一种实验室用精密直流信号源的设计

章彧

摘 要： 精密直流信号源装置能够程控输出0-24V的直流电压和0-2A的直流电流信号，具有精度高、可靠性高、操作简单的特点，可作为《电路》课程实验中的激励源，发挥电路实验的功能，本文主要介绍了信号源的工作原理和操作方式。

关键词： 直流信号源 实验装置 单片机

《电路》是电气信息类各专业的一门重要基础课程，通过该课学习，学生掌握电路的基本概念、基本理论和分析计算电路的基本方法，为后续专业课程学习培养电路分析能力。《电路》课程理论严密，逻辑性强，而实验环节是对电路理论教学的有益补充和丰富，是理论知识在具体实践中的体现。通过电路实验，学生加深对电路理论的理解和掌握，将理论知识形象化和具体化，同时提高动手操作能力，培养严谨的工作作风。

在电路实验中，往往要利用各种电路元件、激励源和测量仪表，搭建起一个实验电路，在激励的作用下，对电路进行测量和分析，从而验证电路定理。本设计的直流信号源作为电路实验中的激励，可程控输出0-24V的直流电压和0-2A的直流电流信号，满足电路实验的需求。

1.直流信号源的原理

直流信号源是一台可程序控制、精确输出直流电压、直流电流的信号发生装置，整个装置由硬件功能电路和相关控制软件两大部分组成。

图1 直流信号源硬件结构框图

直流信号源硬件结构框图如图1所示，包括单片机、电压信号输出、电流信号输出、存储、显示、键盘和串行通信模块。

单片机选用C8051F064，是整个信号源装置的控制核心，其主要功能是接受并显示由键盘设置的输出信号参数，经数据处理后，切换到合适的电压、电流量程，生成对应的数字控制量，送给后续电压、电流输出模块。

信号输出模块由D/A转换器、量程切换电路、功率放大电路和功放保护电路组成。D/A转换器是信号输出模块的核心环节，它为单片机提供利用数字信号实现模拟控制的手段，同时，它的性能会直接影响模拟输出信号的准确性和稳定性。设计中D/A转换器选用了DAC1220，它采用△-∑转换技术，实现20位线性转换，通过内置的满度、零点和线性修正寄存器，自动进行校准功能，保证转换的准确性。CMOS结构保证了其低功耗特性，具有噪声低、线性误差小、温漂小等特点，并通过三线串行接口方式接收单片机的数据。DAC1220相关功能程序主要有两块：一是信号源装置上电时的初始化程序，通过两个字节命令字的设置，完成器件的工作方式设置和自动校准功能，其程序功能流程图如图2所示；二是D/A转换功能程序，通过对三个字节数据输入寄存器的设置，发挥来自单片机控制量的转换输出功能，其功能流程图如图3所示。

图2 D/A转换器初始化 图3 D/A转换功能

功能流程图 流程图

考虑到D/A转换器环节和后续的功率放大电路环节会存在有线性误差，因此，设计时，把0-24V的直流电压分成26个量程档，最小量程档40mV，把0-2A的直流电流分成了45个量程档，最小量程档50uA。作为信号源输出时，单片机可根据设定值自动选择适当量程，控制量程切换环节的光耦元件和继电器的工作状态。

由于直流信号源装置制造时，电路元件存在参数误差，从而导致信号源输出的实际信号值与键盘设定的给定信号值存在较大的偏差。这种问题一般可通过在电路中加装可调电位器解决，但本装置中由于电压、电流量程档位很多，如用上述方式，电位器数量太多，既增加成本，又影响装置的长期稳定性，因此设计时采用软件修正方式减小误差。具体的，按

y=kx+b（式1）

式中：y—修正值，送给DAC1220；

x—设定值；

k—满度修正系数；

b—轻载修正系数；

进行修正后输出。每个电压、电流量程都有一组k和b，它们按顺序依次存放在E■PROM中。单片机会根据选定的量程，从对应的E■PROM单元中取出修正系数，经数据处理后，得到真正的控制量送给DAC1220。

直流信号源装置还提供了RS232标准串行通信接口，并设计了串行通信协议，PC机可程控信号源的信号输出，有利于电路实验室的微机化和网络化管理。

2.直流信号源的操作

作为高校的实验装置，其使用对象此前可能很少接触到这类智能装置，这就要求人机交互功能设计时，直观清晰，操作简单。显示上，采用20×2字符型液晶显示器，可显示直流电压和电流设定值。

输出信號设定操作上有两种方式：直读方式和步进方式。直读方式是直接设定电压、电流信号值输出，操作步骤如图4所示；步进方式是按所选的步进百分比刻度升降信号，操作步骤如图5所示。

图4 直读方式输出设置

图5 步进方式输出设置

直流信号源装置以C8051F064单片机为控制核心，以高精度、高稳定性的DAC1220为转换核心，通过软硬件结合，使信号源准确度达到±0.01%的精度。其装置可靠性高，操作简单，能够很好地满足电路实验的需求。

参考文献：

[1]王春梅.实验室简易数控直流稳压电源的设计[J].化工自动化及仪表，2011.01.

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