廉价隔离型高精度D/A转换器

    摘要：介绍隔离型高精度D/A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。

    关键词：89C52 PWM 电压/电流转换

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

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

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。