電潛泵測試儀的電流信號發生器設計*

葉 欣 李婷蘭 徐晶晶 劉軍寧

(1.光電油氣測井與檢測教育部重點實驗室 西安石油大學 710065;2.大慶鉆探工程公司地質錄井一公司 大慶 163411)

0 引 言

工業上普遍需要測量各類非電物理量，如溫度、壓力和振動等，將采集得到的數字信號進行現場處理。若需要將信號長距離傳輸至控制柜或者顯示設備，此時要把數字信號轉化為電流信號。電流信號由于其極強的抗干擾能力和低功耗，在工業測量和控制過程中得到了廣泛應用。本文結合電潛泵測試儀，提出基于TLV5637 的毫安級電流信號發生器設計方法。TLV5637 是TI 公司的一款雙通道10 位電壓輸出D/A 轉換器件，具有操作簡單，成本低等優勢。本文設計的電流信號發生器結構簡單、成本低，適用領域廣，有很好的通用性。

1 系統整體設計

基于TLV5637 的數字信號轉電流信號發生器，硬件結構簡單，易于調試。本系統硬件部分主要由微控制器、D/A轉換芯片，以及電流環電路組成?？傮w框圖如圖1 所示。系統分為2 個模塊部分，包括MCU 與TLV5637 接口電路和模擬電流環電路。D/A 轉換芯片將原始數字信號轉換為模擬電壓信號，電流環電路部分實現電壓信號轉電流信號功能。結合工程實際，本文采用AT89C51 控制I/O 口模擬SPI 總線通信控制TLV5637，系統軟件實行模塊化編寫，易于移植和調用。

圖1 系統整體框圖

2 系統硬件設計

2.1 TLV5637 與單片機的SPI 接口設計

圖2 為系統DA 轉換模塊的硬件接口連接示意圖。結合系統實際，為了隔離工頻干擾以及提高數字信號傳輸的可靠性，系統采用TLP521 光電耦合器件將微控制器和D/A 轉換芯片進行有效的電氣隔離，增強系統的可靠性。

圖2 TLV5637 和AT89C51 接口連接圖

圖中DIN、SCLK 和CS 等3 個信號線通過TLP521 分別與單片機的P1.5、P1.6、P1.7 相連，OUTA、OUTB 為模擬電壓輸出端。電阻R5 分壓為芯片提供參考電壓，參考電壓的大小決定滿量程模擬輸出電壓的大小。輸出電壓的幅度由下式決定:

CODE 為所寫入的電壓數據值，REF 為所設定的參考電壓。此外，在寫入電壓數據時，12 位的數據只保持高10位有效，低2 位被忽略。

TLV5637 只支持16 位的數據格式，16 位的數據包含兩個部分:編程位和數據位。高4 位分別為R1、SPD、PWR 和R0 編程控制位。SPD 為速度控制位，1 表示快速，0 表示慢速;PWR 為工作模式控制位，1 表示掉電模式，0 表示工作模式;R1 和R0 為寄存器選擇位，其寫入選擇表如表1所示［1］。

表1 TLV5637 的寄存器寫入選擇

10 位數據位確定一個新的DAC 值。12 位數據位中，D1 和D0 組合位決定芯片參考電壓的來源，其中“00”或“11”均表示參考電壓取自外部REF 引腳，“01”表示采用內部參考電壓1.024 V，“10”表示采用內部參考電壓2.048 V。圖3 為TLV5637 編程時序圖，數據采樣均在SCLK時鐘的下降沿發生。

圖3 TLV5637 編程時序圖

2.2 電流環電路設計

在大多數應用場合，尤其是工業應用環境，電流信號通常是優先考慮的信號傳輸方式。由于這種信號方式傳輸的距離長，且不需考慮噪聲、線長、壓降和線路阻抗等的影響，從而使電路傳輸性能大大提高。電流環電路原理圖如圖4所示。電路采用LM324 和LM358 級聯后接一個復合型PNP 管搭成。A1，A2 為LM324 的兩個運算放大器，A3 為LM358 運算放大器。LM324 是帶有差動輸入的通用放大器，適合于電源電壓范圍很寬的單電源使用，也適用于雙電源工作模式。差分輸入具有很強的抑制共模信號的能力，可以有效克服溫度漂移問題。LM358 內部包含兩個獨立的、高增益、內部頻率補償的雙運算放大器。A1 運算放大器的輸出端反饋到反相輸入端，構成一個電壓跟隨器，實現阻抗變換。A2 的同相輸入端偏置為2.5 V，利用連個相等的電阻R3、R4 實現一個求差電路。電流環電路尾部由一個PNP 與NPN 型組成一個PNP 復合管，復合管的共射級電流放大倍數為兩個BJT 管子共射級電流放大倍數之積。復合管基極與運算放大器A3 的輸出端相連，可輸出和輸入電壓成線性比例關系的電流信號，并具有相當高的精確度。

圖4 電流環電路原理圖

3 軟件設計

本系統軟件主要是由C 語言編程實現，采用GPIO 口模擬SPI 通信的方式，實現微控制器對TLV5637 的訪問。根據實際工程，主控器采用AT89C51 單片機，該芯片是一個帶有4 K 字節Flash 存儲器的低電壓、高性能的CMOS 微控制器。AT89C51 為很多微控制器提供了一種靈活而且廉價的方案。圖5 為單片機GPIO 口模擬SPI 通信向TLV5637 寫入一個16 位數據的程序流程圖。單片機首先拉低CS 引腳選定片選信號，置高SCLK 信號后向DIN 發送一位數據信號，再置低SCLK 信號，數據在SCLK 下降沿保持有效即可。按時間順序，依次由高到低串行輸入16 位數據。

圖5 寫入一個數據的程序流程圖

根據整形數據發送流程圖，發送數據的實現代碼如下:

DA 轉換子程序代碼如下:

上述的發送數據代碼，只需稍加修改，可有效移植到51 單片機對各種SPI 串行通信器件控制或者其他微控制器對TLV5637 控制程序中。但是修改過程中需要注意不同器件的延時要求，保證器件的信號建立和保持的時間滿足時序要求。

4 實驗結果

根據上述方法，本實驗選用外部1.25 V 參考電壓，運放LM324 和LM358，2SC2655 和2N5401 組成PNP 復合管來構成電流信號發生器。經過實驗測試，可以產生高線性度，長期工作穩定的毫安級電流信號，其精度在誤差范圍內，符合潛油電泵測試儀對輸出電流信號的要求。實驗的輸入數字信號和測得的輸出電流信號結果如表2 所示。

表2 基于TLV5637 的電流信號發生器實驗結果

5 結 論

本文提出了基于TLV5637 的電流信號發生器設計，利用AT89C51 的GPIO 口模擬SPI 通信，實現串行對D/A 轉換芯片TLV5637 的控制訪問。將數字信號轉換為模擬電壓信號后，電流環電路模塊將模擬電壓信號再轉換為電流信號。該方法具有一定的普遍意義，稍加改動即可應用于各類測試系統。其中微控制器模擬SPI 通信也有較高的通用性，可以移植到各類微控制器中。多次實驗證明，該設計可靠可行，并具有較高的精確度。

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