DAC8831在恒電位儀電壓掃描中的應(yīng)用

張雷，趙茂密，歐陽義芳，蔡宏果

（1.廣西大學(xué)物理科學(xué)與工程技術(shù)學(xué)院，廣西南寧530004；2.廣西教育學(xué)院數(shù)學(xué)與計(jì)算機(jī)科學(xué)系，廣西南寧530023）

恒電位儀是電化學(xué)測(cè)試中的重要儀器，用它可以控制電極電位為指定值，以達(dá)到恒電位極化的目的[1]。通過改變恒電位儀的輸入給定電壓，以改變電極上的電位值，即電壓掃描電路。傳統(tǒng)的電壓掃描電路采用手動(dòng)逐點(diǎn)調(diào)節(jié)、機(jī)械傳動(dòng)調(diào)節(jié)或是由計(jì)數(shù)器及運(yùn)算放大器組成的簡(jiǎn)易數(shù)模轉(zhuǎn)換電路來實(shí)現(xiàn)掃描電壓的調(diào)整[2]，控制精度低、穩(wěn)定性較差、線性度差、電路復(fù)雜，且受溫度影響較大。16位數(shù)模轉(zhuǎn)換器DAC8831具有高精度、高穩(wěn)定性等優(yōu)點(diǎn)，將其與STC89C51單片機(jī)構(gòu)成電壓掃描電路應(yīng)用于恒電位儀中，電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低，具有高精確度、高穩(wěn)定性、高線性度，完全能夠滿足恒電位儀低速掃描要求，且通過編程還可實(shí)現(xiàn)多種波形的輸出，擴(kuò)展能力強(qiáng)。

116 位數(shù)模轉(zhuǎn)換器DAC8831

1.1 DAC8831概述

DAC8831是TI公司的一款16位電壓輸出型數(shù)模轉(zhuǎn)換器，具有轉(zhuǎn)換速度快、超低功耗（最低15 μW）、高精度（DAC8831ICD最大線性誤差不超過±1 LSB）、18 nV/低輸出噪聲、高速SPI接口（最高可達(dá)50 MHz）、上電自動(dòng)校零等優(yōu)勢(shì)，非常適用于小型儀器、手持移動(dòng)設(shè)備。

1.2 DAC8831引腳排列

DAC8831引腳排列如圖1所示[3]。

圖1 DAC8831引腳Fig.1DAC8831 pin configuration

各引腳功能如下：

RFB：反饋電阻接入端，在雙極性輸出時(shí)連接到外部運(yùn)放的輸出端；

Vout：數(shù)模轉(zhuǎn)換器模擬電壓輸出端；

AGNDF、AGNDS：模擬地；

VREF－S、VREF－F：參考電壓輸入端，連接到外部參考電壓；

SCLK：串行時(shí)鐘輸入端；

NC：無內(nèi)部連接；

SDI：串行數(shù)據(jù)輸入端，在SCLK的上升沿?cái)?shù)據(jù)被鎖存到輸入寄存器；

DGND：數(shù)字地；

INV：內(nèi)部比例電阻連接端。在雙極性輸出時(shí)連接到外部運(yùn)放的反向輸入端；

VDD：模擬電源端，+3～+5 V。

1.3 DAC8831使用方法

1.3.1 基準(zhǔn)源電路

為了使數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片的輸出更加穩(wěn)定，對(duì)DA芯片的基準(zhǔn)源就要有一定要求，基準(zhǔn)源必須是低溫溧、高精度、高穩(wěn)定性，通用基準(zhǔn)源芯片有TL431、LM336等，溫漂系數(shù)基本可以達(dá)到20～30 ppm/℃，綜合易用性、計(jì)算方便性等因素，本系統(tǒng)采用的是TI公司生產(chǎn)的REF5040I精密基準(zhǔn)源芯片，該芯片具有最大為3 ppm/℃極低溫漂系數(shù)、最大誤差為0.05%的高精度值以及極低的噪聲3 μVPP/V，且具有高達(dá)10 mA的輸出電流，輸出電壓為4.096 V，最小步進(jìn)正好是0.125 mV，完全適合作為16位高精度數(shù)模轉(zhuǎn)換器的基準(zhǔn)源。該芯片電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，外圍元件少，應(yīng)用電路如圖2所示[4]。

圖2 REF5040基本電路Fig.2Basic circuit of REF5040

1.3.2 DAC8831兩種輸出模式

DAC8831可以結(jié)合外部運(yùn)放實(shí)現(xiàn)單極性（0～VREF）和雙極性（－VREF～+VREF）兩種輸出模式，恒電位儀中必須使用正負(fù)電壓掃描，故采用雙極性輸出，電路如圖3所示[5]。雙極性輸出模式下DAC輸入控制數(shù)字量與模擬輸出值之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系表1所示。

1.3.3 DAC8831工作時(shí)序及其接口電路

圖3 DAC8831雙極性輸出Fig.3Bipolar output mode of DAC8831

表1 雙極性輸出編碼表Tab.1Bipolar code

數(shù)據(jù)傳輸由芯片選擇信號(hào)（片選信號(hào)）來構(gòu)成，DA轉(zhuǎn)換器以總線從設(shè)備進(jìn)行工作?？偩€主控產(chǎn)生同步時(shí)鐘信號(hào)SCLK并啟動(dòng)傳輸過程。當(dāng)為高電平時(shí)，DA轉(zhuǎn)換器不進(jìn)入轉(zhuǎn)換工作，SCLK和SDI都不作用。當(dāng)總線主控將變成低電平時(shí)，DA轉(zhuǎn)換器緊隨的高低躍變開始轉(zhuǎn)換工作[6]。SDI端的串行輸入數(shù)據(jù)同步地從總線主控SCLK的下降沿移出，在SCLK的上升沿鎖存到輸入移位寄存器，MSB高位在先。低到高的轉(zhuǎn)變使得輸入移位寄存器的內(nèi)容傳送到輸入寄存器，所有數(shù)據(jù)寄存器都是16位，通過16個(gè)SCLK時(shí)鐘周期將數(shù)據(jù)字一位一位傳送出來。當(dāng)16個(gè)數(shù)據(jù)字傳送完畢，緊接著第16個(gè)時(shí)鐘周期后必須變?yōu)楦唠娖?。工作時(shí)序如圖4所示。

圖4 DAC8831工作時(shí)序Fig.4DAC8831 timing diagram

DAC8831采用標(biāo)準(zhǔn)的3線制SPI串行接口，所以可以方便的與DSP及各種單片機(jī)連接，它與單片機(jī)的接口主要有兩種工作方式[7]：一是與CPU的串行口相連，單片機(jī)的串行口以同步方式工作，但是會(huì)占用串口資源；二是利用普通I/O口來模擬SPI的工作方式，方便擴(kuò)展。大多數(shù)51單片機(jī)沒有SPI接口，在此選用第二種工作方式，用51單片機(jī)進(jìn)行通訊時(shí)把DAC8831的通訊口SDI、SCLK、CS分別與51單片機(jī)的P1.0、P1.1、P1.2口連接，按照工作時(shí)序模擬SPI工作過程即可。

2 DAC8831的軟件編程

用51單片機(jī)IO口模擬SPI，用Keil C51編寫的DA轉(zhuǎn)換子程序[8]及注解如下所示：

void da8831（int vout）//DAC8831轉(zhuǎn)換子程序

{

cs=0;//開片選

sclk=1;

for（i=0;i＜16;i++）//形成16個(gè)時(shí)鐘周期，循環(huán)輸出SDI數(shù)據(jù)

{

sdi=vout&0x8000;//每次移一位，逐個(gè)將數(shù)據(jù)送入SDI

vout＜＜=1;

sclk=0;//產(chǎn)生SCLK時(shí)鐘

sclk=1;

}

cs=1;//關(guān)片選

return;

}

通過以上轉(zhuǎn)換子程序，再通過編程即可實(shí)現(xiàn)恒電位儀掃描初始電壓的設(shè)定及掃描速度的設(shè)定，從而使恒電位儀的電壓掃描實(shí)現(xiàn)智能化。

3 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

在進(jìn)行電壓測(cè)試時(shí)，為減小輸出誤差，外部運(yùn)放應(yīng)選擇低噪聲低溫漂的高精度運(yùn)放（OPA277等）及高精度低溫漂的基準(zhǔn)源（REF5020、REF5040等），對(duì)外部運(yùn)放要進(jìn)行調(diào)零或直接采用斬波穩(wěn)零運(yùn)放（如LTC1052等），本文系統(tǒng)使用OPA277和REF5040。通過調(diào)整電壓數(shù)字量來改變模擬輸出電壓值，使用Thurlby 1905a數(shù)字表對(duì)系統(tǒng)電壓輸出端進(jìn)行監(jiān)測(cè)，預(yù)設(shè)電壓和實(shí)測(cè)電壓數(shù)據(jù)對(duì)比如表2所示。

表2 性能測(cè)試對(duì)比Tab.2Test result of performance testing

由表2分析可知，系統(tǒng)輸出電壓可實(shí)現(xiàn)－4～+4 V連續(xù)變化，且實(shí)際誤差小于0.15%，分辨率也達(dá)到了0.125 mV，完全滿足恒電位儀中低速掃描對(duì)線性度、穩(wěn)定度及分辨率的要求。

4 誤差分析

對(duì)誤差的來源作如下分析，在雙極性輸出模式下，輸出電壓VO－BIP計(jì)算公式如下：

式（1）中VO－UNI為單極性下的輸出電壓，VOS為外部運(yùn)放的輸入失調(diào)電壓，RD為圖3中RFB與RINV的匹配誤差，A為放大器的開環(huán)增益。

VO－UNI表達(dá)式如下：

式（2）中D為DAC輸入電壓數(shù)字量，VREF為基準(zhǔn)源電壓，VGE為電壓增益誤差，VZSE為電壓零刻度誤差，INL為電壓整體非線性失真。

以上兩式中，D是由使用者根據(jù)需要輸入的該項(xiàng)不會(huì)帶來誤差，最終誤差主要來自以下兩個(gè)方面：1）VZSE、INL、RD是由DAC8831自身參數(shù)決定的，這是固有誤差，由于DAC8831本身性能優(yōu)異，因此該誤差控制的較好；2）VOS、A、VREF、VGE均是由外部運(yùn)放及基準(zhǔn)源性能指標(biāo)決定的，也就是說外部運(yùn)放及基準(zhǔn)源性能好壞直接影響整體的輸出誤差，這也是影響誤差的主要因素。

不同的運(yùn)放及基準(zhǔn)源性能差異較大，由以上分析可得，要想提高整機(jī)性能，必須采用高精度基準(zhǔn)源及低放大失真、低輸入偏置電壓、高開環(huán)增益的高性能運(yùn)放，因此選擇REF5040及OPA277來改善性能，如果能使用比OPA277性能更加優(yōu)越的運(yùn)放如斬波穩(wěn)零放大器，輸出誤差可進(jìn)一步減小。

5 結(jié)論

恒電位儀在使用外部掃描信號(hào)輸入時(shí)可以測(cè)量多種電壓變化場(chǎng)合下合金的性能。傳統(tǒng)恒電位儀實(shí)現(xiàn)電壓掃描電路復(fù)雜、穩(wěn)定性差、體積功耗大，而采用DAC8831芯片及圖3中的輸出模式可以實(shí)現(xiàn)雙極性電壓的連續(xù)變化、高線性度和高穩(wěn)定性，且外圍元件少、功耗低、性價(jià)比高，并可通過編程實(shí)現(xiàn)各種輸出波形。

在實(shí)際使用中還需注意，由于DA轉(zhuǎn)換器精度高，容易受外部干擾，所以在布線時(shí)必須注意數(shù)字地和模擬地要盡量分開，可采用一點(diǎn)接地，電源端和參考電壓端需加旁路電容。應(yīng)用DAC8831數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片制作的電壓線性掃描電路已成功應(yīng)用在恒電位儀中，實(shí)現(xiàn)了掃描電壓的智能化設(shè)置。

[1]劉永輝.電化學(xué)測(cè)試技術(shù)[M].北京:北京航空學(xué)院出版社，1987:311－311.

[2]劉永輝.電化學(xué)測(cè)試技術(shù)[M].北京:北京航空學(xué)院出版社，1987:337－346.

[3]Texas Instruments DAC8831 Datasheet[EB/OL].（2007）.http://focus.ti.com.cn/cn/lit/ds/symlink/dac8831.pdf.

[4]Texas Instruments REF5040 Datasheet[EB/OL].（2010）.http://focus.ti.com.cn/cn/lit/ds/symlink/ref5040.pdf.

[5]Texas Instruments DAC8831 Datasheet[EB/OL].（2007）.http://focus.ti.com.cn/cn/lit/ds/symlink/dac8831.pdf.

[6]趙珂.可編程雙路12位數(shù)模轉(zhuǎn)換器TLC5618的原理及應(yīng)用[J].電子設(shè)計(jì)工程，1999（4）:22-24.ZHAO Ke.Theory and application of programmable dual channel 12bit D/A converter TLC5618[J].Electronic Design Engineering，1999（4）:22-24.

[7]董靜薇，高瑋，李欣.TLC5618在測(cè)控系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].微型機(jī)與應(yīng)用，2003（10）:15-17.DONG Jing-wei，GAO Wei，LI Xin.Application of TLC5618 in measuring and controlling system[J].Microcomputer&its Applications，2003（10）:15-17.

[8]溫守江.可編程雙路12位數(shù)模轉(zhuǎn)換器TLC5618及其C51高級(jí)語言編程[J].電子元器件應(yīng)用，2002，4（1-2）:19-20，47.WEN Shou-jiang.Programmable dual channel 12bit D/A converter TLC5618 and C51 advanced language program[J].Electronic Component&Device Applications，2002，4（1-2）:19-20，47.