低功耗串行數(shù)/模轉(zhuǎn)換器MAX504的性能特點(diǎn)及電機(jī)應(yīng)用

1、引言

無刷同步發(fā)電機(jī)勵磁控制裝置主要應(yīng)用于DF11型和DF8B型鐵路內(nèi)燃干線機(jī)車的交流輔助傳動系統(tǒng)。無刷勵磁控制裝置和交流輔助發(fā)電機(jī)共為一體，對發(fā)電機(jī)的勵磁機(jī)勵磁進(jìn)行控制，從而達(dá)到控制發(fā)電機(jī)勵磁的目的，通過無刷勵磁控制裝置的控制信號，使交流輔助發(fā)電機(jī)在不同工況下保證U/f比恒定。當(dāng)負(fù)載突然變化時，勵磁控制裝置能迅速調(diào)節(jié)勵磁電流，使發(fā)電機(jī)輸出特性變硬，保證輔助系統(tǒng)穩(wěn)定工作。無刷同步發(fā)電機(jī)勵磁控制裝置的結(jié)構(gòu)如圖1所示，無刷同步發(fā)電機(jī)勵磁控制裝置需采集發(fā)電機(jī)輸出交流電壓Va、Vb、Vc等模擬量，經(jīng)過信號測量電路取得電壓信號和轉(zhuǎn)速信號，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速信號輸入到80C196MC型單片機(jī)，通過MAX504變換成模擬基準(zhǔn)電壓信號，此信號即為上述電壓檢測信號與經(jīng)過PI計(jì)算后輸出的控制信號，控制無刷同步發(fā)電機(jī)勵磁機(jī)的勵磁，從而控制其輸出電壓。

2、MAX504的引腳排列及功能

MAX504是由美信（Maxim）公司生產(chǎn)的一種低功耗、電壓輸出型10位串行數(shù)/模轉(zhuǎn)換器。MAX504既可用＋5V單電源工作，也可用±5V雙電源工作。該電路采用14引腳DIP型或SO型封裝，圖2示出它的引腳排列，表1介紹它的引腳功能。

圖3示出MAX504的結(jié)構(gòu)框圖，MAX504內(nèi)部的運(yùn)算放大器增益可以設(shè)置成1或2，還可設(shè)置成單極性或雙極性輸出電壓，MAX504利用1個帶有單電源供電的運(yùn)算放大器“倒轉(zhuǎn)的”R－2R梯形網(wǎng)絡(luò)，將10位數(shù)字信號轉(zhuǎn)換為模擬電壓信號，由于電流輸出型數(shù)/模轉(zhuǎn)換器的REFIN引腳是運(yùn)算放大器求和的連接點(diǎn)或虛地，因此用“倒轉(zhuǎn)的”這個術(shù)語描述該梯形網(wǎng)絡(luò)，然而，相對參考電壓來說，這種應(yīng)用會導(dǎo)致輸出電壓反向，MAX504的拓?fù)涫沟幂敵龅臉O性與參考電壓輸入極性相同。上電時，內(nèi)部復(fù)位電路使DAC 寄存器復(fù)位為零，此外，當(dāng)CLR引腳保持低電平時，使寄存器都置零，CLR引腳的工作異步并獨(dú)立于片選CS端。

3、MAX504的工作模式

3.1 單極性配置

將BIPOFF和RFB連接到VOUT，MAX504可被配置成增益為1（0V到VREFIN的單位極性輸出）的模式，此配置中，D/A轉(zhuǎn)換器可工作于單電源或雙電源供電方式，將BIPOFF連接到AGND和RFB，則可被配置成增益為2（0V至2VREFIN的單極性輸出）的模式，在本模式中，MAX504既可以單電源工作，也可以雙電源工作。

3.2 雙極性配置

將BIPOFF連接到REFIN和RFB，雙電源（±5V）供電，使MAX504成為雙極性配置。

3.3 四象限乘法器

將BIPOFF連接至REFIN，RFB連接至VOUT，然后再用偏移二進(jìn)制數(shù)字模式，電源供電，或在VSS＋2V至VDD－2V范圍內(nèi)由REFIN輸入雙極性模擬信號，這樣，MAX504就可以作四象限乘法器。工作模式的3種配置具體連線圖可參考文獻(xiàn)［2］。

4、工作時序

MAX504的工作時序如圖4所示，最大時鐘頻率由1/（tCH＋tCL）決定，大約是14MHz，數(shù)據(jù)更新率受片選周期限制，其周期為16×（tCH＋tCL）＋tCSW，相當(dāng)于1.14μs，或者877kHz的更新率。然而，10位D/A轉(zhuǎn)換的建立時間為25μs，這樣，更新率限制為40kHz。

MAX504使用3線串行接口，這種接口與SPITM、QSPITM（CPOL＝CPHA＝0）和Microwire標(biāo)準(zhǔn)兼容，通過寫入2個8位字節(jié)對DAC進(jìn)行編程（如圖2所示），16位串行數(shù)據(jù)按下列順序進(jìn)入D/A轉(zhuǎn)換器：4位填充（啞元）位、10位數(shù)據(jù)位、2位“0”。4位啞元位數(shù)據(jù)通常是無用的，然而2位“0”數(shù)據(jù)是需要的，這是因?yàn)橐笃溆布蛙浖仨毰c12位MAX531/MAX538/MAX539兼容。SCLK為低電平時，應(yīng)該出現(xiàn)CS跳變，CS為低電平時，數(shù)據(jù)在SCLK的上升沿出現(xiàn)時輸入，串行輸入數(shù)據(jù)保持在16位串行移位寄存器中。CS出現(xiàn)上升沿時，10位數(shù)據(jù)被傳輸?shù)紻AC寄存器，更新DAC。隨著CS變?yōu)楦唠娖剑瑪?shù)據(jù)不能進(jìn)入MAX504。MAX504以16位數(shù)據(jù)塊輸入數(shù)據(jù)，SPI和Microwire接口以8位數(shù)據(jù)塊輸出數(shù)據(jù)，因此，要求在2個寫周期輸入數(shù)據(jù)至DAC，QSPI接口要求8位到16位可變的數(shù)據(jù)輸入，且以一個寫周期載入DAC。

5、MAX504的應(yīng)用

根據(jù)MAX504的工作原理及上述工作時序，采用MAX504（單極性輸出方式）增益為1的工作模式，可以設(shè)計(jì)無刷同步發(fā)電機(jī)勵磁控制裝置中80C196MC與MAX504的硬件接口電路，出圖5所示。將MAX504的DIN、SCLK和CS分別接到80C196MC的P2.5/COMPARE1、P2.6/COMPARE2和P2.7/COMPARE3，無刷同步發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速信號FCPU輸入80C196MC后，經(jīng)過控制軟件處理，然后通過P2.5/COMPARE1將數(shù)字信號輸出至MAX504的DIN，使MAX504產(chǎn)生所需電壓基準(zhǔn)信號VOUT，使之與實(shí)際檢測電壓進(jìn)行PI計(jì)算后產(chǎn)生無刷同步發(fā)電機(jī)勵磁機(jī)的勵磁控制信號，接口控制軟件如下：