低功耗串行数/模转换器MAX504的性能特点及电机应用

1、引言
无刷同步发电机励磁控制装置主要应用于df11型和df8b型铁路内燃干线机车的交流辅助传动系统。无刷励磁控制装置和交流辅助发电机共为一体，对发电机的励磁机励磁进行控制，从而达到控制发电机励磁的目的，通过无刷励磁控制装置的控制信号，使交流辅助发电机在不同工况下保证u/f比恒定。当负载突然变化时，励磁控制装置能迅速调节励磁电流，使发电机输出特性变硬，保证辅助系统稳定工作。无刷同步发电机励磁控制装置的结构如图1所示，无刷同步发电机励磁控制装置需采集发电机输出交流电压va、vb、vc等模拟量，经过信号测量电路取得电压信号和转速信号，发电机转速信号输入到80c196mc型单片机，通过max504变换成模拟基准电压信号，此信号即为上述电压检测信号与经过pi计算后输出的控制信号，控制无刷同步发电机励磁机的励磁，从而控制其输出电压。
2、max504的引脚排列及功能
max504是由美信（maxim）公司生产的一种低功耗、电压输出型10位串行数/模转换器。max504既可用＋5v单电源工作，也可用±5v双电源工作。该电路采用14引脚dip型或so型封装，图2示出它的引脚排列，表1介绍它的引脚功能。
图3示出max504的结构框图，max504内部的运算放大器增益可以设置成1或2，还可设置成单极性或双极性输出电压，max504利用1个带有单电源供电的运算放大器“倒转的”r－2r梯形网络，将10位数字信号转换为模拟电压信号，由于电流输出型数/模转换器的refin引脚是运算放大器求和的连接点或虚地，因此用“倒转的”这个术语描述该梯形网络，然而，相对参考电压来说，这种应用会导致输出电压反向，max504的拓扑使得输出的极性与参考电压输入极性相同。上电时，内部复位电路使dac寄存器复位为零，此外，当clr引脚保持低电平时，使寄存器都置零，clr引脚的工作异步并独立于片选cs端。
3、max504的工作模式
3.1 单极性配置
将bipoff和rfb连接到vout，max504可被配置成增益为1（0v到vrefin的单位极性输出）的模式，此配置中，d/a转换器可工作于单电源或双电源供电方式，将bipoff连接到agnd和rfb，则可被配置成增益为2（0v至2vrefin的单极性输出）的模式，在本模式中，max504既可以单电源工作，也可以双电源工作。
3.2 双极性配置
将bipoff连接到refin和rfb，双电源（±5v）供电，使max504成为双极性配置。
3.3 四象限乘法器
将bipoff连接至refin，rfb连接至vout，然后再用偏移二进制数字模式，电源供电，或在vss＋2v至vdd－2v范围内由refin输入双极性模拟信号，这样，max504就可以作四象限乘法器。工作模式的3种配置具体连线图可参考文献［2］。
4、工作时序
max504的工作时序如图4所示，最大时钟频率由1/（tch＋tcl）决定，大约是14mhz，数据更新率受片选周期限制，其周期为16×（tch＋tcl）＋tcsw，相当于1.14μs，或者877khz的更新率。然而，10位d/a转换的建立时间为25μs，这样，更新率限制为40khz。
max504使用3线串行接口，这种接口与spitm、qspitm（cpol＝cpha＝0）和microwire标准兼容，通过写入2个8位字节对dac进行编程（如图2所示），16位串行数据按下列顺序进入d/a转换器：4位填充（哑元）位、10位数据位、2位“0”。4位哑元位数据通常是无用的，然而2位“0”数据是需要的，这是因为要求其硬件和软件必须与12位max531/max538/max539兼容。sclk为低电平时，应该出现cs跳变，cs为低电平时，数据在sclk的上升沿出现时输入，串行输入数据保持在16位串行移位寄存器中。cs出现上升沿时，10位数据被传输到dac寄存器，更新dac。随着cs变为高电平，数据不能进入max504。max504以16位数据块输入数据，spi和microwire接口以8位数据块输出数据，因此，要求在2个写周期输入数据至dac，qspi接口要求8位到16位可变的数据输入，且以一个写周期载入dac。
5、max504的应用
根据max504的工作原理及上述工作时序，采用max504（单极性输出方式）增益为1的工作模式，可以设计无刷同步发电机励磁控制装置中80c196mc与max504的硬件接口电路，出图5所示。将max504的din、sclk和cs分别接到80c196mc的p2.5/compare1、p2.6/compare2和p2.7/compare3，无刷同步发电机转速信号fcpu输入80c196mc后，经过控制软件处理，然后通过p2.5/compare1将数字信号输出至max504的din，使max504产生所需电压基准信号vout，使之与实际检测电压进行pi计算后产生无刷同步发电机励磁机的励磁控制信号，接口控制软件如下：
6、结束语
设计的无刷同步发电机励磁控制装置现已应用于df8b型内燃机车的交流辅助传动系统，运行试验证明该控制装置能够满足实际应用要求。