一种高精度数控双极性恒流源电路的设计

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。

参考文献：

　　 际凯盎.恒流源及其应用电路.杭州：浙江科学技术出版社,1992
　　 王琦, 王君. 精密程控电流源的设计及其应用. 国外电子元器件, 2005(10)：30-34
　　 童诗白. 模拟电子技术基础. 北京：高等教育出版社，1995
　　 赵保经. A/D和D/A转换器应用手册. 上海：上海科学普及出版社，1995
　　 杨振江, 蔡德芳. 新型集成电路使用指南与典型应用.西安：西安电子科技大学出版社, 2000

作者：庄小利 北京康拓科技开发总公司 张晓琦 电信科学技术第十研究所 庄福利 新乡市华星仪表仪器有限公司   时间：2010-04-19