隨著電子技術(shù)向各個(gè)領(lǐng)域的滲透，許多場(chǎng)合，尤其是高精度測(cè)控系統(tǒng)需要高精度、高穩(wěn)定性的數(shù)控恒流源。數(shù)控恒流源主要由D/A來控制電流輸出大小，恒流源的分辨率、精度、穩(wěn)定性主要取決于D/A芯片及其外圍電路，因此要達(dá)到高精度、高穩(wěn)定性的恒流源，必須在選器件上慎重考慮。本文給出了一種基于AD5542設(shè)計(jì)的高精度數(shù)控恒流源電路，并已成功應(yīng)用于陀螺和加速度計(jì)等測(cè)試中。
基本原理
該高精度數(shù)控恒流源的結(jié)構(gòu)原理框圖如圖1所示，它由總線端、數(shù)字隔離電路、D/A轉(zhuǎn)換電路、V/I轉(zhuǎn)換電路組工字電感器成，D/A采用16位芯片AD5542，V/I轉(zhuǎn)換電路采用了高精度運(yùn)放OP97和三極管來實(shí)現(xiàn)。
圖1 高精度數(shù)控恒流源的結(jié)構(gòu)原理框圖
硬件電路設(shè)計(jì)
1 D/A轉(zhuǎn)換電路
數(shù)字隔離電路采用專門的磁隔芯片，在此不作介紹。AD5542是ADI公司的一款單通道、16位、模壓電感器串行輸入、電壓輸出數(shù)模轉(zhuǎn)換器，采用5V單電源供電。采用多功能三線式接口，并且與SPI、QSPI、MICROWIRE、DSP接口標(biāo)準(zhǔn)兼容。可提供16位性能，無須進(jìn)行任何調(diào)整。DAC輸出不經(jīng)過緩沖，可降低功耗，并減少輸出緩沖所造成的失調(diào)誤差。AD5542的主要性能指標(biāo)如表1所示。
從表1中可以看出，AD5542的各項(xiàng)性能參數(shù)都是很優(yōu)越的。設(shè)計(jì)的高精度數(shù)控恒流源的D/A轉(zhuǎn)換電路如圖2所示。
圖2 高精度數(shù)控恒流源的D/A塑封電感轉(zhuǎn)換電路
ADR433作為D/A芯片AD5542的外部基準(zhǔn)源，其初始精度、噪聲和溫度系數(shù)直接決定了D/A輸出的精度。ADR433B主要性能指標(biāo)如表2所示。
由表2可知，ADR433B的初始精度為0.05%，噪聲為3.75μVP-P,溫度系數(shù)平面電感器為1×10-6/℃，在基準(zhǔn)源芯片中其性能也是一流的。
AD5542芯片內(nèi)部輸出沒有驅(qū)動(dòng)運(yùn)放，需要外加一個(gè)低噪聲、低失調(diào)電壓、低失調(diào)電流和低溫度系數(shù)的運(yùn)放，本電路選用的是ADI公司的OP97E運(yùn)放。其主要性能指標(biāo)如表3所示。
2 V/I轉(zhuǎn)換電路
AD5542經(jīng)OP97運(yùn)放輸出的是量程為±3V的電壓，要想變?yōu)殡娏鳎柙偌右患?jí)V/I變換電路，本電路所用的V/I轉(zhuǎn)換電路如圖3所示。
圖3 V/I轉(zhuǎn)換電路
此電路通過外接負(fù)載形成同相比例放大電路，由深度負(fù)反饋電路可知，U7的V+約等于V-，則電流I=V-/R9，只要控制V+，就可以得到相應(yīng)可控的高精度雙極性電流，后端接的互補(bǔ)推挽三極管用來輸出經(jīng)擴(kuò)流后的雙極性電流。
印制板設(shè)計(jì)
AD5542的電源應(yīng)使用10μF和0.1μF電容進(jìn)行旁路。這些電容應(yīng)盡可能靠近該器件，10μF電容為鉭電解電容，0.1μF電容為陶瓷電容。針對(duì)內(nèi)部邏輯開關(guān)引起的瞬態(tài)電流所導(dǎo)致的高頻，該0.1μF電容可提供低阻抗接地路徑。電源走線應(yīng)盡可能寬，以提供低阻抗路徑，并減小電源線路上的突波效應(yīng)。時(shí)鐘和其他快速開關(guān)數(shù)字信號(hào)應(yīng)遠(yuǎn)離塑封電感模擬信號(hào)?；鶞?zhǔn)芯片ADR433應(yīng)盡量接近AD5542，增粗其輸出與AD5542的REF引腳之間的連線，并在此連線上增加旁路電容，以減小ADR433的輸出噪聲對(duì)D/A輸出精度的影響。
測(cè)試結(jié)果
本電路輸出電流是雙極性的，通過設(shè)置固定的幾個(gè)碼值，用Agilent34401高精度6位半萬用表，上電后經(jīng)過4小時(shí)測(cè)試，其分辨率和精度均能達(dá)到16位，穩(wěn)定性也非常好。測(cè)試數(shù)據(jù)如表4所示。
結(jié)束語
基于AD5542芯片設(shè)計(jì)的高精度數(shù)控恒流源，可提供分辨率和精度均為16位的差分輸出電流，減小了不同系統(tǒng)由于參考地之間的差異造成的誤差，適用于測(cè)控系統(tǒng)的高精度測(cè)量領(lǐng)域。
