章彧

摘 要： 精密直流信號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，具有精度高、可靠性高、操作簡單的特點，可作為《電路》課程實驗中的激勵源，發(fā)揮電路實驗的功能，本文主要介紹了信號源的工作原理和操作方式。

關(guān)鍵詞： 直流信號源 實驗裝置 單片機(jī)

《電路》是電氣信息類各專業(yè)的一門重要基礎(chǔ)課程，通過該課學(xué)習(xí)，學(xué)生掌握電路的基本概念、基本理論和分析計算電路的基本方法，為后續(xù)專業(yè)課程學(xué)習(xí)培養(yǎng)電路分析能力。《電路》課程理論嚴(yán)密，邏輯性強(qiáng)，而實驗環(huán)節(jié)是對電路理論教學(xué)的有益補(bǔ)充和豐富，是理論知識在具體實踐中的體現(xiàn)。通過電路實驗，學(xué)生加深對電路理論的理解和掌握，將理論知識形象化和具體化，同時提高動手操作能力，培養(yǎng)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)墓ぷ髯黠L(fēng)。

在電路實驗中，往往要利用各種電路元件、激勵源和測量儀表，搭建起一個實驗電路，在激勵的作用下，對電路進(jìn)行測量和分析，從而驗證電路定理。本設(shè)計的直流信號源作為電路實驗中的激勵，可程控輸出0-24V的直流電壓和0-2A的直流電流信號，滿足電路實驗的需求。

1.直流信號源的原理

直流信號源是一臺可程序控制、精確輸出直流電壓、直流電流的信號發(fā)生裝置，整個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 直流信號源硬件結(jié)構(gòu)框圖

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

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

信號輸出模塊由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)字信號實現(xiàn)模擬控制的手段，同時，它的性能會直接影響模擬輸出信號的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性。設(shè)計中D/A轉(zhuǎn)換器選用了DAC1220，它采用△-∑轉(zhuǎn)換技術(shù)，實現(xiàn)20位線性轉(zhuǎn)換，通過內(nèi)置的滿度、零點和線性修正寄存器，自動進(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，并通過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：一是信號源裝置上電時的初始化程序，通過兩個字節(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，通過對三個字節(jié)數(shù)據(jù)輸入寄存器的設(shè)置，發(fā)揮來自單片機(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)會存在有線性誤差，因此，設(shè)計時，把0-24V的直流電壓分成26個量程檔，最小量程檔40mV，把0-2A的直流電流分成了45個量程檔，最小量程檔50uA。作為信號源輸出時，單片機(jī)可根據(jù)設(shè)定值自動選擇適當(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)。

由于直流信號源裝置制造時，電路元件存在參數(shù)誤差，從而導(dǎo)致信號源輸出的實際信號值與鍵盤設(shè)定的給定信號值存在較大的偏差。這種問題一般可通過在電路中加裝可調(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，又影響裝置的長期穩(wěn)定性，因此設(shè)計時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)會根據(jù)選定的量程，從對應(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。

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

2.直流信號源的操作

作為高校的實驗裝置，其使用對象此前可能很少接觸到這類智能裝置，這就要求人機(jī)交互功能設(shè)計時，直觀清晰，操作簡單。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，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，通過軟硬件結(jié)合，使信號源準(zhǔn)確度達(dá)到±0.01%的精度。其裝置可靠性高，操作簡單，能夠很好地滿足電路實驗的需求。

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