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引言 近年來，隨著計(jì)算機(jī)使用的普及，在實(shí)際的測量和控制中，特別是由計(jì)算機(jī)參與的測控過程中，數(shù)控恒流源往往是電路中不可缺少的組成部分。隨著大規(guī)模集成電路的發(fā)展，測控技術(shù)在精度方面提出了更高要求。 本文設(shè)計(jì)的高精度數(shù)控雙極性恒流源電路主要由D/A芯片AD5542，基準(zhǔn)源芯片ADR433，高精度運(yùn)放OP97和三極管來實(shí)現(xiàn)。 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 該高精度數(shù)控雙極性恒流源的系統(tǒng)框圖如圖1所示，它由總線端、數(shù)字隔離電路、D/A轉(zhuǎn)換電路、V/I轉(zhuǎn)換電路組成。計(jì)算機(jī)通過總線傳送給D/A芯片碼值，D/A將碼值轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電壓，然后通過V/I轉(zhuǎn)換電路將電壓轉(zhuǎn)換成電流，由于該D/A輸出的電壓是雙極性的，因此可以獲得雙極性的電流。 
D/A轉(zhuǎn)換電路 數(shù)字隔離電路就是用專門的磁隔SI8440芯片來對計(jì)算機(jī)輸出的數(shù)字信號和D/A輸出的模擬信號進(jìn)行隔離。D/A轉(zhuǎn)換電路中的D/A芯片采用 ADI公司的AD5542，這是一款單通道、16位、串行輸入、電壓輸出數(shù)模轉(zhuǎn)換器，采用5V單電源供電;采用多功能三線式接口，并且與SPI、 QSPI、MICROWIRE、DSP接口標(biāo)準(zhǔn)兼容;其具有±0.5LSB的積分非線性典型值，±0.5LSB的微分非線性為-1.5LSB的增益誤差，±0.1 ppm/℃的增益誤差的溫度系數(shù)，±1 LSB的雙極性零點(diǎn)誤差，±0.2 ppm/℃的雙極性零點(diǎn)誤差的溫度系數(shù)，-VREF～VREF的輸出電壓范圍，在常溫下無需進(jìn)行任何調(diào)整就可提供16位性能;其輸出不經(jīng)過緩沖，可降低功耗，并減少輸出緩沖所造成的失調(diào)誤差。 設(shè)計(jì)的高精度數(shù)控恒流源的D/A轉(zhuǎn)換電路如圖2所示。
ADR433作為D/A芯片AD5542的外部基準(zhǔn)源，其初始精度、噪聲和溫度系數(shù)直接決定了D/A輸出的精度。選用其系列的ADR433B，此芯片具有3.0V的輸出電壓， 0.05%的初始精度，1ppm/℃的溫度系數(shù)，5ppm/V的輸入電壓調(diào)節(jié)率，15ppm/mA的負(fù)載調(diào)節(jié)率，3.75mVP-P的電壓噪聲，90nV /的電壓噪聲密度，40ppm的長期穩(wěn)定性。ADR433B的初始精度、噪聲和溫度系數(shù)保證了AD5542的16位分辨率和精度。 AD5542芯片內(nèi)部輸出沒有驅(qū)動運(yùn)放，需要外加一個(gè)低噪聲、低失調(diào)電壓、低失調(diào)電流和低溫度系數(shù)的運(yùn)放，本電路選用的是ADI公司的 OP97E運(yùn)放。OP97E運(yùn)放具有10mV的輸入失調(diào)電壓，30pA的輸入失調(diào)電流，0.2mV/℃的輸入失調(diào)電壓溫度系數(shù)，5ppm/V的輸入電壓調(diào)節(jié)率，0.4 pA/℃的輸入失調(diào)電流溫度系數(shù)，0.5mVP-P的電壓噪聲，17nV/的電壓噪聲密度，132dB的電源抑制比。運(yùn)放的輸入失調(diào)電壓可以在軟件中進(jìn)行補(bǔ)償，0.2mV/℃的輸入失調(diào)電壓溫度系數(shù)和0.5mVP-P的電壓噪聲使得其對輸出電流的影響可以忽略。 V/I轉(zhuǎn)換電路 AD5542經(jīng)OP97運(yùn)放輸出量程為±3.3V的電壓，要想變?yōu)殡娏鳎杓右患塚/I變換電路，本電路所用的V/I轉(zhuǎn)換電路如圖3所示。
此電路通過外接負(fù)載形成同相比例放大電路，由深度負(fù)反饋電路特點(diǎn)可知，U7的V+約等于V-，則電流Iout=V-/R9，只要控制V+，就可以得到相應(yīng)可控的高精度雙極性電流，后端接的互補(bǔ)三極管用來輸出經(jīng)擴(kuò)流后的雙極性電流。 系統(tǒng)設(shè)計(jì)應(yīng)注意的幾個(gè)問題 ● AD5542的電源應(yīng)使用10mF和0.1mF電容進(jìn)行旁路。這些電容應(yīng)盡可能靠近該器件，10mF電容為鉭電解電容，0.1mF電容為陶瓷電容。 ● 電源走線應(yīng)盡可能寬，以提供低阻抗路徑，并減小電源線路上的突波效應(yīng)。 ● 時(shí)鐘和其他快速開關(guān)數(shù)字信號應(yīng)遠(yuǎn)離模擬信號。 ● 基準(zhǔn)芯片ADR433應(yīng)盡量接近AD5542，加粗其輸出與AD5542的REF引腳之間的連線，并在此連線上增加旁路電容，以減小ADR433的輸出噪聲對D/A輸出精度的影響。 測試結(jié)果 本電路輸出電流是雙極性的，通過設(shè)置固定的幾個(gè)碼值，用Agilent34401高精度6位半萬用表，上電后1小時(shí)后測試，測得的數(shù)據(jù)如表1所示，輸出電流與碼值之間的線性關(guān)系如圖4所示。
經(jīng)計(jì)算其穩(wěn)定度為8.0e - 6，分辨率為1.5e - 5。 結(jié)語 此設(shè)計(jì)的高精度數(shù)控雙極性恒流源，分辨率、精度和穩(wěn)定度都很好，且易于上位機(jī)軟件進(jìn)行控制，很適合用于工控領(lǐng)域的高精度測量系統(tǒng)。 參考文獻(xiàn)： [1] 際凱盎.恒流源及其應(yīng)用電路[M].杭州：浙江科學(xué)技術(shù)出版社,1992 [2] 王琦, 王君. 精密程控電流源的設(shè)計(jì)及其應(yīng)用[J]. 國外電子元器件, 2005(10)：30-34 [3] 童詩白. 模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)[M]. 北京：高等教育出版社，1995 [4] 趙保經(jīng). A/D和D/A轉(zhuǎn)換器應(yīng)用手冊[M]. 上海：上海科學(xué)普及出版社，1995 [5] 楊振江, 蔡德芳. 新型集成電路使用指南與典型應(yīng)用[M].西安：西安電子科技大學(xué)出版社, 2000 作者：莊小利 北京康拓科技開發(fā)總公司 張曉琦 電信科學(xué)技術(shù)第十研究所 莊福利 新鄉(xiāng)市華星儀表儀器有限公司 時(shí)間：2010-04-19 |
