基于12位D/A转换器实现数控直流电流源的设计

    引言

　　电流源是一种能向负载提供恒定电流的电路，它既可以为各种放大电路提供偏流以稳定其静态工作点，又可以作为其有源负载以提高放大倍数，在差动放大电路，脉冲产生电路中得到了广泛应用。2005年全国大学生电子设计竞赛的F题就是数控直流电流源设计。

　　设计题目要求设计并制作数控直流电流源，输入交流为200V－240V，50Hz，输出电流电压≤10V，具体技术指标如下：

　　输出电流范围：20mA－2000mA，步进1mA；

　　可设置并显示输出电流给定值，要求输出电流与给定值偏差的  ≤给定值的0.1％＋1mA，可显示电流的实测值，要求测量误差的  ≤测量值的0.1％＋3个字。

　　改变负载电阻，输出电压在10V以内变化时，要求输出电流变化的  ≤输出电流值的0.1％＋1mA；

　　纹波电流≤0.2mA。

　　根据上述设计要求，实现电流调节范围20mA－2000mA（输出电流电压≤10V），并顾及器件极限功耗的局限，电流源采用TIP122型普通功率放大器和OP07型达林顿管相结合的方案，间接控制电流大小，其主回路电路如图1所示。

　　基于12位D/A转换器实现数控直流电流源的设计

　　图1中负载端的  电压值（10V）决定了负载的  电阻值（5Ω），它又决定了电流源工作电源的  电压值及所用功率器件的极限电压参数。后级R0为采样电阻器，选用大功率的康铜电阻丝自行绕制而成，阻值为5.00Ω，RL为负载电阻器（0Ω－5Ω），选用大功率滑线变阻器，由此可知负载电流IL≈VIN/R0，与RL无关，当VIN恒定不变时，改变采样电阻R0的阻值大小，可改变IL的恒定值，OP07输出端接TIP122的基极，由于基极的电流很小，电流极限和功耗极限都满足，同时TIP122能满足5A大电流的要求，电流调整率小且稳定。

　　由于输出电流调整采用步进方式，其电流调整率≤1‰，即1mA（输出电流电压≤10V）的指标，经计算，12位D/A转换器的转换  达0.0024V，满足系统要求的  ，笔者采用DAC1201KP－V型12位D/A转换器作为电流输出控制的转换  。

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　　－V是美国TI公司推出的12位D/A转换器，其引脚排列如图3所示。

　　－V采用28引脚DIP封装，逻辑部分采用5V单电源供电，内部含有内部参考，±10V输出运算放大器等电路，具有适合4位、8位、12位和16位总线的微处理器接口逻辑，外围电路少，接口方便，  稳定时间只有7μs，对缩短系统开发周期，增强系统可靠性极为有利。

　　－V由稳定的壳体表面的参考齐纳二极管、激光调整薄膜梯形电阻和高速电流开关组成的转换器在0℃－70℃范围内可提供  的转换性能。模拟输出范围是0V－＋10V、±5V和±10V。

　　当输出电压VOUT1＝0－＋10V时，数字输入量D为无符号二进制码，计算公式为：

　　＝（VFSD/4096）（1）

　　上式中，VOUT是输出模拟量，VFS是满量程，D是待转换的数字量，其中1LSB＝VFS/4096＝2.44mV。

　　当输出电压在双极性VOUT＝－5V－＋5V或VOUT＝－10V－＋10V之间时，其输入数字量D与输出模拟电压VOUT之间的关系如下：

　　（VFSD/2048－VFS）/2＝VOUT（2）

　　上式中的定义与单极性输入公式相同。

　　如果单极性输出从0.0000V变到＋9.9976V，数字量的变化为4095，分辨率为9.9976V/4095＝2.44mV，若双极性输出从－5.0000V变到＋4.9976V，分辨率为9.9976V/4095＝2.44mV；双极性输出从－10.0000V变到＋9.9976V，分辨率为19.9951V/4095＝4.88mV。

　　－V的引脚可分为3类。

　　电源类：逻辑电源VDD接5V电源；数字地DCOM和模拟地ACOM通常共地；＋VCC为模拟电源输入＋15V或＋12V，－VCC为模拟电源输入－15V或－12V，REFOUT6.3V为参考源输出。

　　模/数信号类：VOUT为模拟信号输出端，D0－D11为数字并行口。

　　控制信号类：WR写，加载锁存命令信号（与对应锁存信号配合使用）；NA半字节A，与WR配合允许加载输入锁存器A（  有效半字节）；NB半字节B，与WR配合允许加载输入锁存器B。NC半字节C，与WR配合允许加载输入锁存器C（  有效半字节）。上述4个控制信号组成D/A转换器的  级缓冲即输入锁存。将12位数据暂存在A、B、C3个4位寄存器中，且这3个寄存器采用单独寻址方式，保证不产生虚假的模拟输出值。LDAC加载D/A锁存器，与WR配合允许加载D/A锁存器。WR和LDAC信号组成D/A转换器的第二级缓冲，当12位数据加载入D/A锁存器后即启动D/A转换，所有锁存器真值如表1所示。

　　基于12位D/A转换器实现数控直流电流源的设计

　　接外部增益调整，SJ是输出放大器求和端。10VRANGA10V输出时接VOUT。BPO是双极性偏置（双极性工作时接VOUT）。

　　启动D/A转换的时序分析

　　－V启动转换分2次写入时序，如图2所示。

　　：WR脉冲宽度，50ns（min）；

　　：NX和LDAC有效到WR结束；50ns（min）；

　　：数据有效到结束，80ns（min）；

　　：数据有效保持时间，0ns（min）；

　　由时序可见，DAC1201KP－V的双缓冲方式决定了其与微处理器的时序操作非常灵活。

　　接口电路

　　的基本连接如图3所示。

　　退耦处理：为了得到  的性能和噪声抑制，可按图3所示增加电源退耦电容器（1μf－10μF钽电容器），应紧靠DAC1201KP－V。

　　模拟地与数字地处理，为了实现允许低噪声和高速性能的  连接，DAC1201KP－V的ACOM和DCOM应连接在一个点上，若连接正确，这种连接将会使低电平信号通路中的电流减到  ，ACOM和DCOM之间的高频噪声可以通过模拟输出被耦合，因此，在应用这些公共连接点时，需要格外小心。

　　外部失调和增益调整：腾3中的W1是失调调整；W2是增益调整。

　　输出范围及连接如表2所示。

　　在上述竞赛题目“数控直流电流源”的设计和制作过程中，被控电流源要求0V-＋10V的控制信号，DAC1201的信号输出范围选择0V－＋10V连接方式，经OP07型运算放大器控制TIP122形成宽带压控电流源。

　　与AT89C51的接口电路如图4所示，图中，DAC1201的  级缓冲通过3条高位地址线A14（NA）、A13（NB）、A12（NC）配合WR信号控制高、中、低3个半字节加载输入锁存；第二级缓冲通过A8（LDAC）配合WR信号控制加载DAC寄存器后启动转换。

　　程序设计

　　下面根据图4所示的硬件结构介绍DAC1201KP－V转换软件的实现方法，单片机晶体振荡器的频率为6.000MHz，入口条件是待转换的数据高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。占用资源是A、R0、DAH和DAL、DAOUT连续的3个单元。

　　汇编语言程序如下：

　　结束语

　　－V的分辨率高、转换速度快、接口方便、电路简单、应用灵活，因而具有广泛的应用前景，在指导2005年全国大学生电子设计竞赛的F题“数控直流电流源设计”中利用该电路按图4所示的接线方式取得了很好的控制效果，满足了设计指标的要求。