一种高精度数控双极性恒流源电路的设计

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 引言

  近年来,随着计算机使用的普及,在实际的测量和控制中,特别是由计算机参与的测控过程中,数控恒流源往往是电路中不可缺少的组成部分。随着大规模集成电路的发展,测控技术在精度方面提出了更高要求。

  本文设计的高精度数控双极性恒流源电路主要由D/A芯片AD5542,基准源芯片ADR433,高精度运放OP97和三极管来实现。

  系统硬件设计

  该高精度数控双极性恒流源的系统框图如图1所示,它由总线端、数字隔离电路、D/A转换电路、V/I转换电路组成。计算机通过总线传送给D/A芯片码值,D/A将码值转换成相应的电压,然后通过V/I转换电路将电压转换成电流,由于该D/A输出的电压是双极性的,因此可以获得双极性的电流。

 

  D/A转换电路

  数字隔离电路就是用专门的磁隔SI8440芯片来对计算机输出的数字信号和D/A输出的模拟信号进行隔离。D/A转换电路中的D/A芯片采用ADI公司的AD5542,这是一款单通道、16位、串行输入、电压输出数模转换器,采用5V单电源供电;采用多功能三线式接口,并且与SPI、QSPI、MICROWIRE、DSP接口标准兼容;其具有±0.5LSB的积分非线性典型值,±0.5LSB的微分非线性为-1.5LSB的增益误差,±0.1 ppm/℃的增益误差的温度系数,±1 LSB的双极性零点误差,±0.2 ppm/℃的双极性零点误差的温度系数,-VREF~VREF的输出电压范围,在常温下无需进行任何调整就可提供16位性能;其输出不经过缓冲,可降低功耗,并减少输出缓冲所造成的失调误差。

  设计的高精度数控恒流源的D/A转换电路如图2所示。

 

  ADR433作为D/A芯片AD5542的外部基准源,其初始精度、噪声和温度系数直接决定了D/A输出的精度。选用其系列的ADR433B,此芯片具有3.0V的输出电压, 0.05%的初始精度,1ppm/℃的温度系数,5ppm/V的输入电压调节率,15ppm/mA的负载调节率,3.75mVP-P的电压噪声,90nV/的电压噪声密度,40ppm的长期稳定性。ADR433B的初始精度、噪声和温度系数保证了AD5542的16位分辨率和精度。

       AD5542芯片内部输出没有驱动运放,需要外加一个低噪声、低失调电压、低失调电流和低温度系数的运放,本电路选用的是ADI公司的OP97E运放。OP97E运放具有10mV的输入失调电压,30pA的输入失调电流,0.2mV/℃的输入失调电压温度系数,5ppm/V的输入电压调节率,0.4 pA/℃的输入失调电流温度系数,0.5mVP-P的电压噪声,17nV/的电压噪声密度,132dB的电源抑制比。运放的输入失调电压可以在软件中进行补偿,0.2mV/℃的输入失调电压温度系数和0.5mVP-P的电压噪声使得其对输出电流的影响可以忽略。

  V/I转换电路

  AD5542经OP97运放输出量程为±3.3V的电压,要想变为电流,需加一级V/I变换电路,本电路所用的V/I转换电路如图3所示。

 

  此电路通过外接负载形成同相比例放大电路,由深度负反馈电路特点可知,U7的V+约等于V-,则电流Iout=V-/R9,只要控制V+,就可以得到相应可控的高精度双极性电流,后端接的互补三极管用来输出经扩流后的双极性电流。

  系统设计应注意的几个问题

  ● AD5542的电源应使用10mF和0.1mF电容进行旁路。这些电容应尽可能靠近该器件,10mF电容为钽电解电容,0.1mF电容为陶瓷电容。

  ● 电源走线应尽可能宽,以提供低阻抗路径,并减小电源线路上的突波效应。

  ● 时钟和其他快速开关数字信号应远离模拟信号。

  ● 基准芯片ADR433应尽量接近AD5542,加粗其输出与AD5542的REF引脚之间的连线,并在此连线上增加旁路电容,以减小ADR433的输出噪声对D/A输出精度的影响。

  测试结果

  本电路输出电流是双极性的,通过设置固定的几个码值,用Agilent34401高精度6位半万用表,上电后1小时后测试,测得的数据如表1所示,输出电流与码值之间的线性关系如图4所示。

 

  经计算其稳定度为8.0e - 6,分辨率为1.5e - 5。

        结语

  此设计的高精度数控双极性恒流源,分辨率、精度和稳定度都很好,且易于上位机软件进行控制,很适合用于工控领域的高精度测量系统。