变压器、调压变压器、音频变压器、中频变压器、高频变压器、脉冲变压器。 （3）变压器工作原理之电源变压器的特性参数工作频率: 变压器铁芯损耗与频率关系很大，故应根据使用频率来设计和使用，这种频率称工作频率。 额定功率: 在规定的频率和电压下，变压器能长期工作，而不超过规定温升的输出功率。 额定电压: 指在变压器的线圈上所允许施加的电压，工作时不得大于规定值。 2013 届本科毕业设计（论文）电压比: 指变压器初级电压和次级电压的比值，有空载电压比和负载电压比的区别。 空载电流: 变压器次级开路时，初级仍有一定的电流，这部分电流称为空载电流。空载电流由磁化电流（产生磁通）和铁损电流（由铁芯损耗引起）组成。对于 50Hz 电源变压器而言，空载电流基本上等于磁化电流。 空载损耗：指变压器次级开路时，在初级测得功率损耗。主要损耗是铁芯损耗，其次是空载电流在初级线圈铜阻上产生的损耗（铜损） ，这部分损耗很小。 效率: 指次级功率 P2 与初级功率 P1 比值的百分比。通常变压器的额定功率愈大，效率就愈高。 绝缘电阻: 表示变压器各线圈之间、各线圈与铁芯之间的绝缘性能。绝缘电阻的高低与所使用的绝缘材料的性能、温度高低和潮湿程度有关。 2电容(1)旁路电容是为本地器件提供能量的储能器件，它能使稳压器的输出均匀化，降低负载需求。就像小型可充电电池一样，旁路电容能够被充电，并向器件进行放 电。为尽量减少阻抗，旁路电容要尽量靠近负载器件的供电电源管脚和地管脚。这能够很好地防止输入值过大而导致的地电位抬高和噪声。地弹是地连接处在通过大 电流毛刺时的电压降。(2)去耦，又称解藕。从电路来说，总是可以区分为驱动的源和被驱动的负载。如果负载电容比较大，驱动电路要把电容充电、放电，才能完成信号的跳变，在上 升沿比较陡峭的时候，电流比较大，这样驱动的电流就会吸收很大的电源电流，由于电路中的电感，电阻（特别是芯片管脚上的电感，会产生反弹），这种电流相对 于正常情况来说实际上就是一种噪声，会影响前级的正常工作。这就是耦合。去藕电容就是起到一个电池的作用，满足驱动电路电流的变化，避免相互间的耦合干扰。将旁路电容和去藕电容结合起来将更容易理解。旁路电容实际也是去藕合的，只是旁路电容一般是指高频旁路，也就是给高频的开关噪声提高一条低阻抗泄防 途径。高频旁路电容一般比较小，根据谐振频率一般是 0.1u，0.01u 等，而去耦合电容一般比较大，是 10uF 或者更大，依据电路中分布参数，以及驱动 电流的变化大小来确定。旁路是把输入信号中的干扰作为滤除对象，而去耦是把输出信号的干扰作为滤除对象，防止干扰信号返回电源。这应该是他们的本质区别。（3）滤波 从理论上（即假设电容为纯电容）说，电容越大，阻抗越小，通过的频率也越高。但实际上超过 1uF 的电容大多为电解电容，有很大的电感成份，所以频率 高后反而阻抗会增大。有时会看到有一个电容量较大电解电容并联了一个小电容，这时大电容通低频，小电容通高频。就是通高阻低，电容的作用通高2013 届本科毕业设计（论文）频阻低频。电 容越大低频越容易通过，电容越大高频越容易通过。具体用在滤波中,大电容(1000uF)滤低频，小电容(20pF)滤高频。它把电压的变动转化为电流的变化，频率越高，峰值电流就越大，从而缓冲了电压。滤波就是充电，放电的过程。（4）储能 储能型电容器通过整流器收集电荷，并将存储的能量通过变换器引线传送至电源的输出端。电压额定值为 40450VDC、电容值在 220150 000uF 之间的铝电解电容器（如 EPCOS 公司的 B43504 或 B43505）是较为常用的。根据不同的电源要求，器件有时会采用串联、并联或其组合的形式， 对于功率级超过10KW 的电源，通常采用体积较大的罐形螺旋端子电容器。3二极管（1）二极管的分类 按材料分：硅二极管和锗二极管。 按管子的结构分类：点接触型二极管和面接触型二极管。（2）二极管的特性 正向特性：正向电压低于某一数值时，正向电压很小，只有当正向电压高于某一值后才有明显的郑向电流。 反向特性：二极管加反向电压，反向电流数值很小，且基本不变。 二极管的温度特性：二极管对温度很敏感，温度升高，正向电流减小，反向电流增大。（3）二极管的主要参数 最大整流电流 它是二极管允许通过的正向平均电流。工作时应使平均电流小于最大整流电流。 最大反向工作电压：这是二极管允许的最大工作电压。当反向电压超过此值时，二极管击穿。 反向工作电流：指二极管击穿时的反向电流。此值越小，二极管的单向导电性越好。4稳压器件。（1）7805 和 7905 是三端固定集成稳压器，它具有体积小，性能优良，保护功能完善，可靠性高，成本低廉等优点。分别输出+5V 和-5V 电压。（2）7805 和 7905 使用时注意事项。 接地段不允许开路悬空，输入端和输出段不得接反，否则会导致击穿损坏。 作为大电流输出时，必须外加适当的散热器，如果使用中散热不良，会使稳压器内部芯片实际结温超过允许最高结温，稳压器将不能正常工作。2.1.3 制作电源电路2013 届本科毕业设计（论文）图 2-2 5V 电源原理图图 2-3 +5V 电源图 2-4 VCC 电源原理图 2-2 中+5V 其中+5 V 给 AD7521 供电；-5V 为 AD7521 参考电压。由于要求输出的电流最大值为 2000mA，而且取样电阻为 1 欧所以要求 AD7521 输出的电压至少为 2 伏，通过计算-5 伏的电压足够实现上述要求。图 2-3 中电路提供+5V 的电源；主要用于单片机（AT89C51） 、数码显示（包括74LS164,CC7107） 、键盘。图 2-4 中提供的 21V 的电源用于 LM358 和 VCC . 由于要求输出的电流最大值为2000mA,而且主要电流从它通过，所以要用大电容，本设计采用两个 4700UF 50V的电容并联(同时为了减小纹波系数本设计在两个电容之间接入有源滤波电路)，2013 届本科毕业设计（论文）由于的 LM358 的耐压值最大可达 42V，所以 LM358 可以安全工作 。2.2 数码管显示模块2.2.1 LED 结构与显示方式（1）LED 显示器结构与原理单片机应用系统中，常用的显示器件有 LED（发光二极管显示器）和 LCD（液晶显示器） 。本系统采用 LED 显示模块。LED 显示模块是由发光二极管显示字段的显示器，也称为数码管。在单片机应用系统使用的是 7 段 LED 显示块又共阴极与共阳极两种，共阴极 LED 显示模块的发光二极管阴极共地。当某个发光二极管的阳极为高电平时，发光二极管点亮；共阳极 LED 模块的发光二极管阳极并接（在系统中接驱动电源） 。当某个发光二极管的阴极为低电平时发光。本系统采用共阳数码管，其目的是为了简化限流电路的设计和实现亮度可调的要求。4 位数码管显示电路见图 25。从图中可知，该显示电路采用了与一般的段电流电阻限流方式不同的实现方式，由此减少了 4832 个限流电阻，简化了硬件系统。通常的 7 段 LED 显示块中有 8 个发光二极管，故也称为 8 段显示器。其中 7个发光二极管构成 7 笔字形“8” ；一个发光二极管构成小数点“.” 。7 段发光二极管，再加上一个小数点位，共计 8 段，因此提供给 LED 显示器的正好一个字节。其对应关系如下：D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0h g f e d c b a图 2-5 七段数码管显示LED 显示块与单片机接口非常容易，只要将一个八位并行输出口与显示模块2013 届本科毕业设计（论文）的发光二极管的引脚相连即可。8 位并行输出口输出不同的字节数据可显示不同的数字或字符。（2）LED 显示器与显示方式通常将控制发光二极管的 8 位字节数据称为段选码或字形代码，公共极称为位选线，共阳极和共阴极的段选码互为补数。在单片机系统中，经常要使用 LED显示模块构成 N 位 LED 显示器。N 位 LED 显示器有 N 根位选线和 8*N 根段选线。根据显示方式的不同，位选线与段选线的连接方法不同。段选线控制要显示什么样的字符，而位选线则控制要在哪位上显示这个字符。LED 显示器有静态显示和动态显示两种显示方式。 LED 静态显示方式。所谓静态显示，就是当显示器显示某一个字符时，相应段的发光二极管恒定地导通或截止，并且显示器的各位可同时显示。静态显示时，较小的驱动电流就能够得到较高的显示亮度。LED 显示器工作在静态显示方式下，共阴极或共阳极连接在一起接地或接+5V；每位的段选线（adp）分别与一个 8 位并行口相连。可单独显示，只要在该位的段选线上保持段选码电平，该位就能保持相应的显示字符。由于每位有一个 8 位输出口控制段选码，故在同一时间里，各位可同时显示，且显示的字符可以不相同。N 位静态显示器要求有 N* 8 根 I/O 口线，占用I/O 口线资源较多。故在位数较多时往往不采用静态显示，而是采用动态显示方式。 LED 动态显示方式所谓的动态显示就是一位一位地轮流点亮显示器的各位,对于显示器的每一位而言,每隔一段时间点亮一次.显示器的亮度既与导通电流有关,也与点亮时间和间隔时间的比例有关。在多位 LED 显示时为了简化电路，降低成本，通常将所有位的段选线并联在一起，由一个 8 位 I/O 口控制，实现各位的分时选通。本设计利用 4 片 74LS164 串入并出移位寄存器来作为 4 位 LED 显示器的静态显示接口，实现静态显示。2.2.2 74LS164 数码管显示驱动（1）74LS164 介绍74LS164 为 TTL 单向 8 位移位寄存器，可实现串行输入，并行输出。可以作为静态显示器接口，接在 AT89C2051 的串行口上用于数码的显示。其中 A、B（第1、2 脚）为串行数据输入端，2 个引脚按逻辑与运算规律输入信号，公一个输入信号时可并接。T（第 8 脚）为时钟输入端，可连接到串行口的 TXD 端。（2）显示功能的实现74LS164 为 TTL 单向 8 位移位寄存器，每一个时钟信号的上升沿加到 T 端时，移位寄存器移一位，8 个时钟脉冲过后，8 位二进制数全部移入 74LS164 中。2013 届本科毕业设计（论文）R（第 9 脚）为复位端，当 R=0 时，移位寄存器各位复 0，只有当 R=1 时，时钟脉冲才起作用。Q0Q7（第 3-6 和 10-13 引脚）并行输出端分别接 LED 显示器的hg-a 各段对应的引脚上。所谓时钟脉冲端，其实就是需要高、低、高、低的脉冲，如果数据输入端（第 1，2 引脚）是高电平，则就会有一个 1 进入到 74LS164的内部，如果数据输入端是低电平，则就会有一个 0 进入其内部。在给出了 8 个脉冲后，最先进入 74LS164 的第一个数据到达了最高位，再来一个脉冲，第一个脉冲就会从最高位移出，依次类推。4 片 7LS164 首尾相串，而时钟端则接在一起，这样，当输入 8 个脉冲时，从单片机 RXD 端输出的数据就进入到了第一片74LS164 中了，而当第二个 8 个脉冲到来后，这个数据就进入了第二片74LS164，而新的数据则进入了第一片 74LS164，这样，当第四个 8 个脉冲完成后，首次送出的数据被送到了最左面的 164 中，其他数据依次出现在第一、二、三、四片 74LS164 中。在第一个脉冲到来时，除了第一片 74LS164 中接收数据外，其他各片也在接收数据，因为它们的时钟端都是被接在一起的，当第一个脉冲到来时，第一片 164 固然是从单片机接收数据了，而其它各片也接到前一片的 Q7 上，而 Q7 是一根电线，在数字电路中它只可能有两种状态：低电平或高电平，也就是“0”和“1” 。所以它的下一片 74LS164 也相当于是在接收数据啊。只是接收的全部是 0 或 1 而已。74LS164 为串行输入并行输出的移位寄存器，可以作为静态显示器接口，接在 89C51 的串行口上用于数码的显示。数码显示模块如图 2-6 示。2013 届本科毕业设计（论文）图 2-6 值数码显示模块原理图2.2.3 A/D 转换器（1）A/D 转化接口设计要点A/D 转换接口是数据采集系统前向通道中的一个重要环节。数据采集是模拟信号源中采集信号，并将之转换为数字信号送计算机的过程。因此，完成数据采集应具备下属基本部件：模拟夺路转换开关和信号调节电路，采样/保持放大器，模拟/ 数字转换器，通道控制电路。前向通道中，被测物理量经传感器转换成电信号，而每一种传感器都与之配套的接口电路，接口电路再将这一电信号转换成电压信号。多路转换开关用来完成多路模拟信号的切换，信号调节则是将是模拟微弱模拟信号转换成能满足 A/D庄花期所需要的电瓶信号。为了减少动态采集的孔径误差，需要加采样/保持电路。一次所据采集的设计不仅仅限于是单纯 A/D 转换芯片的接口设计，还必须综合考虑传感器到 CPU 的全过程。2013 届本科毕业设计（论文）（2）数据的采集与转换应用问题 采样速度在一个数据据采集心痛中采样速度表示了才系统的实施性能。采样速度由模拟信号带宽，苏剧通道和每一个周期的采样来确定。 孔径误差由于从模拟信号到数字信号有一个过程，对于一个动态信号，在模/数转换器接通的孔径时间里，输入的模拟信号是不确定的，从而应其输出的不确性误差。一定频率的模拟被采集信号，为确保孔径误差，要求 A/D 转换器具有与之对应的转化速度。否则，就应在 A/D 转换之前加入采样/保持电路。 系统通过率系统的通过率由模拟多路选择器，输入放大器的稳定时间，采用/保持电路的采集时间及 A/D 转换器的稳地和转换时间确定。在数据采集系统中，有正常顺序和重叠顺序令中采集方式，采用低分辨率 A/D。减少模 /数转换环节及采用重叠方式采集时，可获得较大宽带的通过速度。 模/数转换精度用来描述钱箱通道数据采集和转换系统精度的最常用方法是计算系统中的方和根误差。前向通道中信号源阻抗，信号带宽，A/D 转换器分辨率和系统的通过率都会影响这些误差的计算。正常的情况下，前向通道的总误差应小于等于 A/D转换的量化误差，否则选取高分辨率 A/D 转换器失去意义。（3）A/D 转换器的技术指标 量化误差与分辨率量化误差和分辨率是统一的，量化误差是由 A/D 转换器的有效字长引起的。量化误差理论上为一个单位分辨率。提高分辨率可减少量化误差。 转换精度A/D 转换器的转换精度反映了一个实际 A/D 转换器在量化值上与理想 A/D 转换器进行 A/D 转化的差值，克表示成绝对误差和相对误差。 转换时间与转换速度A/D 转换器完成一次 A/D 转换所需要的时间为 A/D 转换时间。通常 A/D 转换速率是转换时间的倒数。（零点）温度系数和增益温度系数这两项指标都表示 A/D 转换器受环境温度影响程度，一般用每摄氏温度变化所产生的相对误差作为指标；对电源电压变化的抑制比改变电源电压使数据发生1LSB 变化时所对应的电源电压变化范围来表示。（4） A/D 转换器的选择原则 根据前向通道的总误差，选择 A/D 转换器的精度和分辨率。2013 届本科毕业设计（论文） 根据信号对象的变化率及转换精度要求，确定 A/D 转换速度，以保证系统的实时性要求。为减少孔径误差，若对变换速度非常快的信号进行 A/D 转换，可以考虑加入采样/保持电路。 考虑环境和成本等因素。CC7107 是 12 位 A/D 转换器，直接驱动发光二极管，利用 CC7107A/D 转换器组装成 3.5 位数字电压表, 该电路为 CC7107,LED 和若干无源元件组成的数字电压表电路。该电路采用标准的 3.5 位显示电路进行显示，其中最高位可以显示千位的 “1”和显示负号。此外，由于该电路的两个输入端即 COM 与 V+端的电位差具有很高的稳定性，可以作为参考电压源。因此，可以通过分压的方法来扩大它的量程。由于两个输入端最大承受电压为 200mV 因此要实现最大值为2000mV 的显示可以用以下分压形式（本设计所采用的）如图 2-7 所示：图 2-7 数字电压表的外接电路通过上面的电路可以测量最大值为 2000mV 的 电压而在本设计中的采样电阻为 1 欧所以被测电压值即为被测电流值.2013 届本科毕业设计（论文）图 2-8 3.5 位数字电压表原理图2.3 D/A 转换模块：2.3.1 D/A 转换器数模转换器（D/A）在许多应用中起着重要的作用。了解常用 D/A 架构及相关的权衡折衷方法，将有助于您针对某项具体应用选择最为合适的 D/A。 （1）常用 D/A 架构从概念上讲，最简单的 D/A 采用的是二进制加权架构，在该架构中，将 n 个二进制加权元件（电流源、电阻器或电容器）进行组合以提供一个模拟输出（n = D/A 分辨率）。这种架构虽然最大限度地减少了数字编码电路，但 MSB 和 LSB加权之间的差异却随着分辨率的增加而增大，从而使得元件的精确匹配变得很困难。采用该架构的高分辨率 D/A 不仅难以制造，而且还对失配误差很敏感。开尔文分压器2013 届本科毕业设计（论文）开尔文分压器架构由 2n 个等值电阻器组成，与二进制加权法相比，这种架构简化了匹配处理。电阻器具有相等的阻值，因此必须对输入进行编码。输出是通过对 2n 个开关中的一个进行解码以便将其接入电阻器串的某一特定位置的方法来决定的。该架构的优点是其所具有的完全单调、电压输出和低干扰（因为在每个代码变换过程中只有两个开关处于操作状态）特性。如果所有的电阻器都具有相同的阻值，它还将是线性的。一种相关的电流输出架构采用 2n 个并联于一个基准电压与虚拟地之间的电流源。这种架构的主要缺点是它需要大量的电阻器和电流源。对于 8 位以上的分辨率，该架构在外形尺寸和匹配方面的劣势令人望而却步。不过，虽然不适用于较高的分辨率，但此类被称为“全解码型”的架构常被用作更加复杂的“分段式”D/A 的积木式部件分段式 D/A分段式架构可被用于电流输出和电压输出 D/A。可以对开尔文分压器电路中的解码电阻器两端的电压做进一步的细分以构成一个电压分段式 D/A。这种电压的细分能够通过增设第二个开尔文分压器电路（在这种场合，该架构被称为开尔文-华莱分压器）或采用一种不同的架构来实现。只要每个单独的分段是单调的，则整个 D/A 的输出都将保持单调。由于单独的分段具有较低的分辨率，所以容易实现单调性。 分段式架构所带来的额外好处是所需电阻器数量的减少（对于给定的分辨率而言）以及硅片尺寸的压缩。因此，对高分辨率 D/A 进行分段是司空见惯的做法。其总体线性度仍然由电阻器匹配来决定。（2）R-2R 型 D/AR-2R 型（即梯形网络）架构简化了电阻器匹配要求，因为当转换系数为 2:1时只需要两个电阻器值。R-2R 型架构可被用作一个电压模式或电流模式 D/A。电流模式大多数 R-2R 电流模式架构构成电路。外部基准被施加于 Vref 引脚。R-2R 梯形网络将输入电流分割成二进制加权电流。根据数字输入的不同将这些电流导引至节点 1 或节点 2。电流输出节点通常与一个被配置为电流-电压转换器的运算放大器相连。出于匹配的原因，运算放大器反馈电阻器常常被集成在 D/A 芯片上。开关始终处于地电位，而且，其额定电压并不影响基准额定电压。如果开关被设计成能够在两个方向上传输电流，则可将一个 AC 信号用作基准，从而形成一个复用 D/A。Vref 的输入阻抗是恒定的，且与 R 相等。2013 届本科毕业设计（论文）该架构的缺点是由运算放大器所引起的反相以及复杂的运算放大器稳定性问题，其原因是 D/A 输出阻抗会随数字输入的变化而变化。由于开关直接与输出相连，因此电流模式操作还会导致更加严重的干扰。电压模式电压模式 R-2R 型 D/A 在 Vref 与地之间对电阻器进行开关操作。基准电压被施加在节点 1 上。梯形网络上的每一级提供一个二进制记数值，输出在梯形网络的末端以累积电压的形式获得。输出电压具有恒定的阻抗，从而简化了放大器的稳定处理。一个正基准电压将提供一个正输出，因而使单电源操作成为可能。最大限度地减轻了由开关电容所产生的干扰。缺点是基准输入阻抗的变化范围很宽，因此必须采用一个低阻抗基准。同样，开关的工作电压在地电位至 Vref 之间，从而限制了基准的容许范围。对于高分辨率 D/A，常见的做法是将一个 R-2R 梯形网络架构与一个全解码型 D/A 组合在一个分段式架构中。比如，16 位分辨率的 AD7564 就是最先采用全解码型 4 位电阻器串与 12 位 R-2R 型架构相组合的 D/A 之一。65 536 级输出电平被分成 16 组（每组 4096 级） 。4 位处理部分的单调性是由设计来提供保证的，因此 12 位 R-2R 型 D/A 决定了总体单调性。与全 16 位 D/A 相比，匹配和修整都要容易得多。分段式架构减少了电阻器总数并简化了高分辨率 D/A 的修整。2 、D/A 转化器性能指标 分辨率：当输入数字发生单位变化时，所对应的输出模拟量（电压/电流）的变化量。 量程和实际满量程：标称满量程是数字量标称值的模拟输出量。但实际数字量要比称值小，因此满量程要比标称满量程小。 精度：D/A 转换器的转换精度与 D/A 转换芯片的结构和接口配置电路有关。一般来说，不考虑其 D/A 转换误差时，D/A 转换器的转换精度即为分辨率的大小。但 D/A 转换器的转换精度还与外电路的配置有关，当外电路的器件或电源有五差时，会造成较大的 D/A 转化误差。建立时间：输入数字量变化后模拟输出量到相应数值氛围内所需要的时间。尖峰：输入码发生变化时刻产生的瞬间误差。3. D/A 转换器的的选择原则 性能指标 D/A 转换器结构特性与应用特性的选择D/A 转换器的这些特性虽然主要表现为芯片内部配置情况，但这些确实可以给接口实际带来很大的影响。主要有：数字输入特性中的接收数码值，数据格式，2013 届本科毕业设计（论文）逻辑电平等；模拟输出特性中的参考电压，参考电阻，满码输出，以及最大输出短路电流和输出电压范围；所存特性及转换特性；硬性输出电压的参考源。4.考电压源的配置目前在交通用的 D/A 转换器中，有些 D/A 转换器内部配有参考电压，而有些则没对于配有参考电压源的 D/A 转换器而言，试用期内部的参考电压源当输设计的首选方案，对内部没有配置参考电压源的 D/A 转换器而言，设计时就必须要考虑参考电压源的设计。而参考淡雅原告是唯一影响输出结果的模拟参考量。所以，选择必须考虑参考电压的考虑。5.与模拟输出电压的变幻特性所有的 D/A 转换器件的输出模拟电压 V0 都可以表达成为数字输入量 D 和模拟参考电压 Vr 乘积为V0=DVr由于目前绝大多数 D/A 转换器的模拟量输出结尾电流量，这个电流要经过一个反相放大器才能转换成本模拟电压输出，在这种情况下，模拟输出电压 V0 与数字输入 D 和参考电压 Vr 之间的关系为V0=-DVr这是一种工作范围为二象限的 D/A 转换接口，即单值数字量 D 和正负参考电压 Vr。输出模拟电压 V0 完全取决于模拟参考电压的极性。当参考电压极性不变时，只能获得单极性的模拟输出电压。但如果参考电压 Vr 交流参考源时，可以实现数字量至交流输出模拟电压的转换。当参考电压极性不变时，要想获得双极性的输电压，则必学采取相应的接口电路，用模拟电子技术加以实现A/D7521 是一种廉价的 D/A 转换芯片，由 CMOS 电流开关和 T 行电阻网格构成。它具有结构简单，通用性好等特点。图 2-9 是该芯片的引脚图。图中，1脚和 2 脚为电流输出端。3 脚为数字地；415 脚为数据输入端；16 脚为主电源输入端，17 脚为参考电压输入端；18 为反馈输入端；图 2-9 AD7521 芯片管脚图2013 届本科毕业设计（论文）AD7521 作为 D/A 转换器其芯片管脚 BIT1BIT12 为数字量输入，Rfe 为模拟量输出，Vref 为参考电压 Vdd 为+5V 电源。数模转换公式：（式 2-1）)22(2)(2 0110111 ddVrefDrefVo 例如: BIT1BIT12 为（111111111111）且 Vref 为-5V，则：（式 2-2）5)(5011012 当 BIT1BIT12 为（100000000000）且 Vref 为-5V,则：（式 2-3）VVo .2)(0012本设计将采用 AD7521 的 12 位数模转换来代替 AD7520 的 10 位数模转换。2.4、恒流源模块2.4.1 集成运算放的性能指标。（1）开环电压放大倍数开环电压放大倍数是指集成运放在无外加反馈回路的情况下的差模电压放大倍数，对于集成运放而言，希望开环电压放大倍数大，且稳定。目前高增益集成运放的开环电压放大倍数可高达 140dB，理想集成运放认为开荒电压放大倍数为无穷大。（2）最大不失真电压最大不失真电压是指在额定电压下，集成运放的最大不失真输出电压的峰-峰值。（3） 差模输入电阻差模输入电阻的大小反映了集成运放输入端向差模输入信号索取电流的大小。要求差模书电阻愈大愈好，一般集成运放差模输入电阻为几百千欧至几兆欧，顾输入级常采用场效应管来提高差模输入电阻。（4） 输出电阻输出电阻的大小反映了集成运放在小信号的抑制能力。有时只用最大输出电流表示它的极限负载能力。人集成运放的输出电阻为零。（5） 共模抑制比共模抑制比反映了集成运放对攻模输入信号的抑制能力，其定一同差动放大电路。共模抑制比愈大愈好，理想集成运的抑制比为无穷大。（6）最大差模输入电压2013 届本科毕业设计（论文）从集成运放输入看进去，一般都有两个或两个以上的发射结相串联，若输入端的差模电压过高，会使发射结击穿。（7）最大共模输入电压输入端共模信号超过一定数值后，集成运放工作不正常，失去差模放大能力。（8）输入失调电压该电压时只为了输出电压为零而在输入端加补偿电压（去掉外接调零电位器），它的大小反映了电路不对称程度和调零的难易程度。对集成运放我们要求属于信号为零时，输出也为零，但是实际中往往输出不为零，将此电压折合到集成运放放的输入端的电压，常称为失调电压，其值要求愈小愈好。（9） 输入偏置电流和输入失调电流输入偏执电流相当于输入电流的共模成分；而输入失调电流相当于输入电流的差模成分；当它们流过信号源的电阻时，其上的直流压降就相当于在集成运放的两个输入端上引入了直流共模和差模电压，因而将引起输出电压偏零指值。显然，输入偏置电流和输入失调电流愈小愈好。（10）输入失调电压温漂和输入电流温漂它们可以用来衡量集成运放的温漂特性，通过调零的办法可以补偿输入失调电压，输入偏置电流和输入失调电流的影响，使直流输出电压调至零伏，但却很难补偿其温度漂移。方案一：本设计在起初利用图 2-10 所示 恒流源电路 ， 运放的输出端通过三极管与反向输出端相连，构成负反馈电路，由于运放的同相输入端与反相输入端在理论上是虚短的，且运放的输入电阻无穷大，因此反相端和同相端的电位相等，即 ,又由于三极管的发射极 与集电极电流 仅相差微小的基极Ui 1RUiIIo电流，可视为两者相等即 。因此可以通过改变同相输入端的电压来调整输oIi出电流 的大小。例如：Ui=2V，Io=Ui/R=1A Io但是在测试 Ui 对 I0 的控制比预期效果差，总是小于理论值。2013 届本科毕业设计（论文）图 2-10 方案一恒流源电路原理图方案二： 运放的反相端输入端与输出端同样采用负反馈电路，但是由于在反馈电路中加入了可调电阻，使得取样电阻上的电流可以微调，实现输出电流与理论值相同，大大提高了输出电流的精度，又由于运放的同相输入端的信号来自与数模转换模块的运放输出，稳定度很高。所以恒流源采用方案二。原理图如图2-11 所示，图中输出端取样电阻为 1 欧大功率电阻；康铜丝具有功率大，受热情况下其阻值改变不大，所以采用康铜丝代替。 （其阻值采用 LCR 数字电桥精确测量） 。图 2-11 方案二恒流源电路原理图2013 届本科毕业设计（论文）第 3 章 软件设计 本作品使用 WAVE 系列仿真器作为编程器件，它是以 WINDOWS 为设计平台，在使用时先在 WAVE 环境下编辑程序，然后保存程序、建立新项目、设置项目，接着编译程序，最后调试和执行这样一步步来实现仿真。本作品软件要实现的功能是：键盘对单片机输入数据，单片机对获得的数据进行处理，送到 12 位数模转换器（AD7521）,再送到恒流源模块，实现数字量对电流的控制。模块框图见图 3-1图 3-1 单片机模块方框图AT89C51 是美国 ATMEL 公司生产的低电压，高性能的 CMOS8 位单片机片内 4Kbytes 的可反复擦写的只读程序存储器（PEROM）和 128bytes 的随机存储器（RAM） ，器件采用 ATMEL 公司的高密度、非易失存储技术生产，兼容标准MCS-51 指令系统，片内置通用 8 位中央处理器（CPU）和 Flash 存储单元，功能强大。AT89C51 单片机可为你提供许多高性价的应用场合，可灵活的应用于各种2013 届本科毕业设计（论文）控制领域。图 3-2 单片机 AT89C511. 主要性能参数：与 MCS-51 产品指令系统的全兼容 4k 字节可重擦写 Flash 闪速存储器1000 次可擦写周期全静态操作：0Hz-24MHz三级加密程序存储器1288 字节内部 RAM 32 个可编程 I/O 口线2 个 16 位定时/计数器6 个中断源可编程串行 UART 通道低功耗空闲和掉电模式 2. AT89C51 功能特性描述：AT89C51 提供以下标准功能：4k 字节 Flash 闪速存储器，128 字节内部RAM，32 个 I/O 口线，两个 16 位定时/计数器，一个 5 向量中断结构，一个全双工串行通信口，片内震荡器及时钟电路。同时，AT89C51 可降至 0Hz 的静态逻辑操作，并支持两种软件的可选的节电工作模式。空闲方式停止 CPU 的工作，但允许 RAM，定时/ 计数器，窜行通信口及中断系统继续工作。掉电方式保存 RAM中的内容，但震荡器停止工作并禁止所有部件工作直到下一个硬件复位。（1） AT89C51 引脚功能说明：Vcc：电源电压GND：地2013 届本科毕业设计（论文）P0 口：PO 口是一组 8 位漏极开路行双向 I/O 口，也既地址 /数据总线复用口。可作为输出口使用时，每位可吸收电流的方式驱动 8 个 TTL 逻辑电路，对端口写“1”可作为高阻抗输入输入端用。在访问外部数据存储器时，这组口线分时转换地址（低 8 位）和数据总线复用，在访问期间激活内部上拉电阻。在 Flash 编程时，PO 口接收指令字节，而在程序校验时，输出指令字节，校验时，要求接上拉电阻。P1 口：P1 口是一个内部上拉电阻的 8 位双向 I/O 口，P1 的输入缓冲级可驱动（吸收或输出电流）4 个 TTL 逻辑门电路。对端口写“1”，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电平，此时可作输出口。作输入口时，因为内部存在上拉电阻，某个引脚被外部信号拉低时输出一个电流（I） 。Flash 编程和程序校验期间，P1口接收 8 位地址。P2 口：P2 口是一个带有内部上拉电阻的 8 位双向 I/O 口，P2 的输入缓冲极可以驱动（输入或输出电流）4 个 TTL 逻辑门电路。对端口“1”，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电平，此时和作为输出口，作输出口时，因为存在内部上拉电阻，某个引脚被外部信号拉低时会输出一个电流。在访问外部存储器或 1 位地址的外部数据存储器（例如执行 MOVXDPTR 指令）时，P2 口送出高 8 位地址数据。在访问 8 位地址的外部数据存储器（如执行 MOVXRI 指令）时，P2 口线的内容（也既特殊功能寄存器（SFR）区中 R2 寄存器的内容） ，在整个访问期间不改变。Flash 编程或校验时，P2 亦接收高地址和其他控制信号。P3 口：P3 口是一组带有内部上拉电阻的 8 位双向 I/O 口， ，P1 的输入缓冲级可驱动（吸收或输出电流）4 个 TTL 逻辑门电路。对 P3 口写入“1”时，它们被内部上拉电阻拉高并可作为输出端口。作输出端口时，被外部拉低的 P3 口将用上拉电阻输出电流。P3 口除可作为一般的 I/O 口线外，更重要的用途是它的第二功能，如表 3-1 所示：表 3-1 P3 端口功能RST：复位输出。当震荡器工作时，RST 引脚出现两个机器周期以上高电平使机器复位。 2013 届本科毕业设计（论文）ALE/ 当访问外部程序存储器或数据存储器时，ALE（地址锁存允许）PROG输出脉冲用于锁存地址的低 8 位字节，即使不访问外部字节，ALE 仍时钟震荡频率的 1/6 输出固定的正脉冲信号，因此它可对外输出时钟脉冲或用于定时目的。要注意的是：每次访问外部存储器时将跳过一个 ALE 脉冲。对 Flash 存储器编程期间，该引脚还要输入编程脉冲（ ） 。如有必要，可通过对特殊功能寄存PROG器（SFR ）区中的 8EH 单元的 D0 位置位，可禁止 ALE 操作。该位置位后，只有一条 MOVX 和 MOVC 指令可激活。此外，此引脚会被微弱拉高，单片机执行外部程序时，应该置 ALE 无效。 ：程序存入允许（ ）输出的是外部程序存储器的读选通信号，PSENSEN当AT89C51 由外部程序取指令（或数据）时，每个机器周期两次 有效，既输PSEN出两个脉冲。在此期间，当访问外部数据存储器，这两次有效的 信号不出现。EA/VPP：外部访问允许。欲使 CPU 仅访问外部程序存储器（地址为0000H-FFFFH） ，EA 端必须保持低电平（接地） 。要注意的是：如果加密位 LB1被编程，复位时内部会锁存 EA 端状态。Flash 存储器编程时，该引脚加上+12V的编程允许电源 Vpp，当然这必须是该器件是使用 12V 的编程电压 Vpp。XTAL1：震荡器反向放大器及内部时钟的输入端。XAAL2：震荡器反向放大器的输出端。时钟震荡器：AT89C51 中有一个构成内部震荡器的高增益反向放大器，引脚 XTAL1 和 XTAL2 分别是该放大器的输入端和输出端。这个放大器与作为反馈元件的片外石英或陶瓷震荡器一起构成自激震荡器震荡电路如图。外接石英晶体（或陶瓷震荡器）及电容 C1、C2 接在放大器的震荡回路中构成并联震荡电路。对外接电容 C1、C2 虽然没有非常严格的要求，但电容的大小会轻微影响震荡频率的高低、震荡工作的稳定性、起震的难易程序及温度稳定性，如果使用石英晶体，推荐使用 30pF10pF，而如果使用陶瓷谐振器建议选择 40pF10pF。用户还可以采用外部时钟，采用外部时钟如图所示。在这种情况下，外部时钟脉冲接到XTAL1 端，既内部时钟发生器的输入端，XTAL2 悬空。2013 届本科毕业设计（论文）图 3-4 内部震荡电路 图 3-5 外部震荡电路由于外部时钟信号是通过一个 2 分频的触发器后作为内部时钟信号的所以外部 时钟的占空比没有特殊要求，但最小高电平持续的时间和最大低电平持续的时间应符合产品技术条件的要求。3.1 4*4 键盘工作原理311 键盘输入接口与软件解决的任务CPU 对键盘操作的影响要满足实时性，即及时发现键盘操作，即使的作出响应，因此，键盘输入接口与软件应可靠而快速地实现键信息输入与键功能任务，为此，应用系应解决下列问题键开关状态的可靠性输入键盘的操作，无论是按键或键盘都是利用机械触点的合，断作用。由于机械触点的弹性作用，在闭合及断