|
1 引言 電流源是一種能向負載提供恒定電流的電路，它既可以為各種放大電路提供偏流以穩定其靜態工作點，又可以作為其有源負載以提高放大倍數，在差動放大電路，脈沖產生電路中得到了廣泛應用。2005年全國大學生電子設計競賽的F題就是數控直流電流源設計。 設計題目要求設計并制作數控直流電流源，輸入交流為200V－240V，50Hz，輸出電流電壓≤10V，具體技術指標如下： 輸出電流范圍：20mA－2000mA，步進1mA； 可設置并顯示輸出電流給定值，要求輸出電流與給定值偏差的絕對值≤給定值的0.1％＋1mA，可顯示電流的實測值，要求測量誤差的絕對值≤測量值的0.1％＋3個字。 改變負載電阻，輸出電壓在10V以內變化時，要求輸出電流變化的絕對值≤輸出電流值的0.1％＋1mA； 紋波電流≤0.2mA。 根據上述設計要求，實現電流調節范圍20mA－2000mA（輸出電流電壓≤10V），并顧及器件極限功耗的局限，電流源采用TIP122型普通功率放大器和OP07型達林頓管相結合的方案，間接控制電流大小，其主回路電路如圖1所示。 圖1中負載端的最高電壓值（10V）決定了負載的最大電阻值（5Ω），它又決定了電流源工作電源的最低電壓值及所用功率器件的極限電壓參數。后級R0為采樣電阻器，選用大功率的康銅電阻絲自行繞制而成，阻值為5.00Ω，RL為負載電阻器（0Ω－5Ω），選用大功率滑線變阻器，由此可知負載電流IL≈VIN/R0，與RL無關，當VIN恒定不變時，改變采樣電阻R0的阻值大小，可改變IL的恒定值，OP07輸出端接TIP122的基極，由于基極的電流很小，電流極限和功耗極限都滿足，同時TIP122能滿足5A大電流的要求，電流調整率小且穩定。 由于輸出電流調整采用步進方式，其電流調整率≤1‰，即1mA（輸出電流電壓≤10V）的指標，經計算，12位D/A轉換器的轉換精度達0.0024V，滿足系統要求的精度，筆者采用DAC1201KP－V型12位D/A轉換器作為電流輸出控制的轉換核心。 2 DAC1201KP－V DAC1201KP－V是美國TI公司推出的12位D/A轉換器，其引腳排列如圖3所示。 DAC1201KP－V采用28引腳DIP封裝，邏輯部分采用5V單電源供電，內部含有內部參考，±10V輸出運算放大器等電路，具有適合4位、8位、12位和16位總線的微處理器接口邏輯， 外圍電路少，接口方便，最大穩定時間只有7μs，對縮短系統開發周期，增強系統可靠性極為有利。 DAC1201KP－V由穩定的殼體表面的參考齊納二極管、激光調整薄膜梯形電阻和高速電流開關組成的轉換器在0℃－70℃范圍內可提供極佳的轉換性能。模擬輸出范圍是0V－＋10V、±5V和±10V。 當輸出電壓VOUT1＝0－＋10V時，數字輸入量D為無符號二進制碼，計算公式為： VOUT＝（VFSD/4096） （1） 上式中，VOUT是輸出模擬量，VFS是滿量程，D是待轉換的數字量，其中1LSB＝VFS/4096＝2.44mV。 當輸出電壓在雙極性VOUT＝－5V－＋5V或VOUT＝－10V－＋10V之間時，其輸入數字量D與輸出模擬電壓VOUT之間的關系如下： （VFSD/2048－VFS）/2＝VOUT （2） 上式中的定義與單極性輸入公式相同。 如果單極性輸出從0.0000V變到＋9.9976V，數字量的變化為4095，分辨率為9.9976V/4095＝2.44mV，若雙極性輸出從－5.0000V變到＋4.9976V，分辨率為9.9976V/4095＝2.44mV；雙極性輸出從－10.0000V變到＋9.9976V，分辨率為19.9951V/4095＝4.88mV。 DAC1201KP－V的引腳可分為3類。 電源類：邏輯電源VDD接5V電源；數字地DCOM和模擬地ACOM通常共地；＋VCC為模擬電源輸入＋15V或＋12V，－VCC為模擬電源輸入－15V或－12V，REF OUT 6.3V為參考源輸出。 模/數信號類：VOUT為模擬信號輸出端，D0－D11為數字并行口。 控制信號類：WR寫，加載鎖存命令信號（與對應鎖存信號配合使用）；NA半字節A，與WR配合允許加載輸入鎖存器A（最高有效半字節）；NB半字節B，與WR配合允許加載輸入鎖存器B。NC半字節C，與WR配合允許加載輸入鎖存器C（最低有效半字節）。上述4個控制信號組成D/A轉換器的第一級緩沖即輸入鎖存。將12位數據暫存在A、B、C3個4位寄存器中，且這3個寄存器采用單獨尋址方式，保證不產生虛假的模擬輸出值。LDAC加載D/A鎖存器，與WR配合允許加載D/A鎖存器。WR和LDAC信號組成D/A轉換器的第二級緩沖，當12位數據加載入D/A鎖存器后即啟動D/A轉換，所有鎖存器真值如表1所示。 GAIN ADJ接外部增益調整，SJ是輸出放大器求和端。10V RANGA 10V輸出時接VOUT。BPO是雙極性偏置（雙極性工作時接VOUT）。 3 啟動D/A轉換的時序分析 DAC1201KP－V啟動轉換分2次寫入時序，如圖2所示。 tWP：WR脈沖寬度，50ns（min）； tAW1：NX和LDAC有效到WR結束；50ns（min）； tDW：數據有效到結束，80ns（min）； tDH：數據有效保持時間，0ns（min）； 由時序可見，DAC1201KP－V的雙緩沖方式決定了其與微處理器的時序操作非常靈活。 4 接口電路 DAC1201的基本連接如圖3所示。 退耦處理：為了得到最佳的性能和噪聲抑制，可按圖3所示增加電源退耦電容器（1μf－10μF鉭電容器），應緊靠DAC1201KP－V。 模擬地與數字地處理，為了實現允許低噪聲和高速性能的最佳連接，DAC1201KP－V的ACOM和DCOM應連接在一個點上，若連接正確，這種連接將會使低電平信號通路中的電流減到最小，ACOM和DCOM之間的高頻噪聲可以通過模擬輸出被耦合，因此，在應用這些公共連接點時，需要格外小心。 外部失調和增益調整：騰3中的W1是失調調整；W2是增益調整。 輸出范圍及連接如表2所示。 在上述競賽題目"數控直流電流源"的設計和制作過程中，被控電流源要求0V-＋10V的控制信號，DAC1201的信號輸出范圍選擇0V－＋10V連接方式，經OP07型運算放大器控制TIP122形成寬帶壓控電流源。 DAC1201與AT89C51的接口電路如圖4所示，圖中，DAC1201的第一級緩沖通過3條高位地址線A14（NA）、A13（NB）、A12（NC）配合WR信號控制高、中、低3個半字節加載輸入鎖存；第二級緩沖通過A8（LDAC）配合WR信號控制加載DAC寄存器后啟動轉換。 5 程序設計 下面根據圖4所示的硬件結構介紹DAC1201KP－V轉換軟件的實現方法，單片機晶體振蕩器的 頻率為6.000MHz，入口條件是待轉換的數據高8位存于DAH中，低4位在DAL中的高4位，NA地址是BF00H，NB地址是DF00H，NC地址是FF00H，LDAC地址是FE00H。占用資源是A、R0、DAH和DAL、DAOUT連續的3個單元。 匯編語言程序如下： 6 結束語 DAC1201KP－V的分辨率高、轉換速度快、接口方便、電路簡單、應用靈活，因而具有廣泛的應用前景，筆者在指導2005年全國大學生電子設計競賽的F題"數控直流電流源設計"中利用該電路按圖4所示的接線方式取得了很好的控制效果，滿足了設計指標的要求。 |
