一種實驗室用精密直流信號源的設計

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。

關鍵詞： 直流信號源 實驗裝置 單片機

《電路》是電氣信息類各專業的一門重要基礎課程，通過該課學習，學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，為后續專業課程學習培養電路分析能力。《電路》課程理論嚴密，邏輯性強，而實驗環節是對電路理論教學的有益補充和豐富，是理論知識在具體實踐中的體現。通過電路實驗，學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，培養嚴謹的工作作風。

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，對電路進行測量和分析，從而驗證電路定理。本設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、直流電流的信號發生裝置，整個裝置由硬件功能電路和相關控制軟件兩大部分組成。

圖1 直流信號源硬件結構框圖

直流信號源硬件結構框圖如圖1所示，包括單片機、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置的輸出信號參數，經數據處理后，切換到合適的電壓、電流量程，生成對應的數字控制量，送給后續電壓、電流輸出模塊。

信號輸出模塊由D/A轉換器、量程切換電路、功率放大電路和功放保護電路組成。D/A轉換器是信號輸出模塊的核心環節，它為單片機提供利用數字信號實現模擬控制的手段，同時，它的性能會直接影響模擬輸出信號的準確性和穩定性。設計中D/A轉換器選用了DAC1220，它采用△-∑轉換技術，實現20位線性轉換，通過內置的滿度、零點和線性修正寄存器，自動進行校準功能，保證轉換的準確性。CMOS結構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的數據。DAC1220相關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，通過兩個字節命令字的設置，完成器件的工作方式設置和自動校準功能，其程序功能流程圖如圖2所示；二是D/A轉換功能程序，通過對三個字節數據輸入寄存器的設置，發揮來自單片機控制量的轉換輸出功能，其功能流程圖如圖3所示。

圖2 D/A轉換器初始化 圖3 D/A轉換功能

功能流程圖 流程圖

考慮到D/A轉換器環節和后續的功率放大電路環節會存在有線性誤差，因此，設計時，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，單片機可根據設定值自動選擇適當量程，控制量程切換環節的光耦元件和繼電器的工作狀態。

由于直流信號源裝置制造時，電路元件存在參數誤差，從而導致信號源輸出的實際信號值與鍵盤設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，電位器數量太多，既增加成本，又影響裝置的長期穩定性，因此設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—設定值；

k—滿度修正系數；

b—輕載修正系數；

進行修正后輸出。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。單片機會根據選定的量程，從對應的E■PROM單元中取出修正系數，經數據處理后，得到真正的控制量送給DAC1220。

直流信號源裝置還提供了RS232標準串行通信接口，并設計了串行通信協議，PC機可程控信號源的信號輸出，有利于電路實驗室的微機化和網絡化管理。

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，這就要求人機交互功能設計時，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定值。

輸出信號設定操作上有兩種方式：直讀方式和步進方式。直讀方式是直接設定電壓、電流信號值輸出，操作步驟如圖4所示；步進方式是按所選的步進百分比刻度升降信號，操作步驟如圖5所示。

圖4 直讀方式輸出設置

圖5 步進方式輸出設置

直流信號源裝置以C8051F064單片機為控制核心，以高精度、高穩定性的DAC1220為轉換核心，通過軟硬件結合，使信號源準確度達到±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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