基于DAC75112的數(shù)控直流恒流源設(shè)計(jì)

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(lái)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(wú)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(wú)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(xiě)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(xiě)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(guò)SPI通信接口將電流控制字寫(xiě)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(guò)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：