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，廣泛應(yīng)用于計(jì)量、半導(dǎo)體器件性能測(cè)試、傳感器、穩(wěn)定磁場(chǎng)的產(chǎn)生等領(lǐng)域。
儀器儀表的自動(dòng)化、智能化成為今后發(fā)展趨勢(shì)。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(duì)恒定電流信號(hào)的不同需求，人們希望輸出電流信號(hào)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(cè)試系統(tǒng)中，磁放大器性能測(cè)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(jiǎn)潔，能滿足不同場(chǎng)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(cè)試系統(tǒng)中得到應(yīng)用。
1 DAC7512簡(jiǎn)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。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。
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(cè)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)膜轉(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：
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：
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，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：
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。
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(hào)的穩(wěn)定性和精度。
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。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。
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(duì)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(duì)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(hào)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(hào)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。
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(duì)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。
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(cè)試時(shí)，用萬用表作為實(shí)際電流的測(cè)量?jī)x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(cè)得實(shí)際電流值，從而可以進(jìn)行設(shè)定電流和實(shí)測(cè)電流的對(duì)比試驗(yàn)。電流和實(shí)測(cè)電流的對(duì)比結(jié)果如表2所示。
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(cè)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(jiǎn)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(duì)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。