DAC8412转换器及其在光纤陀螺检测电路中的应用＊

鲁 军，刘 军，王立冬，殷建玲，余伟涛

（军械工程学院 光学与电子工程系，河北 石家庄 050003）

引 言

基于光学Sagnac效应的光纤陀螺通过多年的研究与发展，已成为目前国内惯性仪表领域的主流陀螺之一。它具有无转动部件的全固态结构、动态范围大、响应速度快、功耗低、抗冲击振动、启动过程短、寿命长等突出优点［1，2］，精度可以覆盖从战术级到战略级、从民用到军用多种领域，具有良好的应用前景。

数字闭环光纤陀螺检测电路原理如图1所示［3］。

光纤陀螺检测电路包括信号检测部分、数字信号处理部分和数字相位阶梯波反馈三部分，主要完成信号解调、信号处理和信号反馈等功能。具体由前置放大电路、A／D转换电路、D／A转换电路、时序控制电路及以FPGA为核心的数字信号处理电路组成。检测电路中的方波产生部分、D／A反馈部分和光源驱动电路中的恒流源部分都需要可调的电压基准，原方案中采用电压基准再分压得到，调试较麻烦。文中提出采用FPGA控制多路D／A的方法得到多路电压基准，实现了调试的程序控制，给陀螺电路调试带来极大方便。

图1 闭环检测原理Fig.1 Detection principle of closed circuit

1 DAC8412的特点

DAC8412是由ADI公司推出的4路、12位数模转换器［4］。该转换器是具有回读能力的电压输出DAC，采用高压BiCMOS工艺制造，这种单片集成电路DAC提供了非常高的封装密度。输出电压摆幅则是由两个参考输入VREFH和VREFL共同决定。通过设置在VREFL输入为0V和VREFH输入为正电压，则DAC提供单极性正输出范围。一个类似的配置与VREFH在0V和VREFL在一负电压提供了一个单极性负输出范围。双极性输出的配置，连接在VREFH和VREFL为非零电压。这种设定输出电压范围的方法比较灵活。数字控制允许用户载入或者回读来自任何DAC的数据，载入任何一个DAC并在同一时间将数据传输到所有的DAC。RESET低电平有效时，对于DAC8412载入所有的DAC输出寄存器到中间刻度。DAC8412可以采用28线陶瓷DIP封装。电源电压是±15V，参考电压±10V。功耗小于330mW。DAC8412主要应用于自动测试设备，数字控制校准，伺服系统控制，过程控制设备。

2 电路设计

DAC把输入的数字量转换为随输入变化的模拟量。检测电路中的方波产生部分、D／A反馈部分和光源驱动电路中的恒流源部分都需要可调的电压基准，也就是说需要三路可变的电压信号。DAC8412输出四路模拟量，因此满足转换通道数要求。多路DAC8412转换电路包括FPGA电路、D／A转换电路两部分，硬件框图如图2所示。

2.1 FPGA电路

FPGA在光纤陀螺检测电路中作为整个信号处理系统的核心，要完成的任务包括数字解调、时序控制、数据存储、数据格式转换等几部分功能。FPGA在多路DAC8412转换电路中负责向DAC8412提供输入数字量和时序逻辑控制。电路原理框图如图3所示。

图2 多路D／A转换电路框图Fig.2 Circuit diagram of multichannel D／A

图3 FPGA原理框图Fig.3 Principle diagram of FPGA

FPGA采用Altera公司的ACEX lK系列EP1K50TC144－3，EP1K50TC144－3器件是Altera公司2000年推出的高性能、低价格SRAM工艺PLD，具有50 000个可用门［5］。在外围电路中，EPC2是存储器件配置数据的串行PROM，下载插座JTAG提供在线可编程的接口。TPS767D325是基准电源，为EP1K50TC144－3提供3.3VI／O引脚电压和2.5V核电压。图3中、A0、A1、、和是FPGA输出的DAC8412控制信号线，DB［0..11］是FPGA输出的DAC8412数据信号线。

2.2 D／A转换电路

图4 D／A转换电路Fig.4 D／A convert circuit

AD584为DAC8412提供电压基准。它是一款精密基准电压源，提供引脚可编程的四种常用输出电压选择：10.000V、7.500V、5.000V和2.500V。高于、低于或介于四种标准输出之间的其它输出电压，可以通过增加外部电阻来获得。输入电压范围为4.5～30V。该器件采用激光晶圆调整技术来调整引脚可编程的输出电平和温度系数，从而获得最为灵活的单芯片、高精度基准电压源。AD584推荐用作需要外部精密基准电压源的8位、10位或12位数模转换器的基准电压源。该器件也非常适合最高14位精度的所有类型模数转换器，无论是逐次逼近型还是集成式设计，而且其性能通常优于标准独立式基准电压源。

如图4接法AD584为DAC8412提供2.500V电压基准，即DAC8412的参考输入VREFH接2.5V电压，VREFL接地，则DAC8412通道输出电压在0～2.5V之间，D／A转换精度为：

3 FPGA程序设计

采用硬件描述语言Verilog HDL进行FPGA编程［6］，以VOUTA通道控制为例说明程序设计。

各点仿真波形如图5所示。

图5 仿真波形Fig.5 Emulation waveform

4 测试结果

对电压基准来说，D／A的稳定性比较重要，线性不重要。对DAC8412的VOUTA通道进行测试，FPGA向DAC8412输入数字量，由高精度电压表观察输出情况。图6为常温下输入为7FFH时电压测试曲线，去掉了极点，输出估算值为1 250.0mV。

图6中电压最大值为1 249.9mV，最小值为1 247.2mV，变化量为2.7mV，平均值为1 249.0mV，标准方差为6.81×10－4。

图6 DAC8412输出曲线Fig.6 The stability of DAC8412output

5 结 论

把FPGA控制多路D／A的电路接入光纤陀螺检测电路，陀螺零漂测试精度跟采用电压基准再分压的方法一样，说明该电路设计合理，能够满足整个陀螺系统对电压基准调整稳定性的要求。值得指出的是：这种方法提高了陀螺调试的程序控制化水平，但理论上认为采用电压基准再分压的方法得到电压基准更为稳定，因为D／A输出有LSB漂移［7］；可以把12位并行输入的DAC8412换成串行输入的多路D／A，这样可以减少FPGA管脚使用数。

［1］ 张桂才.光纤陀螺原理与技术［M］.北京：国防工业出版社，2008：1－3.

［2］ 王 研.数字闭环光纤陀螺环路控制特性研究［D］.北京：北京航空航天大学，2004：1－2.

［3］ 张 唏.光纤陀螺闭环检测与控制［D］.北京：北京航空航天大学，2001：19－21.

［4］ 何希才.常用集成电路简明速查手册［M］.北京：国防工业出版社，2006：246－247.

［5］ 褚振勇，翁木云.FPGA设计及应用［M］.西安：西安电子科技大学出版社，2002：43－45.

［6］ 夏宇闻.Verilog数字系统设计教程［M］.北京：北京航空航天大学出版社，2008：167－168.

［7］ 宋凝芳，崔未东，潘 雄.D／A量化对数字闭环光纤陀螺测量精度的影响分析［J］.光学仪器，2010，32（3）：1－4.