DAC1201KP-V在高精度数控直流电流源中的应用

摘要：在指导2005年全国大学生电子设计竞赛F题“数控直流电流源”中，经过对设计题目的详细分析，提出以DACl201KP-V型12位D/A转换器为控制核心，与普通运算放大器和达林顿管相结合，间接控制电流大小的实现方案。通过DACl201KP-V在高精度数控直流电流源中的应用，实现了输出电流20 mA~2000 mA，步进1 mA，改变负载电阻，输出电压在10 V以内变化时，输出电流变化的绝对值≤输出电流值的0.1％+l mA等设计技术指标，取得了较好的控制效果。
关键词：恒流源；全国大学生电子设计竞赛；数控；DACl201KP-V；D/A转换器

1 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200 V~240 V，50 Hz，输出直流电压≤10V。具体技术指标如下：
●输出电流范围：20 mA～2000 mA，步进l mA；
●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绝对值≤给定值的O.1％+l mA，可显示电流的实测值，要求测量误差的绝对值≤测量值的0.1％+3个字；
●改变负载电阻，输出电压在10 V以内变化时，要求输出电流变化的绝对值≤输出电流值的0.1％+1mA；
●纹波电流≤0.2 mA。
根据上述设计要求，实现电流调节范围为20mA～2000 mA(输出直流电压≤10 V)，并顾及器件极限功耗的局限，电流源采用TIPl22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。

图1中负载端的最高电压值(10 V)决定了负载的最大电阻值(5 Ω)，它又决定了电流源工作电源的最低电压值及所用功率器件的极限电压参数。后级Ro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5.00 Ω。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/Ro，与RL无关。当VIN恒定不变时，改变采样电阻Ro的阻值大小，可改变IL的恒定值。0P07输出端接TIPl22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5 A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≤l％，即lmA(输出直流电压≤10 V)的指标，经计算，12位D/A转换器的转换精度达0.0024 V，满足系统要求的精度。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核心。

2 DACl201KP-V
DACl201KP-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中所示。

DACl201KP-V采用28引脚DlP封装，逻辑部分采用5 V单电源供电，内部含有内部参考源、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，最大稳定时间只有7μs，对缩短系统开发周期，增强系统可靠性极为有利。
DACl201KP-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℃范围内可提供极佳的转换性能。模拟输出范围是0 V~+10 V、5 V和10 V。
当输出电压VOUT=0~10 V时。数字输入量D为无符号二进制码，计算公式为：

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，lLSB=VFS/4 096=2.44 mV。
当输出电压在双极性VOUT=-5V～+5V或VOUT=-10 V~+lO V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：

上式中的定义与单极性输入公式相同。
如果单极性输出从O.0000 V变到+9.9976 V，数字量的变化为4 095，分辨率为9.9976 V/4 095=2.44 mV。若双极性输出从-5.0000 V变到+4.9976V，分辨率为9.9976 V/4095=2.44 mV；双极性输出从-10.0000 V变到+9.9976 V，分辨率为19.9951 V/4 095=4.88 mV。
DACl201KP-V的引脚可分为3类。
电源类：逻辑电源VDD接5 V电源；数字地DCOM和模拟地ACOM通常共地；+VCC为模拟电源输入+15 V或+12 V；一VCC为模拟电源输入-15 V或-12V。REFOUT 6.3 V为参考源输出。
模/数信号类：VOUT为模拟信号输出端，DO-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(最高有效半字节)；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(最低有效半字节)。上述4个控制信号组成D/A转换器的第一级缓冲即输入锁存。将12位数据暂存在A、 B、C 3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l所示。