电子系统设计 实验报告
本科生实验报告
实验课程电子系统设计
学院名称
专业名称测控技术与仪器
学生姓名
学生学号
指导教师
实验地点
实验成绩
二〇年月——二〇年月
实验一、运放应用电路设计
一、实验目的
（1）了解并运用NE555定时器或者其他电路，学会脉冲发生器的设计，认识了解各元器件的作用和用法。
（2）掌握运算放大器基本应用电路设计
二、实验要求
（1）使用555或其他电路设计一个脉冲发生器，并能满足以下要求：产生三角波V2，其峰峰值为4V，周期为0.5ms，允许T有±5%的误差。
V2/V
+2
图1-1 三角波脉冲信号
（2）使用一片四运放芯片LM324设计所示电路，实现如下功能：设计加法器电路，实现V3=10V1+V2,V1是正弦波信号，峰峰值0.01v，频率10kHz。
V3
图1-2 加法电路原理
三、实验内容
1、555定时器的说明：
NE555是属于555系列的计时IC的其中的一种型号，555系列IC的接脚功能及运用都是相容的，只是型号不同的因其价格不同其稳定度、省电、可产生的振荡频率也不大相同；而555是一个用途很广且相当普遍的计时IC，只需少数的电阻和电容，便可产生数位电路所需的各种不同频率的脉波讯号。
a. NE555的特点有：
1.只需简单的电阻器、电容器，即可完成特定的振荡延时作用。其延时范围极广，可由几微秒至几小时之久。
2.它的操作电源范围极大，可与TTL，CMOS等逻辑闸配合，也就是它的输出准位及输入触发准位，均能与这些逻辑系列的高、低态组合。
3.其输出端的供给电流大，可直接推动多种自动控制的负载。
4.它的计时精确度高、温度稳定度佳，且价格便宜。
b. NE555引脚位配置说明下：
NE555接脚图：
图1-3 555定时器引脚图
Pin 1 (接地) -地线(或共同接地) ，通常被连接到电路共同接地。
Pin 2 (触发点) -这个脚位是触发NE555使其启动它的时间周期。触发信号上缘电压须大于2/3 VCC，下缘须低于1/3 VCC 。
Pin 3 (输出) -当时间周期开始555的输出输出脚位，移至比电源电压少1.7伏的高电位。周期的结束输出回到O伏左右的低电位。于高电位时的最大输出电流大约200 mA 。
Pin 4 (重置) -一个低逻辑电位送至这个脚位时会重置定时器和使输出回到一个低电位。它通常被接到正电源或忽略不用。
Pin 5 (控制) -这个接脚准许由外部电压改变触发和闸限电压。当计时器经营在稳定或振荡的运作方式下,这输入能用来改变或调整输出频率。
Pin 6 (重置锁定) - Pin 6重置锁定并使输出呈低态。当这个接脚的电压从1/3 VCC电压以下移至2/3 VCC以上时启动这个动作。
Pin 7 (放电) -这个接脚和主要的输出接脚有相同的电流输出能力，当输出为ON时为LOW，对地为低阻抗，当输出为OFF时为HIGH，对地为高阻抗。
Pin 8 (V +) -这是555个计时器IC的正电源电压端。供应电压的范围是+4.5伏特(最小值)至+16伏特(最大值)。
参数功能特性：
?供应电压4.5-18V
?供应电流3-6 mA
?输出电流225mA (max)
?上升/下降时间100 ns
c.NE555的相关应用:
NE555的作用范围很广，但一般多应用于单稳态多谐振荡器（Monostable Mutlivibrator）及无稳态多谐振荡器(Astable Multivibrator)。
2、利用555定时器产生方波和三角波
三角波信号的产生：
555定时器产生方波信号后，接一个积分电路。
原理图如图所示：
图1-4 三角波和方波信号的产生产生信号波形图：
图1-5 脉冲信号波形图
3、产生有正负电压的三角波
实验原理：
将产生的三角波接近运放，在运放的参考端，接上一个偏置电压，这样，当三角波的输出电压达不到偏置电压的大小，输出即为负值。
实验原理图：
图1-6 产生完整的三角波信号
输出波形图：
图1-7 完整三角波波形图
4、加法器的使用
信号的叠加：
要实现V3=10V1+V2,V1是正弦波信号，峰峰值0.01v，频率10kHz。将正弦信号加在方波信号上，由于0.01v信号太微弱，所以决定用0.1v的正弦信号。加法器：
我利用的反向求和电路，所以输出V3 = (R10/R13)V1 + (R10/R12)V2 ，由图中参数，可以算出V3=10V1+V2。
原理图如图所示：
图1-8 信号叠加图
产生波形图如图所示：
图1-9 脉冲信号叠加波形图
根据图中的数据，可以知道，我们实现了V3=10V1+V2的叠加，由电压即可直观地看出。
实验二、基于微控制器的直流电机驱动
电路设计与仿真
一、实验目的
（1）理解直流电机的驱动原理和驱动方式；
（2）理解微控制器定时计数器工作原理及PWM发生；
（3）掌握直流电机的驱动电路设计方法；
（4）掌握直流电机的驱动软件设计方法。
二、实验要求
（1）构建以51微控制器为核心的直流电机驱动电路，包括人机接口（按键和显示）、光电隔离、L298N全桥驱动器（如图1所示）。按键包括复位键（KEY_RST）、顺时针转向键（KEY_CW）、逆时针转向键（KEY_CCW）、调速增加键（KEY_UP）、调速降低键（KEY_DOWN）、确认键（KEY_ENTER），调速步进为满量程的10%。
图2-1 电路原理图
（2）联合Proteus和Keil软件平台，采用51微控制器的C语言编程，实现对1路直流电机的PWM调速控制和转向控制。
（3）建立PWM占空比与直流电机转速的相关性数学模型。
三、实验内容
实验原理：
（1）直流电机转速
直流电机的数学模型可用图2-2表示，由图可见电机的电枢电动势Ea的正方向与电枢电流Ia的方向相反，Ea为反电动势；电磁转矩T的正方向与转速n 的方向相同，是拖动转矩；轴上的机械负载转矩T2及空载转军T0均与n相反，是制动转矩。
图2-2 直流电机的数学模型
根据基尔霍夫第二定律，得到电枢电压电动势平衡方程式：
U=Ea-Ia（Ra+Rc）
其中，Ra为电枢回路电阻，电枢回路串联保绕阻与电刷接触电阻的总和：Rc是外接在电枢回路中的调节电阻。
由此可得到直流电机的转速公式为：
n=Ua-IR/Ceφ（Ce为电动势常数，φ是磁通量。）
因此可得n=Ea/Ceφ可以看出，对于一个已经制造好的电机，当励磁电压和负载转矩恒定时，它的转速由在电枢两端的电压Ea决定，电枢电压越高，电机转速就越快，电枢电压降低到0V时，电机就停止转动：改变电枢电压的极性，电机就反转。
（2）PWM电机调速原理
对于直流电机来说，如果加在电枢两端的电压为5所示的脉动电流压（要求
脉动电压的周期远小于电机的惯性常数），可以看出，在T不变的情况下，改变
T1和T2宽度，得到的电压将发生变化，下面对这一变化进一步推导。
图2-3 施加在电枢两端的脉动电压
设电机接全电压U时，其转速最大为Vmax。若施加到电枢两端的脉动电压占空比为D=t1/T，则电枢的平均电压为：
U平=U×D
可得：n=Ea/Ceφ≈U×D/Ceφ=KD
在假设电枢内阻转小的情况下式中K=U/CEφ，是常数。
图2-4为施加不同占空比时实测的数据绘制所得占空比与转速的关系图。
图2-4 占空比与电机转速的关系
由图看出转速与占空比D并不是完全的线性关系（途中实线），原因是电枢本身有电阻，不过一般直流电机的内阻较小，可以近视为线性关系。由此可见，改变施加在电枢两端电压就能改变电机的转速，这就是直流电机PWM调速原理。
仿真电路图：
图2-5 仿真电路图加速：
图2-6 加速显示图减速：
图2-7 减速显示图反转：
图2-8 反转显示图驱动主程序：
#include
#include "lcd.h"
#include
#define uchar unsigned char
#define uint unsigned int
sbit INPUT1 = P2^0;
sbit INPUT2 = P2^1;
sbit ENA = P2^2;
sbit key_zz=P3^0;
sbit key_fz=P3^1;
sbit key_up=P3^2;
sbit key_down=P3^3;
sbit key_tz=P3^4;
sbit key_ok=P3^5;
void time_Init();
void exti_Init();
void Delayms(unsigned int t);
uchar num=0;
unsigned int timer_count=0; unsigned int Duty_cycle=1; unsigned int set_duty=1;
void main(void)
{
time_Init();
exti_Init();
LcdInit();
Lcd_Str(0x00,6,"STATE:");
while(1)
{
if(key_ok==0)
{
Delayms(10);
if(key_ok==0)
{
Duty_cycle=set_duty;
}
}
if(key_tz==0)
{
Delayms(10);
if(key_tz==0)
{
INPUT1=0;
INPUT2=0;
Lcd_Str(0x40,10,"direct_tz ");
}
}
if(key_zz==0)
{
Delayms(10);
if(key_zz==0)
{
INPUT1=1;
INPUT2=0;
Lcd_Str(0x40,10,"direct_zz ");
}
}
if(key_fz==0)
{
Delayms(10);
if(key_fz==0)
{
INPUT1=0;
INPUT2=1;
Lcd_Str(0x40,10,"direct_fz");
}
}
}
}
void time_Init() //定时器0配置函数,工作方式1,50ms中断一次{
TMOD=0x01;
EA=1;
ET0 = 1;
TH0 = (65536-5000)/256;
TL0 = (65536-5000)%256;
TR0 = 1;
}
void exti_Init() //外部中断
{
EA=1;
EX0=1;
EX1=1;
IT0=1;
IT1=1;
}
void timer_inter() interrupt 1
{
TH0 = (65536-5000)/256;
TL0 = (65536-5000)%256;
timer_count++;
if(timer_count>10)timer_count=0; if(timer_count<=Duty_cycle)
{
ENA=1;
}
else
{
ENA=0;
}
//timer_count++;
}
void exti0_inter() interrupt 0
{
if(set_duty>9)
set_duty=0;
else
set_duty++;
LcdWriteCom(0x80+0x07);
LcdWriteData('0'+((set_duty-1)%10));
Lcd_Str(0x40,10,"speed_down");
}
void exti1_inter() interrupt 2
{
if(set_duty<0)
set_duty=9;
else
set_duty--;
LcdWriteCom(0x80+0x07);
LcdWriteData('0'+((set_duty-1)%10)); Lcd_Str(0x40,10,"speed_up");
}
void Delayms(unsigned int t)
{
unsigned int x,y;
for(x=t;x>0;x--)
for(y=120;y>0;y--);}
实验三、数控电流源电路系统设计与仿
真
一、实验目的：
（1）理解数控电流源电路系统工作原理
（2）理解V/I变换电路的工作原理
（3）掌握数控电流源电路系统设计与仿真方法
二、实验要求：
（1）构建如图1所示的数控电流源电路系统，包括人机接口（按键和显示）、DAC和V/I变换电路（图2）。按键包括输出电流增加键（KEY_UP）、输出电流降低键（KEY_DOWN）、步进选择键（KEY_STEP），步进分为三档0.01mA、0.1mA和1.0mA。输出电流的范围0~20mA。
图3-1数控电流源电路系统的原理框图
图3-2 V/I变换电路
（2）分析电路工作原理，推导DAC数字输入变量与电路输出电流的数学关系，C语言编程实现对LCD显示、DAC驱动、按键扫描及功能服务处理流程（如图3所示）。
图3-3 数控电流源电路程序工作流程三、实验内容
具有SPI接口的12位DAC：MCP4921
引脚图：
图3-4 引脚图
SPI输入时序图：
图3-5 时序图
写命令寄存器：