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，且分辨率高、工作穩(wěn)定。在旋翼轉速調節(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。該設計已在旋翼轉速調節(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)的具有內置緩沖放大器的低功耗單片12位數(shù)模轉換器，其片內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，電流轉換電路和功率驅動電路組成。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，電流轉換電路和功率驅動電路，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：
當Vi=5 V時，Vo=0．5 V；當Vi=0 V時，Vo=-0．5 V。
電流控制字K的計算公式理論推導如下：
則電流控制字
設定恒流源輸出為I=10 mA時，代入式(5)得到電流控制字K=2 064。
該電路初始化時發(fā)送電流控制字K=2 048，實現(xiàn)零電流輸出。另外，實際電路中由于選用電阻本身的誤差和運放輸入失調、溫漂等問題的存在，上述計算公式的零位和線性系數(shù)會稍有偏差，可以通過標定得到準確的系數(shù)和零位。
2．2．2 電壓／電流轉換模塊
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)運放U1D(LM224)的正向輸入端接入電壓／電流轉換模塊。該模塊采用運放U1D組成的串聯(lián)電流負反饋電路，實現(xiàn)V／I轉換。其轉換電路的輸出電流大小由正端輸入電壓和負端與地間電阻確定。根據(jù)運放的“虛短”原理，運放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放輸出端經(jīng)負載反饋的電流。因此，反向接地電阻和正向電壓的大小共同決定了流經(jīng)負載電流的大小，正向電壓不變則流經(jīng)負載的電流不變，即實現(xiàn)了恒定電流輸出。計算輸出電流：
根據(jù)式(6)可計算得恒定電流輸出范圍為-50～+50 mA。由于運放輸出功率有限，在負載超過其輸出功率時，運放的輸出電流會相應的發(fā)生變化。因此，電路中為了提高恒流源的輸出精度，采用多個運放輸出并聯(lián)的方法增大輸出功率，并聯(lián)運放輸出端電阻R25等用于消除輸入失調電壓的影響。多運放并聯(lián)接法如圖4所示。
2．2．3 基準電壓發(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電壓才能保證輸出電壓的準確性。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基準電壓，以保證輸出信號的穩(wěn)定性和精度。
LM336是一個穩(wěn)壓二極管，它具有以下特點：穩(wěn)壓范圍可調節(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轉換器電源電壓Vcc和基準電壓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)生負電流時，DAC7512輸出0～5 V之間的模擬電壓，不能產(chǎn)生負電壓，需要和2．5 V的電壓進行比較輸出負電壓。本系統(tǒng)中，2．5 V電壓是由2個相同電阻分壓得到。為了防止接入運放反向輸入端時對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機的串行通信接口采用的是EIA RS-232E標準串行通信協(xié)議，用于實現(xiàn)計算機與計算機之間、計算機與外設之間的數(shù)據(jù)通信。該信號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)設計中，AT89C51單片機與DAC7512通信端口外加上拉電阻保證通信可靠。
89C51單片機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機標準串行通信接口連接通信，必須設計TTL電平到RS232協(xié)議電平信號的轉換電路。MAX232是一種把TTL電平轉換為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)軟件設計
本系統(tǒng)中，單片機程序由3個模塊組成，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)的設置。串口通信模塊完成與上位機通信過程中數(shù)據(jù)的判別和接收。SPI通信模塊完成對DAC7512的數(shù)據(jù)寫入。
系統(tǒng)復位后，單片機先進行各參數(shù)(如串口通信波特率)初始化設置及清空看門狗，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。單片機程序流程如圖7所示。
由于采用的AT89S51單片機本身不帶有SPI總線接口，因此為了和DAC7512進行通信，本系統(tǒng)利用單片機普通I／O口和其SPI接口相連，采用軟件來實現(xiàn)SPI總線協(xié)議下的數(shù)據(jù)通信，這樣單片機就可以經(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通信時序圖，用匯編語言編寫單片機系統(tǒng)模擬SPI通信程序如下：
4 實驗結果
在進行電流源性能測試時，用萬用表作為實際電流的測量儀器。通過上位機設定特定電流值，控制恒流源模塊產(chǎn)生設定電流。再通過萬用表串聯(lián)接入電路測得實際電流值，從而可以進行設定電流和實測電流的對比試驗。電流和實測電流的對比結果如表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，實際誤差小于0．5％。另外通過不同負載下的性能試驗。表明負載電阻在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試的需要。
5 結論
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，實際誤差小于0.5％，電路簡單，應用靈活、精度高。系統(tǒng)各項技術指標均達到設計要求，工作可靠，并已投入使用，有較高的使用價值。另外系統(tǒng)采用普通I／O口實現(xiàn)模擬SPI通信方式下的數(shù)據(jù)傳輸，該通信設計有助于直觀理解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行SPI通信，對過程監(jiān)控、數(shù)據(jù)采集等系統(tǒng)的開發(fā)具有借鑒意義。