基于DAC75112的數(shù)控直流恒流源設計

恒流源是一種能向負載提供恒定電流的電源裝置，在外界電網(wǎng)電源產(chǎn)生波動和阻抗特性發(fā)生變化時它仍能使輸出電流保持恒定，廣泛應用于計量、半導體器件性能測試、傳感器、穩(wěn)定磁場的產(chǎn)生等領域。
儀器儀表的自動化、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體技術，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，研制一種由計算機數(shù)字化控制，高精度的恒流源系統(tǒng)是十分必要的。傳統(tǒng)恒流源已遠遠不能滿足目前設備要求，而以單片機技術為基礎實現(xiàn)的程控化、智能化的數(shù)字恒流源，功能上更強大，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)設計方案，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0．024 4 mA。該設計已在旋翼轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)放大器測試系統(tǒng)中得到應用。

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帶有一個時鐘達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，因而具有很寬的動態(tài)輸出范圍，此外，DAC7512數(shù)模轉(zhuǎn)換器還具有3種關斷工作模式。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備的理想器件。DAC7512的主要特點如下：
1)微功耗，5 V時的工作電流消耗為135 μA(DAC7512)；
2)掉電模式時，采用5 V電源供電，其電流消耗為135 nA；而采用3 V供電時，其電流消耗僅為50 nA；
3)供電電壓范圍為+2．7～+5．5 V；
4)上電輸出復位后輸出為0 V；
5)具有3種關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中斷保護機制。
圖1為DAC7512的寫操作時序，其引腳功能描述如表1所列。

2 數(shù)控恒流源系統(tǒng)硬件設計
2．1 系統(tǒng)設計原理
整個數(shù)控恒流源系統(tǒng)由計算機、AT89C51單片機、DAC7512、差動放大模塊、電壓，電流轉(zhuǎn)換電路和功率驅(qū)動電路組成。采用AT89C51單片機為控制芯片實現(xiàn)數(shù)控恒流源系統(tǒng)的各項功能。測試系統(tǒng)需要相應電流輸出時，計算機經(jīng)MAX232通信接口發(fā)送電流控制字(12位的數(shù)字量)給單片機系統(tǒng)，單片機系統(tǒng)將電流控制字經(jīng)模擬SPI通信接口，寫入DAC7512數(shù)膜轉(zhuǎn)換器，控制其輸出相應的電壓量，然后經(jīng)高輸入阻抗的差動電路、電壓，電流轉(zhuǎn)換電路和功率驅(qū)動電路，最終輸出需要的恒定電流。數(shù)控恒流源實現(xiàn)原理如圖2所示：

2．2 系統(tǒng)硬件設計
硬件系統(tǒng)設計主要分為電壓輸出模塊、電壓／電流轉(zhuǎn)換模塊、基準電壓發(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零基準電壓比較，差動輸入到運放U1C(LM224)中，運放U1C輸出+0．5～-0．5 V之間變化的電壓Vo。運放U1C組成的差動縮放電路：