【正文】 D/A轉(zhuǎn)換器，目前市場上有各種型號可供選擇，但是有一些精度高的非常昂貴，不適用于一些小型的控制系統(tǒng)中。結(jié)合測試 精度與經(jīng)濟(jì)性，本系統(tǒng)選取了較常使用的 TLC549 作為 A/D轉(zhuǎn)換器， TLC5615 作為 D/A轉(zhuǎn)換器。 TLC549 是8 位的 A/D轉(zhuǎn)換器，不僅具有多種操作方式及數(shù)據(jù)輸出方式，而且價格便宜。TLC5615 是 10 位的 D/A 轉(zhuǎn)換 器，轉(zhuǎn)換精度滿足一些基本要求，多種操作方式，適用于各種應(yīng)用場合 ，通用性好， 價格便宜。 技術(shù)路線 針對以上所說明的， 系統(tǒng)設(shè)計方案框架圖 如圖 21 所示。 本系統(tǒng)的總體方案設(shè)計將包括如下幾個方面。 模擬電路 單片機(jī)的 晶振與復(fù)位電路 AD/DA 轉(zhuǎn)換 按鍵 與顯示 圖 21 系統(tǒng)設(shè)計方案框架圖 51 單片機(jī) A/D 電路 按鍵電路 D/A 電路 顯示電路 晶振電路 復(fù)位電路 模擬電路 3模擬電路部分的 系統(tǒng)方案設(shè)計 如圖 31所示， 模擬 電路部分由電流設(shè)定電路、功率驅(qū)動電路、 取樣及放大電路、短路保護(hù)電路、延時軟啟動、使能電路、限流保護(hù)電路部分組成。 該驅(qū)動電源電路的工作原理是 :以功率器件 MOS管 (IRF3205)作為調(diào)整管 ,通過控制 MOS管柵極電壓 ,實(shí)現(xiàn)對激光管的電流控制 ,采樣電阻接在 MOS管的源極 (低端取樣 ),采樣信號 (反饋信號經(jīng)儀表運(yùn)放放大反饋與設(shè)定值作差 ,產(chǎn)生誤差信號，通過積分電路 ,調(diào) 整 MOS管的柵極電壓 ,達(dá)到設(shè)定電流為恒流輸出的目的。 設(shè) DAC1的電壓經(jīng)放大器 U1跟隨后為 1V ,經(jīng) U2放大后為 112 *VAV ? ( 1A 為 U2上的放大倍數(shù) ) ,又設(shè)經(jīng)過半導(dǎo)體激光器的電流為 I,則流過采樣電阻 R6的電流也為I ,即采樣電壓為 IR*6 ,經(jīng)采樣放大后為 )*(* 62 IRA ,其中 2A 為 AD620的放大倍數(shù)。根據(jù) 運(yùn)算放大器的 虛短 、 虛斷原則 ,U3的同相輸入 端 和反相輸入 端 電壓相等 ,即 inV + = inV =0 ,則有流經(jīng) 3R 和 4R 與流過 12R 的電流大小相等 ,且方向相反 ,即1262432 )*(* R IRARR V ?? 可以得到64321211 *)(* ** RRRA RVAI ?? 當(dāng)設(shè)定好 3R 、 4R 、 12R 、 6R 、1A 、 2A 這些參數(shù)后，流過半導(dǎo)體激光器的電流 I只與 1V 有關(guān)，即只與 DAC1有關(guān)。 圖 31 模擬電路原理圖 其中 3R 、 4R 、 12R 的電阻值如圖中 所示 6R 的阻值為 10K, 1A 的大小由 2R / 1R 決定， 2A 的大小由 10R 的阻值所決定。 電路設(shè)定電路由單片機(jī)系統(tǒng)經(jīng)過 D/A 轉(zhuǎn)換輸出的電壓 DAC1 提供。輸入電壓DAC1 首先經(jīng)過 由運(yùn)算放大器 U1 構(gòu)成的電壓跟隨器。 如圖 32所示電壓跟隨器就是將輸出電壓直接作為反饋電壓，利用虛短的概念得到 iPno VVVV ??? 即電壓增益 1??iOv VVA ，由此可知輸出電壓 oV 與輸入電壓 iV 大小相等，相位相同，雖然電壓跟隨器的電壓增益等于 1，根據(jù)分析同相放大電路的方法，可知它的輸入電阻 ??iR ，輸出電阻 0?oR ，所以電壓跟隨器在電路中常作為阻抗變換器或緩沖器。 圖 32 電壓跟隨器 的 典型電路 在圖 33中運(yùn)算放大器 U1構(gòu)成電壓跟隨器。根據(jù)上述分析電壓跟隨輸入電阻 ??iR ，該電路幾乎不從信號源吸取電流使得 DAC1 全部輸入到電路中，而輸出電阻 0?oR 所以當(dāng)負(fù)載變化時輸出電壓幾乎不變，從而消除了負(fù)載變化對輸出電壓的影響，所以經(jīng)過放大器 U1 后輸入的電壓信號 DAC1 幾乎沒有變化 U1 起到了緩沖器的作用。 圖 33 系統(tǒng)中的電 壓跟隨器 設(shè) DAC1 的電壓經(jīng)過運(yùn)算放大器 U1 跟隨后為 1V ，送入下一級放大電路 U2。U2 構(gòu)成的是一個反相放大電路，并聯(lián)在輸出端與反相輸入端的電容與電阻 R 構(gòu)成了積分電路，這個積分電路的作用在這里起到了一個保護(hù)作用，利用對電容的充電與放電過程緩慢的將輸入電壓 1V 放大。 如圖 34 所示的放大電路所示，由虛短的概念可知同相輸入端電壓 pV 等于反相輸入端電壓 nV ，同時由于同相輸入端接地，故反相輸入端的電位也接近于地電位即 nV =0由虛斷的概念（ pi =ni =0） 可知， pi =ni ，故有2211 R VVR VV nn ??? 由此得12121 RRVVA ??? 。 所以設(shè)經(jīng)過 U2 放大后的電壓為 2V ，故 112 *VAV ? ,其中 1A 為運(yùn)算放大器 U2的放大倍數(shù)，根據(jù)上式該放大倍數(shù)由 1R 與 2R 的比值決定，又因為 1R 為定值電阻，所以 U2 的放大倍數(shù)由電位器 2R 來決定，調(diào)節(jié) 2R 可以得到不同的放大倍數(shù)。 圖 34 U2 所構(gòu)成的反相放大電 路 被運(yùn)算放大器 U2 放大后的電壓 2V 送入下一級運(yùn)算放大器 U3。 U3 與外圍的電阻、電容構(gòu)成了一個積分電路。如圖 35 所示，積分電路由運(yùn)算放大器、電容和電阻構(gòu)成。電容跨接在反相輸入端和輸出端之間，電阻接在反相輸入端。利用虛斷和虛短的概念 可得 0?nV , 0?ii 因此有 iii ?? 21 ，電容器 C 以電流 RVi ii /?進(jìn)行充電。假設(shè)電容 C 的初始電壓為 0，則 ?? ??? dtRVCdtiCVV in 11 10即??? dtVCRV i10 ，該 式表明，輸出電壓 0V 為輸入電壓 iV 對時間的積分，符號表示它們在相位上是相反的。當(dāng)輸入信號 iV 為階躍電壓時，在它的作用下，電容將以近似恒流的方式進(jìn)行充電，輸出電壓 0V 與時間 t 成近似線性關(guān)系，因此式中τ =RC 為世間積分常數(shù)。當(dāng) t=τ時， iO VV ?? 當(dāng) tτ， VO 增大，直到 omVV ??? 0 ，即運(yùn)放輸出電壓的最大值 omV 受直流電源電壓的限制，致使運(yùn)算放大器進(jìn)入飽和狀態(tài)， OV 保持不變，而停止積分。 圖 35 典型的積分電路 根據(jù)上述分析 如圖 36 所示， 由 U3 與電阻 4R 、電容 3C 構(gòu)成的積分電路，上電后即先對電 容 3C 進(jìn)行充電，輸出電壓為對時間的積分，輸出電壓達(dá)到最大值后受直流電源電壓的限制，致使運(yùn)算放大器進(jìn)入飽和狀態(tài)，輸出電壓保持不變，而停止積分。 通過該積分電路 ,調(diào)整 MOS 管的柵極電壓 ,達(dá)到設(shè)定電流為恒流輸出的目的。 圖 36 系統(tǒng)中的積分電路 電路中以功率器件 MOS管 (IRF3205)作為調(diào)整管 ,通過控制 MOS 管柵極電壓 ,實(shí)現(xiàn)對激光管的電流控制 , 采樣電阻接在 MOS管的源極 (低端取樣 ) 。 在電流源電路中 ,取樣電阻的精密程度直接影響了電流 輸出的穩(wěn)定性 ,在 這里 使用了 低溫漂、 額定功率 10W、 ( 6R )。由于 壓過小 ,故需要放大 ,我們采用 儀 表 放大器 AD620對其放大。 這里使用儀表 放大器是因為在 一 般信號放大的應(yīng)用中通常只要透過差動放大電路即可滿足需求，然而基本的 差動放大電路精密度較差，且差動放大電路變更放大增益時，必須調(diào)整兩個電阻， 影響整個信號放大精確度的變因就更加復(fù)雜。儀表放大 電路則無上 述的缺點(diǎn)，只需調(diào)整一個電阻的阻值即可改變電路的放大增益。 如圖 37所 示的儀表放大 電路是由三個放大器所共同組成，其中運(yùn)算放大器A A2按同相輸入接法組成第一級差分放大電路，運(yùn)算放大器 A3組成 第二級差分放大電路。在第一級電路中， V1,V2分別加到 A1和 A2的同相端， 1R 和兩個 2R 組成的反饋網(wǎng)絡(luò)，引入了負(fù)反饋，兩個運(yùn)算放大器 A A2的兩輸入端形成虛短和虛斷，因而有 211 VVVR ?? 和 )2/()(/ 124311 RRVVRV R ??? ，故得 到 ))(21(2211 211 1243 VVRRVR RRVV R ?????? （ 31） 根據(jù)求差電路關(guān)系，可得 ))(21()( 211 23443340 VVRRRRVVRRV ??????? （ 32） 于是電路的電壓增益為 )21( 1 23421 0 RRRRVV VA v ????? （ 33） 在儀用放大器中，通常 2R 、 3R 和 4R 為給定值， 1R 用可變電阻代替，調(diào)節(jié) 1R的值，即可改變電壓增益 vA 。由于輸入信號 V1和 V2都是從 A A2的同相端輸入，電路出現(xiàn)虛短和虛斷現(xiàn)象，因而流入電路的電流等于 0，所以輸入電阻 ??iR 。 圖 37 儀表放大器的原理圖 儀表 放大器 AD620的基本特點(diǎn)為精確度高、使用簡單、低噪聲，此儀表放大器有高輸入阻抗 ： 10GΩ||2pF 、 高共模具斥比高 ： 100dB、 低輸入抵補(bǔ)電壓 ( Input offset Voltage)： 50uV，低輸入偏移電流 (Input bias current)： ，低消耗功率： ，以及過電壓保護(hù)等特性 ， 應(yīng)用十分廣泛。 表 31是 AD620的規(guī)格特性總覽表。然而會選用它，是因它價格 合理 、增益值大、漂移電位低等 ， 正好符合成本合理及有效放大 采樣電阻上輸出的電壓 的微小變化訊號。 項目 規(guī)格特性 備注 增益范圍 1～ 1000 只需一個電阻即可設(shè)定 電源供應(yīng)范圍 177。 ～ 177。18V 低耗電量 Max supply current = 可用電池驅(qū)動，方便應(yīng)用于可攜式器材中 精確度高 低補(bǔ)償電壓 :VOFFSET(max)= 50μV 漂移電壓 :℃ max. 低噪聲 Low input voltage noise of 9nV/ Hz at 1kHz 應(yīng) 用場合 ECG量測與醫(yī)療器材、壓力量測、 V/I 轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)擷取系統(tǒng)等。 表 31 AD620 的規(guī)格特性總覽表 圖 38為 AD620 內(nèi)部方框圖 AD620 內(nèi)部 結(jié)構(gòu)如 圖 38所示。 圖 39 為 所 選用 的 儀表放大器 AD620 引 腳示意圖，其中的 8接腳要跨接一個電阻來調(diào)整放大倍率， 4管腳分別接正負(fù)電源。 2 管腳為反相輸入端， 3管腳為同相輸入端， 5管腳接地 6管腳為輸出端。 圖 39 儀表放大器 AD620 引 腳示意圖 ??? GR kG （ 34） ??? G kRG （ 35） 式 34與式 35 為 AD620 的增益與可調(diào)電阻的關(guān)系式，由此二式我們即可推算出各種增益所要使用的電阻值 GR 值。 圖 310 為本文中的取樣及放大電路 圖 310 本系統(tǒng)中 的取樣及放大電路 3. 3短路保護(hù)電路 激光二極管平時不使用時如果裸露在空氣中 ,易受雷電或靜電破壞 ,因此在不使用時 ,將一個接觸電阻很小的開關(guān) J 2與 LD并聯(lián)在一起即實(shí)現(xiàn)短路保護(hù)。當(dāng) LD不工作時 ,將 S2閉合 ,使 LD的 P極和 N極短接 ,起到保護(hù) LD的作用 。在 LD開始工作之前 ,必須先將開關(guān) S2斷開 ,電流才能流過 LD。 短路保護(hù)電路如圖 311所示。 3. 4延時軟啟動 為防止電流或電壓的波動對激光器的破壞 ,因此使用時將電流緩慢地加在激光器兩端 ,同時為防止開機(jī)瞬間電壓突變 ,激光二極管兩端并聯(lián)一只電容 C2 ,為防止供電電壓極性接反 ,在激光二極管端反向并聯(lián)一只二極管 D4。 延時軟起動電路如圖 311所示。 圖 311 短路保護(hù)電路與延時軟起動電路 如圖 312所示， 當(dāng)單刀雙擲開關(guān) S1與 + 12V 連接時 ,D D2導(dǎo)通 ,R3的右端電壓被鉗位到 0 , MOS管的柵極電壓低于閾值電壓 , MOS管無漏極電流 , 激光二極管無電流流入 ,這樣可以避開開機(jī)時的波動電流或電壓。當(dāng)單刀雙擲開關(guān) S1與 12V連接時 D D2不導(dǎo)通 ,使能控制電路不影響主回路。 圖 312 系統(tǒng)的使能控制電路 限流保護(hù)電路 限流保護(hù)電路由 U U6和 U7組成的電壓跟隨電路和單門限電壓比較器構(gòu)成，如圖 313所示。其中 U U6為電壓跟隨器，對輸入的 采樣放大后的 電壓 Va和 DAC2起到緩沖作用。 U7為單門限電壓比較器。 電壓比 較器 它將一個模擬量電壓信號和一個參考固定電壓相比較，在二者幅度相等的附近，輸出電壓將產(chǎn)生躍變，相應(yīng)輸出高電平或低電平。比較器可以組成非正弦波形變換電路及應(yīng)用于模擬與數(shù)字信號轉(zhuǎn)換等領(lǐng)域。 常用的電壓比較器有過零電壓比較器、具有滯回特性的過零比較器、滯回電壓比較器，窗口（雙限）電壓比較器。 電壓比較器 可將模擬信號轉(zhuǎn)換成二值信號，即只有高電平和低電平兩種狀態(tài)的離散信號。 可以 作為模擬電路和數(shù)字電路的接口電路。 具有 比集成運(yùn)放的開環(huán)增益低，失調(diào)電壓大，共模抑制比小 等特點(diǎn) ；