基于DAC7512的數(shù)控直流恒流源設(shè)計(jì)

宋亮，張帥，鄧貴亮

（海軍裝備部陜西西安710043）

恒流源是一種能向負(fù)載提供恒定電流的電源裝置，在外界電網(wǎng)電源產(chǎn)生波動(dòng)和阻抗特性發(fā)生變化時(shí)它仍能使輸出電流保持恒定[1]，廣泛應(yīng)用于計(jì)量、半導(dǎo)體器件性能測試、傳感器、穩(wěn)定磁場的產(chǎn)生等領(lǐng)域[2]。

儀器儀表的自動(dòng)化、智能化成為今后發(fā)展趨勢。傳統(tǒng)恒流源由鎮(zhèn)流器、晶體管以及后來的半導(dǎo)體技術(shù)，輸出電流調(diào)節(jié)缺乏靈活性。根據(jù)不同系統(tǒng)對恒定電流信號的不同需求，人們希望輸出電流信號的幅值可調(diào)，且分辨率高、工作穩(wěn)定。在旋翼轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)放大器測試系統(tǒng)中，磁放大器性能測試環(huán)節(jié)需要精度高，變化范圍廣的恒定電流輸入。因此，研制一種由計(jì)算機(jī)數(shù)字化控制，高精度的恒流源系統(tǒng)是十分必要的。傳統(tǒng)恒流源已遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足目前設(shè)備要求，而以單片機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ)實(shí)現(xiàn)的程控化、智能化的數(shù)字恒流源，功能上更強(qiáng)大，操作更簡潔，能滿足不同場合的需求。為此，這里提出一種基于DAC7512的數(shù)控直流恒流源系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，其輸出電流調(diào)節(jié)范圍為-45～+45 mA、精度為±0.1 mA，分辨率達(dá)0.024 4 mA。該設(shè)計(jì)已在旋翼轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)放大器測試系統(tǒng)中得到應(yīng)用。

1 DAC7512簡介

DAC7512是TI公司生產(chǎn)的具有內(nèi)置緩沖放大器的低功耗單片12位數(shù)模轉(zhuǎn)換器，其片內(nèi)高精度的輸出放大器可獲得滿幅（供電電源電壓與地電壓間）任意輸出。DAC7512帶有一個(gè)時(shí)鐘達(dá)30 MHz的通用三線串行接口，因而可接入高速DSP。其接口與SPI、QSPI及DSP接口兼容，因而可與多種系列單片機(jī)直接連接而無需任何其他接口電路。由于DAC7512串行數(shù)模轉(zhuǎn)換器可選擇供電電源作為參考電壓，因而具有很寬的動(dòng)態(tài)輸出范圍，此外，DAC7512數(shù)模轉(zhuǎn)換器還具有3種關(guān)斷工作模式。正常工作狀態(tài)下，DAC7512在5 V電壓下的功耗僅為0.7 W，而省電狀態(tài)下的功耗為1 μW。因此，低功耗的DAC7512無疑是便攜式電池供電設(shè)備的理想器件[3]。DAC7512的主要特點(diǎn)如下：

1）微功耗，5 V時(shí)的工作電流消耗為135 μA（DAC7512）；

2）掉電模式時(shí)，采用5 V電源供電，其電流消耗為135 nA；而采用3 V供電時(shí)，其電流消耗僅為50 nA；

3）供電電壓范圍為+2.7～+5.5 V；

4）上電輸出復(fù)位后輸出為0 V；

5）具有3種關(guān)斷工作模式可供選擇，5 V電壓下的功耗僅為0.7 mW；

6）帶有低功耗施密特輸入串行接口；

7）內(nèi)置滿幅輸出的緩沖放大器；

8）具有SYNC中斷保護(hù)機(jī)制。

圖1為DAC7512的寫操作時(shí)序，其引腳功能描述如表1所列。

圖1 DAC7512的寫操作時(shí)序Fig.1 Write operation timing of DAC7512

表1 DAC7512的引腳定義Tab.1 Pin definition of DAC7512

2 數(shù)控恒流源系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理

整個(gè)數(shù)控恒流源系統(tǒng)由計(jì)算機(jī)、AT89C51單片機(jī)、DAC7512、差動(dòng)放大模塊、電壓/電流轉(zhuǎn)換電路和功率驅(qū)動(dòng)電路組成。采用AT89C51單片機(jī)為控制芯片實(shí)現(xiàn)數(shù)控恒流源系統(tǒng)的各項(xiàng)功能。測試系統(tǒng)需要相應(yīng)電流輸出時(shí)，計(jì)算機(jī)經(jīng)MAX232通信接口發(fā)送電流控制字（12位的數(shù)字量）給單片機(jī)系統(tǒng)，單片機(jī)系統(tǒng)將電流控制字經(jīng)模擬SPI通信接口，寫入DAC7512數(shù)/模轉(zhuǎn)換器，控制其輸出相應(yīng)的電壓量，然后經(jīng)高輸入阻抗的差動(dòng)電路、電壓/電流轉(zhuǎn)換電路和功率驅(qū)動(dòng)電路，最終輸出需要的恒定電流。數(shù)控恒流源實(shí)現(xiàn)原理如圖2所示：

圖2 數(shù)控恒流源系統(tǒng)原理圖Fig.2 Principle diagram of numerical control constant current source

2.2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)主要分為電壓輸出模塊、電壓/電流轉(zhuǎn)換模塊、基準(zhǔn)電壓發(fā)生模塊和通信模塊4部分。系統(tǒng)硬件電路原理如圖3所示。

2.2.1 電 壓輸出模塊

單片機(jī)通過SPI通信接口將電流控制字寫入DAC7512后，DAC7512的輸出端VOUT（圖1中為DAC1）輸出一個(gè)范圍在0～5 V之間的模擬電壓。模擬電壓通過與2.5 V零基準(zhǔn)電壓比較，差動(dòng)輸入到運(yùn)放U1C（LM224）中，運(yùn)放U1C輸出+0.5～-0.5 V之間變化的電壓Vo。運(yùn)放U1C組成的差動(dòng)縮放電路：

當(dāng)Vi=5 V時(shí)，Vo=0.5 V；當(dāng)Vi=0 V時(shí)，Vo=-0.5 V。電流控制字K的計(jì)算公式理論推導(dǎo)如下：

圖3 數(shù)字恒流源電路原理圖Fig.3 Principle circuit diagram of digital constant current sourcecircuit

則電流控制字

設(shè)定恒流源輸出為I=10 mA時(shí)，代入式（5）得到電流控制字K=2 064。

該電路初始化時(shí)發(fā)送電流控制字K=2 048，實(shí)現(xiàn)零電流輸出。另外，實(shí)際電路中由于選用電阻本身的誤差和運(yùn)放輸入失調(diào)、溫漂等問題的存在，上述計(jì)算公式的零位和線性系數(shù)會(huì)稍有偏差，可以通過標(biāo)定得到準(zhǔn)確的系數(shù)和零位。

2.2.2 電 壓/電流轉(zhuǎn)換模塊

由電壓發(fā)生模塊產(chǎn)生的+0.5～-0.5 V之間變化的電壓，經(jīng)運(yùn)放U1D（LM224）的正向輸入端接入電壓/電流轉(zhuǎn)換模塊。該模塊采用運(yùn)放U1D組成的串聯(lián)電流負(fù)反饋電路[4]，實(shí)現(xiàn)V/I轉(zhuǎn)換。其轉(zhuǎn)換電路的輸出電流大小由正端輸入電壓和負(fù)端與地間電阻確定。根據(jù)運(yùn)放的“虛短”原理，運(yùn)放U1D的正向輸入端U12和反向輸入端電壓相等，再由“虛斷”原理，正反向輸入端之間沒有電流通過，流經(jīng)反向輸入端和地之間電阻上的電流全部來自運(yùn)放輸出端經(jīng)負(fù)載反饋的電流。因此，反向接地電阻和正向電壓的大小共同決定了流經(jīng)負(fù)載電流的大小，正向電壓不變則流經(jīng)負(fù)載的電流不變，即實(shí)現(xiàn)了恒定電流輸出。計(jì)算輸出電流：

IOUT=V12/10（6）

根據(jù)式（6）可計(jì)算得恒定電流輸出范圍為-50～+50 mA。

由于運(yùn)放輸出功率有限，在負(fù)載超過其輸出功率時(shí)，運(yùn)放的輸出電流會(huì)相應(yīng)的發(fā)生變化。因此，電路中為了提高恒流源的輸出精度，采用多個(gè)運(yùn)放輸出并聯(lián)的方法增大輸出功率，并聯(lián)運(yùn)放輸出端電阻R25等用于消除輸入失調(diào)電壓的影響。多運(yùn)放并聯(lián)接法如圖4所示。

圖4 驅(qū)動(dòng)電路原理圖Fig.4 Schematic diagram of drivercircuit

2.2.3 基 準(zhǔn)電壓發(fā)生模塊

DAC7512輸出0～5 V之間的模擬電壓需要有高精度的基準(zhǔn)電壓才能保證輸出電壓的準(zhǔn)確性。由于電路中DAC7512參考電壓需要選用5 V，故采用LM336產(chǎn)生高精度的5 V基準(zhǔn)電壓，以保證輸出信號的穩(wěn)定性和精度[5]。

LM336是一個(gè)穩(wěn)壓二極管，它具有以下特點(diǎn)：穩(wěn)壓范圍可調(diào)節(jié)、低溫度系數(shù)、大范圍的工作電流為600 μA～10 mA、0.6 Ω的動(dòng)態(tài)電阻、±1%的初始化誤差等。本系統(tǒng)中利用LM336產(chǎn)生控制精度比較高的5 V工作電壓（比一般的7805控制精度要高），作為A/D轉(zhuǎn)換器電源電壓VCC和基準(zhǔn)電壓Vref，這樣可以提高輸出電壓精度，有效減少系統(tǒng)誤差的產(chǎn)生[6]。其典型應(yīng)用原理如圖5所示。5 kΩ的電阻為限流

電阻限制LM336的工作電流。

圖5 LM336的典型應(yīng)用圖Fig.5 Typical application diagram of LM336

在產(chǎn)生負(fù)電流時(shí)，DAC7512輸出0～5 V之間的模擬電壓，不能產(chǎn)生負(fù)電壓，需要和2.5 V的電壓進(jìn)行比較輸出負(fù)電壓。本系統(tǒng)中，2.5 V電壓是由2個(gè)相同電阻分壓得到。為了防止接入運(yùn)放反向輸入端時(shí)對分壓電阻阻抗匹配的現(xiàn)象發(fā)生，將2.5 V電壓接入高阻抗跟隨器電路，這樣對分壓電阻影響小，2.5 V電壓輸出穩(wěn)定。

2.2.4 通 信模塊

PC機(jī)的串行通信接口采用的是EIA RS-232E標(biāo)準(zhǔn)串行通信協(xié)議，用于實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)與計(jì)算機(jī)之間、計(jì)算機(jī)與外設(shè)之間的數(shù)據(jù)通信。該信號源模塊傳輸距離小于1.5 m，我們選用的通信波特率為28 800 b/s。在硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，AT89C51單片機(jī)與DAC7512通信端口外加上拉電阻保證通信可靠。

89C51單片機(jī)串行通信接口采用的是TTL電平，TTL電平規(guī)定0～0.8 V為“0”電平，2～5 V為“1”電平，它不能直接與PC機(jī)標(biāo)準(zhǔn)串行通信接口連接通信，必須設(shè)計(jì)TTL電平到RS232協(xié)議電平信號的轉(zhuǎn)換電路。MAX232是一種把TTL電平轉(zhuǎn)換為RS232電平的芯片，輸出電平協(xié)議-3～-25 V為“0”，+3～+25 V為“1”。MAX232與PC和89C51的接口電路如圖6所示。

圖6 MAX232接口電路圖Fig.6 Interface circuit of MAX232

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)中，單片機(jī)程序由3個(gè)模塊組成，分別是初始化模塊，串口通信模塊及SPI通信模塊。初始化模塊完成串口通信參數(shù)以及其他參數(shù)的設(shè)置。串口通信模塊完成與上位機(jī)通信過程中數(shù)據(jù)的判別和接收。SPI通信模塊完成對DAC7512的數(shù)據(jù)寫入。

系統(tǒng)復(fù)位后，單片機(jī)先進(jìn)行各參數(shù)（如串口通信波特率）初始化設(shè)置及清空看門狗，繼而判斷是否有通信事件發(fā)生，沒有通信發(fā)生或通信命令錯(cuò)誤則返回清空看門狗。如果有正確通信事件發(fā)生，則將通信命令中的電流控制字經(jīng)SPI通信模式寫入DAC7512，更新控制發(fā)生電流大小。單片機(jī)程序流程如圖7所示。

圖7 單片機(jī)程序流程圖Fig.7 Flow chart of SCM program

由于采用的AT89S51單片機(jī)本身不帶有SPI總線接口，因此為了和DAC7512進(jìn)行通信，本系統(tǒng)利用單片機(jī)普通I/O口和其SPI接口相連，采用軟件來實(shí)現(xiàn)SPI總線協(xié)議下的數(shù)據(jù)通信，這樣單片機(jī)就可以經(jīng)過SPI串行總線將電流控制字（12位的數(shù)字量）寫入DAC7512。根據(jù)DAC7512的SPI通信時(shí)序圖，用匯編語言編寫單片機(jī)系統(tǒng)模擬SPI通信程序如下：

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

在進(jìn)行電流源性能測試時(shí)，用萬用表作為實(shí)際電流的測量儀器。通過上位機(jī)設(shè)定特定電流值，控制恒流源模塊產(chǎn)生設(shè)定電流。再通過萬用表串聯(lián)接入電路測得實(shí)際電流值，從而可以進(jìn)行設(shè)定電流和實(shí)測電流的對比試驗(yàn)。電流和實(shí)測電流的對比結(jié)果如表2所示。

表2 性能測試對比Tab.2 Test result of performance testingmA

經(jīng)表2分析可知恒流源模塊可以在-45～+45 mA連續(xù)變化，實(shí)際誤差小于0.5%。另外通過不同負(fù)載下的性能試驗(yàn)，表明負(fù)載電阻在0～100 Ω變化輸出電流變化小于0.05%，分辨率僅為0.024 4 mA，滿足了磁放大器性能測試的需要。

5 結(jié)論

本系統(tǒng)產(chǎn)生的恒定電流可在-45～+45 mA連續(xù)變化，分辨率為0.024 4 mA，實(shí)際誤差小于0.5%，電路簡單，應(yīng)用靈活、精度高。系統(tǒng)各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)均達(dá)到設(shè)計(jì)要求，工作可靠，并已投入使用，有較高的使用價(jià)值。另外系統(tǒng)采用普通I/O口實(shí)現(xiàn)模擬SPI通信方式下的數(shù)據(jù)傳輸，該通信設(shè)計(jì)有助于直觀理解SPI通信過程，使不具備SPI接口的控制芯片同樣可以和外圍芯片進(jìn)行SPI通信，對過程監(jiān)控、數(shù)據(jù)采集等系統(tǒng)的開發(fā)具有借鑒意義。

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