廉价隔离型高精度D/A转换器
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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
| 设置值 | 输出值 | 设置值 | 输出值 | 设置值 | 输出值 | 设置值 | 输出值 |
| 0.5 | 0.486 9 | 5.5 | 5.529 | 10.5 | 10.557 | 15.5 | 15.608 |
| 1 | 0.990 0 | 6 | 6.032 | 11 | 11.062 | 16 | 16.111 |
| 1.5 | 1.492 8 | 6.5 | 6.534 | 11.5 | 11.567 | 16.5 | 16.614 |
| 2 | 2.000 | 7 | 7.037 | 12 | 12.072 | 17 | 17.118 |
| 2.5 | 2.504 | 7.5 | 7.540 | 12.5 | 12.577 | 17.5 | 17.621 |
| 3 | 3.008 | 8 | 8.042 | 13 | 13.082 | 18 | 18.124 |
| 3.4 | 3.513 | 8.5 | 8.545 | 13.5 | 13.587 | 18.5 | 18.628 |
| 4 | 4.017 | 9 | 9.048 | 14 | 14.093 | 19 | 19.131 |
| 4.5 | 4.521 | 9.5 | 9.551 | 14.5 | 14.598 | 19.5 | 19.634 |
| 5 | 5.026 | 10 | 10.054 | 15 | 15.103 | 20 | 20.14 |
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
| 设置值 | 输出值 | 设置值 | 输出值 | 设置值 | 输出值 | 设置值 | 输出值 |
| 0.5 | 0.489 9 | 5.5 | 2.518 | 10.5 | 10.509 | 15.5 | 15.517 |
| 1 | 0.990 0 | 6 | 6.019 | 11 | 11.011 | 16 | 16.019 |
| 1.5 | 1.499 9 | 6.5 | 6.517 | 11.5 | 11.513 | 16.5 | 16.518 |
| 2 | 2.000 | 7 | 7.016 | 12 | 12.014 | 17 | 17.016 |
| 2.5 | 2.502 | 7.5 | 7.514 | 12.5 | 13.015 | 17.5 | 17.519 |
| 3 | 3.002 | 8 | 8.014 | 13 | 13.015 | 18 | 18.019 |
| 3.5 | 3.501 | 8.5 | 8.511 | 13.5 | 13.515 | 18.5 | 18.518 |
| 4 | 4.002 | 9 | 9.009 | 14 | 14.016 | 19 | 19.018 |
| 4.5 | 4.502 | 9.5 | 9.503 | 14.5 | 14.518 | 19.5 | 19.519 |
| 5 | 5.002 | 10 | 10.001 | 15 | 15.017 | 20 | 20.020 |
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。
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