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。

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