廉价隔离型高精度D/A转换器

2006-05-07 15:49:29来源: 互联网

转换器的设计方法:由单片机89C52产生PWM,经过光电隔离和一个双RC电路,将数字信号转换为直流电压信号,再经过电压/电流转换电路(V/I),输出0~20mA电流信号;通过软件校正,达到较高的精度。

在自动化仪表,电动组合仪表II型输出0~10mA的电流,III型输出4~20mA的电流。本文介绍的电路可以作为0~20mA的恒流源输出,因此适用性较广,可为各种仪器仪表输出标准电流,或者进行长距离的信号传输。本电路具有串行接口,易于构成网络测量和控制。同时应用光电隔离使本电路与输出电路隔离,从而解决了测量设备的共地问题,保证了测量设备的安全。另外,利用单片机便于计算和控制的特点,对输出电流进行软件校正,最后输出电流精度达到±0.1%。

1 电路原理

该电路通过扩展键盘/显示器可任意设置输出电流值(0.00~20.00mA),精度达到±0.1%;通过串行口,采用PC机控制输出电流的大小,并且在PC机上同步显示输出的电流值。具体电路原理如图1所示。

(1)脉宽调制波(PWM)的产生

启动单片机的定时器T0和T1,设定时器T0和T1工作于16位定时器方式,利用中断实现PWM输出(设定1个脉冲对应0.01mA)。

定时器T0中预置数据——PWM的脉宽数据的补码。

定时器T1中预置数据——PWM的周期数据的补码。

中断子程序如下:

TT0:CLR TR0

CLR P3.4

MOV TL0,#DATA_L ;输入数据低八位

MOV TH0,#DATA_H ;输入数据高八位

RETI

TT1:CLR TR1

SETB P3.4

MOV TL1,PWM_TL

MOV TH1,PWM_TH;置周期

SETB TR1

SETB TR0

RET1

采用定时器定时和定时器中断服务子程序共同完成脉宽制波(PWM)的产生。

脉宽调制波形如图2所示。

(2)光电隔离及RC电路

采用光电耦合器U4,使MCU电路与输出相隔离。欲使输出电流精度较高,一般应采用开关速度较快的光电隔离器,如6N135、6N137等。在光电隔离后,对PWM信号采用双RC电路(R5,R6及C7,C8)来获取直流电压分量。

(3)电压/电流转换电路

如图1所示,在a点处得到0~5V的直流电压,作为运放的正向输入信号。图1中的运放构成一个跟随器,NPN型三极管G1、G2构成电流放大器。根据运算放大器的有关特性,有Ua=UR10,Iout=Ua/R10。本电路要求R10是精密电阻,则流过R10的电流大小与Ua点的电压成正比。Ua是a点电压,UR10是R10两端电压,Iout是输出电流。

(4)微机通信

本系统中设计了ICL232串口芯片,完成TTL电平与串口电平之间的转换,这样单片机与PC机就可以进行双向通信了。单片机采用定时器T2作波特率发生器,波特率设为2 400 bps,串行口工作方式设为方式1。这样,PC机就可以通过串行口编程控制输出电流的大小(0.00~20.00mA)。

2 测量结果

经过实测得到表1所示测量数据。

表1 未校正前电流输出测量值   单位:mA

设置值 输出值 设置值 输出值 设置值 输出值 设置值 输出值
0.5 0.486 9 5.5 5.529 10.5 10.557 15.5 15.608
1 0.990 0 6 6.032 11 11.062 16 16.111
1.5 1.492 8 6.5 6.534 11.5 11.567 16.5 16.614
2 2.000 7 7.037 12 12.072 17 17.118
2.5 2.504 7.5 7.540 12.5 12.577 17.5 17.621
3 3.008 8 8.042 13 13.082 18 18.124
3.4 3.513 8.5 8.545 13.5 13.587 18.5 18.628
4 4.017 9 9.048 14 14.093 19 19.131
4.5 4.521 9.5 9.551 14.5 14.598 19.5 19.634
5 5.026 10 10.054 15 15.103 20 20.14

误差与设定值的关系可用两条直线(ab、ac)

描述,如图3所示。

通过对以上测量数据的分析,测量值与设置值之间存在着一定的误差,原因主要有以下几点:

①本电路用到了双积分RC电路,RC电路中充、放电过程存在着非线性问题,同时电路中的电容存在着精度、漏电等问题,因此输入脉宽调制信号转化为直流电压时存在一定的非线性关系,产生了一定的误差。

②跟随器主要由运算放大器构成,如果是理想的运算放大器,则“虚短”和“虚断”的条件才成立,而实际应用中,没有理想的运算放大器。因此,正相、反相输入端电压差不为零,也会产生一定的误差。

3 解决方法

通过对上述测量数据的比较、分析,可采用软件线性回归的方法对输出电流进行校正。

设直线方程y=ax+b,其中y为校正后PWM的脉宽设定值,x为电流输出设定值。

本电路校正方法是:将数据从2mA处分为两段进行线性回归。

直线ac:

y=a1x+b1,a1=(2-0.5)/(2-0.0486 9),b1=2-a1×2;

直线ab;

y=a2x+b2,a2=(20-2)/(20.14-2),b2=2-a2×1。

通过单片机校正后,实测数据和表2所列。

表2 校正后电流输出值

设置值 输出值 设置值 输出值 设置值 输出值 设置值 输出值
0.5 0.489 9 5.5 2.518 10.5 10.509 15.5 15.517
1 0.990 0 6 6.019 11 11.011 16 16.019
1.5 1.499 9 6.5 6.517 11.5 11.513 16.5 16.518
2 2.000 7 7.016 12 12.014 17 17.016
2.5 2.502 7.5 7.514 12.5 13.015 17.5 17.519
3 3.002 8 8.014 13 13.015 18 18.019
3.5 3.501 8.5 8.511 13.5 13.515 18.5 18.518
4 4.002 9 9.009 14 14.016 19 19.018
4.5 4.502 9.5 9.503 14.5 14.518 19.5 19.519
5 5.002 10 10.001 15 15.017 20 20.020

经过上述方法校正,输出电流值的精度达到±0.1%。

4 结论

本电路的硬件部分采用通用器件,结构简单,成本低;充分利用了89C52的定时器资源,使用了定时器T0、T1、T2。89C52的其它端口和引脚都未被占用,这样,该电路可以很容易地移植到其它控制系统和测量系统中;同时采用软件对输出电流进行校正,精度达到±0.1%;具有串行接口,便于组网控制;因此,本电路具有光电隔离、通用性强、精度高、低成本的特点,且实用价值较高。

关键字:转换器

编辑:赵思潇 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/mndz/sjzh/200605/4798.html
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