一种高性价比数字式直流信号源研制

陈国杰，吴 静,伞吉强

(辽宁工业大学 电气工程学院， 辽宁 锦州 121001)

0 引 言

直流电压、电流信号在工业自动化控制、测控及仪器仪表、各高校实验室、研究所、电子测量等领域使用频非常广泛[1]。直流信号多数范围在0～10 V，0～100 mV，0～20 mA[2]。市面上针对这些常用的直流信号源分为两个极端：高档的在万元以上，低档的精度不高，售价也在千元左右而且综合直流电压、电流源的少见，操作方式大多是电位器旋转调整模式。在各高校实验室一般不配备或少量配备[3]。直流信号在很多应用场合特别是大学实验室多数用稳压电源和一些外围电子器件搭配来获得，这样的直流信号准确度、负载能力、稳定度低，操作还繁琐。基于上述等利用价位低廉、通用MCS-51系列的8 bit单片机、8 bit数模转换D/A电路、专用键盘显示电路8279等成功研制了准确度高(可达0.05%)、操作方便、稳定度及负载能力较高的数字式直流信号源。

1 数字式直流信号源构成

数字式直流信号源由8 bit单片机AT89S55为CPU。AT89S55内置有20 KByte可串行下载Flash存储器、256 Byte片内RAM、4个8 bit的双向可寻址I/O口，一个全双工UART的串行接口、3个16 bit的定时器/计数器、多个优先级的嵌套中断结构，以及一个片内振荡器和时钟电路[4]，AT89S55与2片8 bit D/A芯片DAC0832、8279可编程键盘显示器接口电路、精密电源电路、V/I转换电路、供电电源等构成。工作原理为：在CPU的控制下，将需要输出的直流电压或直流电流值经过键盘操作在LED数码管上显示，按直流电压、电流输出功能键后经过CPU内部软件判断、计算、修正后控制2片DAC0832转换为16 bit D/A输出、精密加法放大器及直流分压电路组成的电路输出直流0～10 V电压，V/I转换电路输出0～20 mA。输出电压、电流信号在数字式直流信号源前面板输出。实际电路原理图如图1所示。

图1 数字式直流信号源原理图

2 数字式直流信号源硬件电路设计

2.1 供电电源及精密参考电压电路设计

数字式直流信号源供电电源是整个电路的基础，选取合适的供电电压满足内部电路的要求。3端集成稳压器是在分立元件的串联型直流稳压电路的基础发展起来的，它的内部电路是由基准电压源、比较放大器、调整电路、采样电路和保护电路等部分组成。它具有体积小，使用调整方便，性能稳定，而且成本低的特点[5]。本信号源的电源选用3端集成稳压电源MC7805、MC7818、MC7918、MC7815、MC7915。数字电路部分是+5 V供电。由于D/A芯片DAC0832的输出电压是-5 V，运算放大器电路需要±15 V电源供电[6]。电流部分考虑到负载能力选用+18 V供电。为了保证D/A转换精度其基准参考电压必须在精度、稳定度要达到0.01%，输出5.000 V，基准参考电压的稳定度对稳压电源的稳定度是至关重要的。因此选择稳定度高的LM399H作为基准电压。LM399H工作温度范围是0～70 ℃，电压稳定系数的典型值为0. 3 ×10-6/ ℃。基准参考电源用LM399H经过精密电阻分压得到[7]。具体电源电路及参数如图2所示。

图2 供电电源电路

2.2 键盘显示电路设计

键盘是实现人机通信的输入部分，是数字式操作的关键[8]。键盘显示电路选用专用芯片8279。8279既具有按键处理功能,，又具有自动显示功能。在单片机系统中应用广泛[9]。其能自动消除键抖动并具有双键锁定保护功能，显示器RAM 容量为16×8，显示器最大配置可达16 bit LED 数码显示。本信号源设计5位显示数字，2位由字符管显示V 、mV、 mA。数字式键盘设计15个键，其中0～9为数字键，键值为00H～09H。功能键有小数点、V输出、mV输出、mA输出、Clr清除，键值为0AH、0BH、0CH、0DH、0EH。具体电路如图3所示。

图3 键盘显示电路

2.3 直流电压信号产生电路即16 bit D/A设计

直流信号源产生的直流电压是CPU控制2片8 bit D/A芯片DAC0832经过精密、低噪声运放uA714放大后所得[10]。用8 bit低分辨率的D/A 芯片实现高分辨率16 bit D/A，显然是一种性价比较高的方法。DAC0832 芯片是市面常见的8 bit D/A 转换器，价格便宜，也是大家熟悉的常用芯片，是工程上应用最为广泛和典型的数模转换芯片[11]。2片8 bit D/A中高8 bit D/A输出是低8 bit D/A输出的1/256的关系，最终得到16 bit D/A输出。实际电路如图4。

2.4 V/I电路设计

3 软件设计

由于直流信号源的输出是经过键盘设定后经过单片机内部软件处理后得到的，软件部分设计主要是在Visual C + + 6． 0 的子编程环境进行程序设计的[14]。软件设计包括主程序、键盘中断子程序、2片8 bit D/A转16 bit D/A子程序、显示子程序等，详细程序代码暂不给出。图6为主程序框图。

图5 V/I转换电路

图6 主程序框图

3.1 键盘中断子程序设计

键盘输入规定：按大于10 V、大于20 mA输出无效，比如按11.5 V或25 mA。大于10 mV输出必须按0.XXX V输出有效，如需输出15.5 mV要按15.5 mV，小于等于10 mV输出需要换到mV输出端子。想要输出的值最多只能按5个数字多按无效，如想要输出2.555 5 V。信号源在上电或复位后显示0.的时候可以按V档、mV档、mA档输出，输出值为0。图7为键盘中断子程序框图。

3.2 2片8 bit D/A转换16 bit D/A子程序设计

算法原理：DAC0832的8 bit D/A参考电压为5.000 V，即5 000 mV，每个码对应5 000/256=19.531 25 mV。8 bit数据范围是00H～FFH对应0～255。16 bit D/A数据范围是0000H～FFFFH对应0～65535。在键盘输入的数据经过计算得到16 bit的数据，16 bit数据中的高8 bit转换输出V01、低8 bit转换输出V02，接在加法器反相输入端进行加法计算。16 bit的数据转换结果为：

V03=-(数据高8 bit转换输出V01+

数据低8 bit输出V02×1/256 )=

-(V01+V02×1/256 )[15]

图7 键盘中断子程序框图

本信号源设计最大输出10.000 0 V，对应16 bit二进制是FFFFH即65535。每个码对应0.655 35mV。键盘的设定值×0.655 35=需要输出的16 bit数据。例如键盘设定2.67 V输出，则算法是：

26 700×0.655 35=17 497.845转换16进制=4459H，高8 bit 44H送低8 bit D/A，得到输出44H(68)×19.531 25 mV=1 328.125 mV，低8 bit 59H送高8 bit D/A，得到输出59H(89)×19.531 25 mV=1 738.281 25 mV。低8 bit的D/A与高8 bit的D/A进行加法放大2倍运算得到：(1 328.125+1 738.281 25/256)×2=(1 328.125+6.790)×2=2 669.830 mV。为了计算方便需要将数据进行整数计算得到。此算法是保证信号源输出精度的关键所在。

根据设计的硬件电路接口低8 bit D/A和高8 bit第一级锁存器地址为BFFFH、DFFFH。两片8 bit D/A的D/AC 寄存器拥有一个共同的地址7FFFH。

4 测试结果数据

按照上述的软硬件设计，选用市面上的塑料外壳并加工成实际的PCB板焊接组装成完整的数字式直流信号源如图8所示。

图8 数字式直流信号源实物

将研制成功的信号源通电进行测试，测试标准电压表选用5位半FLUKE 8520A数字多用表，该表测量电压准确度等级优于0.003%。测试数据如表1～3。

表1 直流电压V档输出 V

表2 直流电压mV档输出 mV

表3 直流电流mA档输出(采用0.01%精度100 Ω标准电阻间接测量) mA

由以上研制成功的实际信号源测试结果可见达到设计目标，准确度在0.05%以上，准确度、稳定性优良。图9、10所示是实际测试的结果。

图9 电压V档实际测试结果

图10 电压mV档实际测试结果

5 结 语

本文对数字式直流信号源的硬件电路、软件程序、测试结果进行了完整详细的阐述。研制一台数字式直流信号源，成本在几百元人民币，具有性价比高、操作直观方便灵活、准确度、稳定度高等优点，适合许多应用领域，特别适用各个高校的实验室配备，具有很高的实用和推广价值。有条件制成便携式前景更加广阔。