12位數(shù)模轉(zhuǎn)換器DAC7311的通信控制及其電流驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)

摘要：采用TI公司的TMS320F28335系列DSP作為主控制器與12bit的數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片DAC731進(jìn)行串行通信，通信采用SPI方式。通過CCS軟件編程實(shí)現(xiàn)數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片DAC7311的輸出電壓的的設(shè)定，且利用INA132U差分運(yùn)放及其后端電路構(gòu)成的電壓到電流的轉(zhuǎn)換電路實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)電流的輸出，電流輸出范圍可以從0～20mA不等。
關(guān)鍵字：DSP；SPI；數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片

    在工業(yè)現(xiàn)場，存在許多的電流驅(qū)動(dòng)型的電氣設(shè)備，儀器儀表，例如機(jī)車用的雙針?biāo)俣缺淼?。而且與電壓信號(hào)相比，電流對(duì)噪聲并不敏感，所以如果用電流來傳輸信號(hào)的話可以避免傳輸線受到噪聲的干擾造成系統(tǒng)不穩(wěn)定甚至誤操作。在工業(yè)自動(dòng)化控制系統(tǒng)，及儀器儀表、傳感器應(yīng)用中，廣泛采用4～20mA電流來傳輸控制、檢測(cè)信號(hào)。本文就是針對(duì)此類設(shè)備和儀器儀表，闡述設(shè)計(jì)輸出驅(qū)動(dòng)電流范圍從0～20mA的方法。

1 硬件設(shè)計(jì)分析
1．1 總體結(jié)構(gòu)說明
    本設(shè)計(jì)主控制器件選擇TI公司的TMS320F28335．?dāng)?shù)模轉(zhuǎn)換芯片選擇TI公司的DAC7311芯片，后端的差分放大器選擇INA132U。整個(gè)設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)框圖為圖1所示。

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1．2 主控制器使用分析
    本設(shè)計(jì)數(shù)模轉(zhuǎn)換器DAC7311與主控制器的接口采用SPI (Serial Peripheral Interlface)接口。SPI接口是一種高速串行輸入輸出接口用于CPU和外圍低速器件之間進(jìn)行同步串行數(shù)據(jù)傳輸，在主器件的移位脈沖下，數(shù)據(jù)按位傳輸，高位在前，低位在后，為全雙工通信，數(shù)據(jù)傳輸速度可達(dá)到幾Mbps。
    本文主控制器為TMS320F28335系列的DSP。芯片內(nèi)部集成有SPI模塊，與SPI模塊相關(guān)的信號(hào)線為SPISIMO；SPISOMI；；SPICLK。本設(shè)計(jì)只用到SPISIMO和SPICLK，并且用一個(gè)普通的GPIO引腳用作DAC7311的同步脈沖輸入信號(hào)(DACS)。本設(shè)計(jì)SPI模塊采用主模式工作，波特率選擇250Kbps，傳輸?shù)臄?shù)據(jù)位數(shù)為16位，時(shí)鐘方式為無延遲的上升沿方式(Rising edge wilbout delay)即SPI模塊在上升沿的前半周期發(fā)送數(shù)據(jù)，在上升沿接收數(shù)據(jù)。主控制器控制著整個(gè)設(shè)計(jì)的工作流程，首先它給從器件DAC7311的同步輸入脈沖引腳輸入低電平DACS，選中DAC73 11并對(duì)其進(jìn)行初始化。然后通過SPI模塊設(shè)定串行傳輸時(shí)鐘脈沖，并且也決定著從器件數(shù)模轉(zhuǎn)換器DAC7311的波特率。SPI模塊的內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。如圖可知，在時(shí)鐘脈沖的控制下，數(shù)據(jù)從SPIDAT移位寄存器按既定的波特率從SPISIMO引腳按位移出數(shù)據(jù)入DAC7311的數(shù)據(jù)輸入引腳。
1．3 DAC7311數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片介紹
    DAC7311芯片是一個(gè)12bit的，低功率、單通道、電壓輸出的數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片。采用通用的三線串行接口，時(shí)鐘頻率可達(dá)50MHz與標(biāo)準(zhǔn)的SPI，QSPI，數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)的接口兼容。
    它內(nèi)部的數(shù)模轉(zhuǎn)換采用的是電阻網(wǎng)絡(luò)的組成形式。它的結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示，其中AVDD由外部的基準(zhǔn)源提供了。二進(jìn)制位流從DAC Regist er移入芯片，通過電阻網(wǎng)絡(luò)(Register String)轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的電壓，通過輸出放大器輸出。

    DAC7311的輸入位流為標(biāo)準(zhǔn)的二進(jìn)制位流，其輸出電壓計(jì)算公式為
   
    其中n為轉(zhuǎn)換精度(本設(shè)計(jì)為12)；D為輸入的二進(jìn)制流對(duì)應(yīng)的十進(jìn)制值：AVDD為外部基準(zhǔn)源電壓(本設(shè)計(jì)為4．096V)。
1．4 V／I轉(zhuǎn)換電路的分析
    本部分電路主要是對(duì)數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片DAC7311的電壓輸出V_OUT進(jìn)行處理，把電壓輸出轉(zhuǎn)換為電流輸出。在V／I轉(zhuǎn)換電路中采用一個(gè)差分放大器INA132U作為輸入端，能夠起到抑制共模和零點(diǎn)漂移的作用。電路原理圖如圖4所示。Q1和Q2組成復(fù)合管，電流放大倍數(shù)為兩個(gè)管子各自的電流放大倍數(shù)的乘積，有效的增大了電流的輸出范圍。并且與采用單管相比可以大大緩解工作負(fù)荷以及發(fā)熱量。U2為運(yùn)算放大器，采用射極跟隨的接法。它的輸入阻抗為無窮大，輸出阻抗為0。這樣，就能夠起到增大輸出驅(qū)動(dòng)電流的作用。因?yàn)?，從R1(精密電阻)支路流出的電流就全部從負(fù)載Rload流出以驅(qū)動(dòng)后級(jí)的儀表設(shè)備。

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    根據(jù)圖4以及運(yùn)算放大電路的“虛短”和“虛斷”的概念可以得出輸出驅(qū)動(dòng)電流的計(jì)算公式為
   
    從公式中可以得出輸出的電流只與DAC7311的輸出電壓V_out和精密電阻R1大小有關(guān)。其中由軟件編程設(shè)定，如果R1確定，那么電流的輸出范圍就完全可以通過軟件編程設(shè)定。

2 軟件設(shè)計(jì)分析
    本設(shè)計(jì)的軟件集成開發(fā)環(huán)境為CCS3．3 (Code Composer Studio 3．3)，采用查詢的方式進(jìn)行軟件設(shè)計(jì)。根據(jù)DAC7311的datasheet可知，其輸入移位寄存器為16位，故要求F28335的SPI模塊發(fā)送的數(shù)據(jù)為16位，且最高兩位(PD1，PD0)為模式選擇位，見表1，本設(shè)計(jì)采用正常模式。接下來的12 bit為數(shù)據(jù)位，最后兩位任意。

    軟件設(shè)計(jì)的流程圖如圖5所示。

    SPI初始化子程序主要是對(duì)F28335中與SPI模塊及本程序相關(guān)的GPIO口進(jìn)行設(shè)置：SPI的FIFO寄存器設(shè)置；SPI控制及狀態(tài)寄存器進(jìn)行配置。通過公式(1)和(2)，得出不同的輸出電流對(duì)應(yīng)的二進(jìn)制值sdata。并通過軟件編程給變量sdata復(fù)不同的16位二進(jìn)制數(shù)值(最高兩位為“00”)。

3 數(shù)據(jù)分析
    由于受DA轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換精度，分辨率，建立時(shí)間，十進(jìn)制與二進(jìn)制的轉(zhuǎn)換誤差，以及其他元器件特別是精密電阻R1的精度的影響，理論值與實(shí)測(cè)值有一定的誤差。表2為不同的12位二進(jìn)制值對(duì)應(yīng)的輸出電流值(R1=125Ω+0．1％)，測(cè)試工具為福祿克FLUKE741B校準(zhǔn)器(電流測(cè)量精度及范圍為：30．000 mA 0．01％+0．015％)。

4 結(jié)束語
    從表2中的測(cè)量數(shù)據(jù)可知，在R1為125Ω±0．1％，輸出電流為0～20mA時(shí)，與理論值相比，電流的輸出精度范圍為±1％左右，基本符合一般的電流驅(qū)動(dòng)型儀器儀表(如機(jī)車的雙針?biāo)俣缺?的使用要求。