一種高性價比數(shù)字式直流信號源研制

陳國杰，吳 靜,傘吉強

(遼寧工業(yè)大學 電氣工程學院， 遼寧 錦州 121001)

0 引 言

直流電壓、電流信號在工業(yè)自動化控制、測控及儀器儀表、各高校實驗室、研究所、電子測量等領(lǐng)域使用頻非常廣泛[1]。直流信號多數(shù)范圍在0～10 V，0～100 mV，0～20 mA[2]。市面上針對這些常用的直流信號源分為兩個極端：高檔的在萬元以上，低檔的精度不高，售價也在千元左右而且綜合直流電壓、電流源的少見，操作方式大多是電位器旋轉(zhuǎn)調(diào)整模式。在各高校實驗室一般不配備或少量配備[3]。直流信號在很多應用場合特別是大學實驗室多數(shù)用穩(wěn)壓電源和一些外圍電子器件搭配來獲得，這樣的直流信號準確度、負載能力、穩(wěn)定度低，操作還繁瑣。基于上述等利用價位低廉、通用MCS-51系列的8 bit單片機、8 bit數(shù)模轉(zhuǎn)換D/A電路、專用鍵盤顯示電路8279等成功研制了準確度高(可達0.05%)、操作方便、穩(wěn)定度及負載能力較高的數(shù)字式直流信號源。

1 數(shù)字式直流信號源構(gòu)成

數(shù)字式直流信號源由8 bit單片機AT89S55為CPU。AT89S55內(nèi)置有20 KByte可串行下載Flash存儲器、256 Byte片內(nèi)RAM、4個8 bit的雙向可尋址I/O口，一個全雙工UART的串行接口、3個16 bit的定時器/計數(shù)器、多個優(yōu)先級的嵌套中斷結(jié)構(gòu)，以及一個片內(nèi)振蕩器和時鐘電路[4]，AT89S55與2片8 bit D/A芯片DAC0832、8279可編程鍵盤顯示器接口電路、精密電源電路、V/I轉(zhuǎn)換電路、供電電源等構(gòu)成。工作原理為：在CPU的控制下，將需要輸出的直流電壓或直流電流值經(jīng)過鍵盤操作在LED數(shù)碼管上顯示，按直流電壓、電流輸出功能鍵后經(jīng)過CPU內(nèi)部軟件判斷、計算、修正后控制2片DAC0832轉(zhuǎn)換為16 bit D/A輸出、精密加法放大器及直流分壓電路組成的電路輸出直流0～10 V電壓，V/I轉(zhuǎn)換電路輸出0～20 mA。輸出電壓、電流信號在數(shù)字式直流信號源前面板輸出。實際電路原理圖如圖1所示。

圖1 數(shù)字式直流信號源原理圖

2 數(shù)字式直流信號源硬件電路設計

2.1 供電電源及精密參考電壓電路設計

數(shù)字式直流信號源供電電源是整個電路的基礎(chǔ)，選取合適的供電電壓滿足內(nèi)部電路的要求。3端集成穩(wěn)壓器是在分立元件的串聯(lián)型直流穩(wěn)壓電路的基礎(chǔ)發(fā)展起來的，它的內(nèi)部電路是由基準電壓源、比較放大器、調(diào)整電路、采樣電路和保護電路等部分組成。它具有體積小，使用調(diào)整方便，性能穩(wěn)定，而且成本低的特點[5]。本信號源的電源選用3端集成穩(wěn)壓電源MC7805、MC7818、MC7918、MC7815、MC7915。數(shù)字電路部分是+5 V供電。由于D/A芯片DAC0832的輸出電壓是-5 V，運算放大器電路需要±15 V電源供電[6]。電流部分考慮到負載能力選用+18 V供電。為了保證D/A轉(zhuǎn)換精度其基準參考電壓必須在精度、穩(wěn)定度要達到0.01%，輸出5.000 V，基準參考電壓的穩(wěn)定度對穩(wěn)壓電源的穩(wěn)定度是至關(guān)重要的。因此選擇穩(wěn)定度高的LM399H作為基準電壓。LM399H工作溫度范圍是0～70 ℃，電壓穩(wěn)定系數(shù)的典型值為0. 3 ×10-6/ ℃。基準參考電源用LM399H經(jīng)過精密電阻分壓得到[7]。具體電源電路及參數(shù)如圖2所示。

圖2 供電電源電路

2.2 鍵盤顯示電路設計

鍵盤是實現(xiàn)人機通信的輸入部分，是數(shù)字式操作的關(guān)鍵[8]。鍵盤顯示電路選用專用芯片8279。8279既具有按鍵處理功能,，又具有自動顯示功能。在單片機系統(tǒng)中應用廣泛[9]。其能自動消除鍵抖動并具有雙鍵鎖定保護功能，顯示器RAM 容量為16×8，顯示器最大配置可達16 bit LED 數(shù)碼顯示。本信號源設計5位顯示數(shù)字，2位由字符管顯示V 、mV、 mA。數(shù)字式鍵盤設計15個鍵，其中0～9為數(shù)字鍵，鍵值為00H～09H。功能鍵有小數(shù)點、V輸出、mV輸出、mA輸出、Clr清除，鍵值為0AH、0BH、0CH、0DH、0EH。具體電路如圖3所示。

圖3 鍵盤顯示電路

2.3 直流電壓信號產(chǎn)生電路即16 bit D/A設計

直流信號源產(chǎn)生的直流電壓是CPU控制2片8 bit D/A芯片DAC0832經(jīng)過精密、低噪聲運放uA714放大后所得[10]。用8 bit低分辨率的D/A 芯片實現(xiàn)高分辨率16 bit D/A，顯然是一種性價比較高的方法。DAC0832 芯片是市面常見的8 bit D/A 轉(zhuǎn)換器，價格便宜，也是大家熟悉的常用芯片，是工程上應用最為廣泛和典型的數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片[11]。2片8 bit D/A中高8 bit D/A輸出是低8 bit D/A輸出的1/256的關(guān)系，最終得到16 bit D/A輸出。實際電路如圖4。

2.4 V/I電路設計

3 軟件設計

由于直流信號源的輸出是經(jīng)過鍵盤設定后經(jīng)過單片機內(nèi)部軟件處理后得到的，軟件部分設計主要是在Visual C + + 6． 0 的子編程環(huán)境進行程序設計的[14]。軟件設計包括主程序、鍵盤中斷子程序、2片8 bit D/A轉(zhuǎn)16 bit D/A子程序、顯示子程序等，詳細程序代碼暫不給出。圖6為主程序框圖。

圖5 V/I轉(zhuǎn)換電路

圖6 主程序框圖

3.1 鍵盤中斷子程序設計

鍵盤輸入規(guī)定：按大于10 V、大于20 mA輸出無效，比如按11.5 V或25 mA。大于10 mV輸出必須按0.XXX V輸出有效，如需輸出15.5 mV要按15.5 mV，小于等于10 mV輸出需要換到mV輸出端子。想要輸出的值最多只能按5個數(shù)字多按無效，如想要輸出2.555 5 V。信號源在上電或復位后顯示0.的時候可以按V檔、mV檔、mA檔輸出，輸出值為0。圖7為鍵盤中斷子程序框圖。

3.2 2片8 bit D/A轉(zhuǎn)換16 bit D/A子程序設計

算法原理：DAC0832的8 bit D/A參考電壓為5.000 V，即5 000 mV，每個碼對應5 000/256=19.531 25 mV。8 bit數(shù)據(jù)范圍是00H～FFH對應0～255。16 bit D/A數(shù)據(jù)范圍是0000H～FFFFH對應0～65535。在鍵盤輸入的數(shù)據(jù)經(jīng)過計算得到16 bit的數(shù)據(jù)，16 bit數(shù)據(jù)中的高8 bit轉(zhuǎn)換輸出V01、低8 bit轉(zhuǎn)換輸出V02，接在加法器反相輸入端進行加法計算。16 bit的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換結(jié)果為：

V03=-(數(shù)據(jù)高8 bit轉(zhuǎn)換輸出V01+

數(shù)據(jù)低8 bit輸出V02×1/256 )=

-(V01+V02×1/256 )[15]

圖7 鍵盤中斷子程序框圖

本信號源設計最大輸出10.000 0 V，對應16 bit二進制是FFFFH即65535。每個碼對應0.655 35mV。鍵盤的設定值×0.655 35=需要輸出的16 bit數(shù)據(jù)。例如鍵盤設定2.67 V輸出，則算法是：

26 700×0.655 35=17 497.845轉(zhuǎn)換16進制=4459H，高8 bit 44H送低8 bit D/A，得到輸出44H(68)×19.531 25 mV=1 328.125 mV，低8 bit 59H送高8 bit D/A，得到輸出59H(89)×19.531 25 mV=1 738.281 25 mV。低8 bit的D/A與高8 bit的D/A進行加法放大2倍運算得到：(1 328.125+1 738.281 25/256)×2=(1 328.125+6.790)×2=2 669.830 mV。為了計算方便需要將數(shù)據(jù)進行整數(shù)計算得到。此算法是保證信號源輸出精度的關(guān)鍵所在。

根據(jù)設計的硬件電路接口低8 bit D/A和高8 bit第一級鎖存器地址為BFFFH、DFFFH。兩片8 bit D/A的D/AC 寄存器擁有一個共同的地址7FFFH。

4 測試結(jié)果數(shù)據(jù)

按照上述的軟硬件設計，選用市面上的塑料外殼并加工成實際的PCB板焊接組裝成完整的數(shù)字式直流信號源如圖8所示。

圖8 數(shù)字式直流信號源實物

將研制成功的信號源通電進行測試，測試標準電壓表選用5位半FLUKE 8520A數(shù)字多用表，該表測量電壓準確度等級優(yōu)于0.003%。測試數(shù)據(jù)如表1～3。

表1 直流電壓V檔輸出 V

表2 直流電壓mV檔輸出 mV

表3 直流電流mA檔輸出(采用0.01%精度100 Ω標準電阻間接測量) mA

由以上研制成功的實際信號源測試結(jié)果可見達到設計目標，準確度在0.05%以上，準確度、穩(wěn)定性優(yōu)良。圖9、10所示是實際測試的結(jié)果。

圖9 電壓V檔實際測試結(jié)果

圖10 電壓mV檔實際測試結(jié)果

5 結(jié) 語

本文對數(shù)字式直流信號源的硬件電路、軟件程序、測試結(jié)果進行了完整詳細的闡述。研制一臺數(shù)字式直流信號源，成本在幾百元人民幣，具有性價比高、操作直觀方便靈活、準確度、穩(wěn)定度高等優(yōu)點，適合許多應用領(lǐng)域，特別適用各個高校的實驗室配備，具有很高的實用和推廣價值。有條件制成便攜式前景更加廣闊。