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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 。
－
－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
【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 。


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