DAC1201KP-V在高精度數(shù)控直流電流源中的應(yīng)用

1 引言
電流源是一種能向負(fù)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(wěn)定其靜態(tài)工作點(diǎn)，又可以作為其有源負(fù)載以提高放大倍數(shù)，在差動(dòng)放大電路、脈沖產(chǎn)生電路中得到了廣泛應(yīng)用。2005年全國(guó)大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽的F題就是數(shù)控直流電流源設(shè)計(jì)。
設(shè)計(jì)題目要求設(shè)計(jì)并制作數(shù)控直流電流源。輸入交流為200 V~240 V，50 Hz，輸出直流電壓≤10V。具體技術(shù)指標(biāo)如下：
●輸出電流范圍：20 mA～2000 mA，步進(jìn)l mA；
●可設(shè)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(duì)值≤給定值的O.1％+l mA，可顯示電流的實(shí)測(cè)值，要求測(cè)量誤差的絕對(duì)值≤測(cè)量值的0.1％+3個(gè)字；
●改變負(fù)載電阻，輸出電壓在10 V以?xún)?nèi)變化時(shí)，要求輸出電流變化的絕對(duì)值≤輸出電流值的0.1％+1mA；
●紋波電流≤0.2 mA。
根據(jù)上述設(shè)計(jì)要求，實(shí)現(xiàn)電流調(diào)節(jié)范圍為20mA～2000 mA(輸出直流電壓≤10 V)，并顧及器件極限功耗的局限，電流源采用TIPl22型普通功率放大器和OP07型達(dá)林頓管相結(jié)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(fù)載端的最高電壓值(10 V)決定了負(fù)載的最大電阻值(5 Ω)，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(shù)。后級(jí)Ro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5.00 Ω。RL為負(fù)載電阻器(0Ω～5Ω)，選用大功率滑線變阻器。由此可知負(fù)載電流IL≈VIN/Ro，與RL無(wú)關(guān)。當(dāng)VIN恒定不變時(shí)，改變采樣電阻Ro的阻值大小，可改變IL的恒定值。0P07輸出端接TIPl22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(shí)TIP122能滿足5 A大電流的要求，電流調(diào)整率小且穩(wěn)定。由于輸出電流調(diào)整采用步進(jìn)方式，其電流調(diào)整率≤l％，即lmA(輸出直流電壓≤10 V)的指標(biāo)，經(jīng)計(jì)算，12位D/A轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換精度達(dá)0.0024 V，滿足系統(tǒng)要求的精度。筆者采用DAC1201KP-V型12位D/A轉(zhuǎn)換器作為電流輸出控制的轉(zhuǎn)換核心。

2 DACl201KP-V
DACl201KP-V是美國(guó)TI公司推出的12位D/A轉(zhuǎn)換器，其引腳排列如圖3中所示。

DACl201KP-V采用28引腳DlP封裝，邏輯部分采用5 V單電源供電，內(nèi)部含有內(nèi)部參考源、10V輸出運(yùn)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(wěn)定時(shí)間只有7μs，對(duì)縮短系統(tǒng)開(kāi)發(fā)周期，增強(qiáng)系統(tǒng)可靠性極為有利。
DACl201KP-V由穩(wěn)定的殼體表面的參考齊納二極管、激光調(diào)整薄膜梯形電阻和高速電流開(kāi)關(guān)組成的轉(zhuǎn)換器在0℃~70℃范圍內(nèi)可提供極佳的轉(zhuǎn)換性能。模擬輸出范圍是0 V~+10 V、5 V和10 V。
當(dāng)輸出電壓VOUT=0~10 V時(shí)。數(shù)字輸入量D為無(wú)符號(hào)二進(jìn)制碼，計(jì)算公式為：

上式中，VOUT是輸出模擬量，VFS是滿量程，D是待轉(zhuǎn)換的數(shù)字量。其中，lLSB=VFS/4 096=2.44 mV。
當(dāng)輸出電壓在雙極性VOUT=-5V～+5V或VOUT=-10 V~+lO V之間時(shí)，其輸入數(shù)字量D與輸出模擬電壓VOUT之間的關(guān)系如下：

上式中的定義與單極性輸入公式相同。
如果單極性輸出從O.0000 V變到+9.9976 V，數(shù)字量的變化為4 095，分辨率為9.9976 V/4 095=2.44 mV。若雙極性輸出從-5.0000 V變到+4.9976V，分辨率為9.9976 V/4095=2.44 mV；雙極性輸出從-10.0000 V變到+9.9976 V，分辨率為19.9951 V/4 095=4.88 mV。
DACl201KP-V的引腳可分為3類(lèi)。
電源類(lèi)：邏輯電源VDD接5 V電源；數(shù)字地DCOM和模擬地ACOM通常共地；+VCC為模擬電源輸入+15 V或+12 V；一VCC為模擬電源輸入-15 V或-12V。REFOUT 6.3 V為參考源輸出。
模/數(shù)信號(hào)類(lèi)：VOUT為模擬信號(hào)輸出端，DO-D11為數(shù)字并行口。
控制信號(hào)類(lèi)：WR寫(xiě)，加載鎖存命令信號(hào)(與對(duì)應(yīng)鎖存信號(hào)配合使用)；NA_半字節(jié)A，與WR配合允許加載輸入鎖存器A(最高有效半字節(jié))；NB半字節(jié)B，與WR配合允許加載輸入鎖存器B；NC半字節(jié)C，與WR配合允許加載輸入鎖存器C(最低有效半字節(jié))。上述4個(gè)控制信號(hào)組成D/A轉(zhuǎn)換器的第一級(jí)緩沖即輸入鎖存。將12位數(shù)據(jù)暫存在A、 B、C 3個(gè)4位寄存器中，且這3個(gè)寄存器采用單獨(dú)尋址方式，保證不產(chǎn)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(hào)組成D/A轉(zhuǎn)換器的第二級(jí)緩沖，當(dāng)12位數(shù)據(jù)加載入D/A鎖存器后即啟動(dòng)D/A轉(zhuǎn)換。所有鎖存器真值如表l所示。

GAIN ADJ接外部增益調(diào)整。SJ是輸出放大器求和端。10V RANGA 10V輸出時(shí)接VOUT。BPO是雙極性偏置(雙極性工作時(shí)接VOUT)。

3 啟動(dòng)D/A轉(zhuǎn)換的時(shí)序分析
DACl201KP-V啟動(dòng)轉(zhuǎn)換分2次寫(xiě)入時(shí)序，如圖2所示。

由時(shí)序可見(jiàn)．DACl201KP-V的雙緩沖方式?jīng)Q定了其與微處理器的時(shí)序操作非常靈活。

4 接口電路
DACl201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~10 μF鉭電容器)，應(yīng)緊靠DACl201KP-V。
模擬地與數(shù)字地處理：為了實(shí)現(xiàn)允許低噪聲和高速性能的最佳連接，DACl201KP-V的ACOM和DCOM應(yīng)連接在一個(gè)點(diǎn)上。若連接正確，這種連接將會(huì)使低電平信號(hào)通路中的電流減到最小，ACOM和DCOM之間的高頻噪聲可以通過(guò)模擬輸出被耦合，因此，在應(yīng)用這些公共連接點(diǎn)時(shí)，需要格外小心。
外部失調(diào)和增益調(diào)整：圖3中的Wl是失調(diào)調(diào)整；W2是增益調(diào)整。
輸出范圍及連接如表2所示。

在上述競(jìng)賽題目“數(shù)控直流電流源”設(shè)計(jì)和制作過(guò)程中，被控電流源要求0 V~+10 V的控制信號(hào)，DAC1201的信號(hào)輸出范圍選擇O V～+10 V連接方式，經(jīng)OP07型運(yùn)算放大器控制TIPl22形成寬帶壓控電流源。
DACl201與AT89C51的接口電路如圖4所示。圖中，DACl201的第一級(jí)緩沖通過(guò)3條高位地址線A14(NA)、A13(NB)、A12(NC)配合WR信號(hào)控制高、中、低3個(gè)半字節(jié)加載輸入鎖存；第二級(jí)緩沖通過(guò)A8(LDAC)配合WR信號(hào)控制加載DAC寄存器后啟動(dòng)轉(zhuǎn)換。

5 程序設(shè)計(jì)
下面根據(jù)圖4所示的硬件結(jié)構(gòu)介紹DACl201KP-V轉(zhuǎn)換軟件的實(shí)現(xiàn)方法。單片機(jī)晶體振蕩器的頻率為6.000 MHz。入口條件是待轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)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EF00H，LDAC地址是FE00H。占用資源是A、R0、DAH和DAL、DAOUT連續(xù)的3個(gè)單元。
匯編語(yǔ)言程序如下：

6 結(jié)束語(yǔ)
DACl201KP-V的分辨率高、轉(zhuǎn)換速度快、接口方便、電路簡(jiǎn)單、應(yīng)用靈活，因而具有廣泛的應(yīng)用前景。筆者在指導(dǎo)2005年全國(guó)大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽的F題“數(shù)控直流電流源設(shè)計(jì)”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(shè)計(jì)指標(biāo)的要求。