数字控制线性电路的高精度与高稳定性优化探讨

在数字化测试与控制系统中，常常需要一些电压高低或者电流大小可以随意调节（包括按某种规律）的高精度电源。采用D/A转换器来组成这类电源是最常见的方案。图9-1给出了一种数字控制的电压源电路。该电路的驱动能力决定于输出级VT₁和VT₂部分的设计。在输入二进制码的控制下，可输出正电压，电压值稳定一般可达0.l%左右。输出电压与输入数码的关系为

式中，取R=10kΩ。

图9-1 数字控制电压源电路

另一种受偏置二进制码控制的可输出双极性电压的精密电压源电路如图9-2所示。该电路中电阻R_B=20kΩ，它起半量程偏置作用，以实现输入代码为100…0时，输出电压为零的要求。若要求增加输出驱动能力，可将VT₁和VT₂组成的输出级电路改成达林顿电路。

数字控制的单向电流源电路如图9-3所示。根据运放的“虚短”、“虚断”性质，可得出

调整D/A转换器的输入参考电流I_R=2mA，则输出电流为

图9-2 数字控制双极性电压源电路

I_L=20（d₁2^-1+d₂2^-2+…+d₈2^-8）mA （9-3）

必须指出，图9-3所示电路中的D/A转换器的I_o电流输出端电位不等于0，故而只能选用具有恒流输出特性的D/A转换器类型，诸如DAC0808、DAC08和DAC1200等。像AD7520、DAC1210之类的D/A转换器，由于它的输出端要求采用运算放大器造成虚地电位，故而不能用来代替图9-3电路中的D/A转换器。

图9-3 数字控制单向电流源电路

如果要求用偏置二进制码或者2的补码去控制双向的电流输出，可采用图9-4所示的电路。输入数字是对称偏置二进制代码。根据运算放大器的虚短性质，可建立如下关系：

I₁R₁+I_o2R₃=I_o1R₂

而电流I₁=I_o2+I_L，因此流过负载电阻的电流为

如果取R₃=R₂-R₁，则得

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图9-4 数字控制双向电流源电路

根据D/A转换器的特性：

代入上式，即可推出输出负载电流为

如果取图中所示的参数：I_R=2mA，则

当输入为d₁d₂…d₈=100…00与d₁d₂…d₈=011…1时，输出负载电流I_L=±（20/256）mA=±0.0718mA，这是输出电流为最小值的情况。当输入为全1码，即d₁d₂…d₈=11…1时，输出最大正向电流I_L=+19.219mA；当输入为全0码，即d₁d₂…d₈=00…0时，输出最大负向电流I_L=-19.219mA。输入数码每增加1LSB，输出电流数值变化0.1563mA。同样，图9-4中的D/A转换器也只能采用诸如DAC08之类具有电流源输出（不要求虚地）特性的型号。

一种用AD7520型D/A转换器控制力发生器励磁线圈电流的电路如图9-5所示。在输入偏置二进制码d₁d₂…d₁₀控制下，可产生正比的正、负电流流过励磁线圈，从而可产生对应的双向的机械力，该电路中R_B是偏置电阻，保证在输入代码为100…0时，输出电流为零。A₂输出端接达林顿管输出级，以增加输出驱动电流。输出电流I_L与输入代码之间的关系为

可见，该电路的输出电流I_L只决定于输入数码d₁d₂…d₁₀和V_R/R_S，与力发生器的线圈电阻大小无关。由于该电路中运算放大器A₁造成了D/A转换器输出端的虚地，因此AD7520类型的D/A转换器可以用于该电路。

图9-5 用AD7520型D/A转换器控制力发生器励磁线圈电流的电路

还可以用一种数字式任意函数变换器来说明D/A与A/D转换器取代某些线性电路的可能性。图9-6是数字式函数变换器的结构框图。半导体只读存储器（ROM或EPROM）中所写入的数据是一张预定的函数表。输入模拟量V_i经A/D转换变成二进制码，作为ROM或EPROM的输入地址码。ROM或EPROM的输出是该输入地址所对应的数据，两者符合函数变换的要求。这种换取数码的功能相当于“查函数表”。存储器输出的二进制码数据再经D/A转换恢复成模拟量V_o，实现了V_o=f（V_i）的变换。用这种数字式函数变换器可实现一般函数放大器无法实现的复杂函数关系。而且变换的精度的稳定性也比一般的函数放大器高。系统中虽然存在着量化误差，但只要位数足够，仍可达到令人满意的分辨率。

图9-6 数字式函数变换器的结构框图

一种长周期高稳定的数字式积分器如图9-7所示。它可以克服普通积分器所不可避免的失调或漂移积累误差的严重问题。该电路中起“积分”作用的是可逆计数器和D/A转换器，可以说它是一种不存在失调、漂移积累误差的“积分器”。输入电压经绝对值电路后，变为单极性电压，通过V/f转换器将其转换成对应的频率信号。“积分”的过程就是对输入频率脉冲的累计，是加计数还是减计数由输入电压的极性控制。由于V/f转换器的动态范围很宽（像LM331可达100dB），在低电压工作区仍有较好的线性关系，其最低输出频率一般可在0.1Hz以下。因此它可以在很长的工作周期中不出现失调、漂移积累误差，以较高的精度进行积分运算。

图9-7 长周期高稳定的数字式积分器