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200V-240V,50Hz,输出电流电压≤10V,具体技术指标如下:
输出电流范围:20mA-2000mA,步进1mA;
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 ≤给定值的0.1%+1mA,可显示电流的实测值,要求测量误差的 ≤测量值的0.1%+3个字。
改变负载电阻,输出电压在10V以内变化时,要求输出电流变化的 ≤输出电流值的0.1%+1mA;
纹波电流≤0.2mA。
根据上述设计要求,实现电流调节范围20mA-2000mA(输出电流电压≤10V),并顾及器件极限功耗的局限,电流源采用TIP122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。
电压值(10V)决定了负载的 电阻值(5Ω),它又决定了电流源工作电源的 电压值及所用功率器件的极限电压参数。后级R0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5.00Ω,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/R0,与RL无关,当VIN恒定不变时,改变采样电阻R0的阻值大小,可改变IL的恒定值,OP07输出端接TIP122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5A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≤1‰,即1mA(输出电流电压≤10V)的指标,经计算,12位D/A转换器的转换 达0.0024V,满足系统要求的 。
电源类:逻辑电源VDD接5V电源;数字地DCOM和模拟地ACOM通常共地;+VCC为模拟电源输入+15V或+12V,-VCC为模拟电源输入-15V或-12V,REFOUT6.3V为参考源输出。
模/数信号类:VOUT为模拟信号输出端,D0-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( 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( 有效半字节)。
上述4个控制信号组成D/A转换器的 级缓冲即输入锁存。将12位数据暂存在A、B、C3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1所示。
接外部增益调整,SJ是输出放大器求和端。10VRANGA10V输出时接VOUT。BPO是双极性偏置(双极性工作时接VOUT)。
启动D/A转换的时序分析
-V启动转换分2次写入时序,如图2所示。
:WR脉冲宽度,50ns(min);
:NX和LDAC有效到WR结束;50ns(min);
:数据有效到结束,80ns(min);
:数据有效保持时间,0ns(min);
由时序可见,DAC1201KP-V的双缓冲方式决定了其与微处理器的时序操作非常灵活。
结束语
-V的分辨率高、转换速度快、接口方便、电路简单、应用灵活,因而具有广泛的应用前景,在指导2005年全国大学生电子设计竞赛的F题"数控直流电流源设计"中利用该电路按图4所示的接线方式取得了很好的控制效果,满足了设计指标的要求。