基于STM 32和AD 5791的高精度數(shù)模轉(zhuǎn)換電路設(shè)計

　　崔海朋（青島杰瑞工控技術(shù)有限公司?青島266071）

　　摘?要：現(xiàn)在很多智能儀表中，要求有超高精度的電壓信號輸出，而且要求刷新率高、噪聲低，常規(guī)的處理電路比較復(fù)雜，難以實現(xiàn)自動校準(zhǔn)。為了解決該問題，采用了20位的高精度數(shù)模轉(zhuǎn)換器（DAC）AD5791，并應(yīng)用于基于STM32的測量儀表中。本文詳細(xì)介紹了軟硬件設(shè)計。此系統(tǒng)實現(xiàn)了超高精度的單路可調(diào)電壓輸出，精度高和噪聲低。

　　關(guān)鍵詞：數(shù)模轉(zhuǎn)換器；STM32；AD5791

　　0 引言

　　現(xiàn)在很多智能測量儀表要求具有超高精度的電壓信號，同時要求高穩(wěn)定性、高線形度和低噪聲、低溫度漂移。這樣的模擬系統(tǒng)設(shè)計面臨復(fù)雜的工程技術(shù)挑戰(zhàn)，常規(guī)的方法是采用多個較低分辨率的DAC和大量分立元件與支持IC整合在一起，同時伴隨著相當(dāng)大的開發(fā)風(fēng)險和高代價的修改時間，才能優(yōu)化電路參數(shù)、減小誤差和設(shè)計出復(fù)雜的自動校準(zhǔn)電路，這樣不僅增加了硬件設(shè)計的復(fù)雜性，通常達(dá)到的精度也不是很高。本系統(tǒng)設(shè)計的基于STM32微處理器和AD5791的20位超高精度測量系統(tǒng)中，實現(xiàn)了單路超高精度可調(diào)電壓信號的輸出，輸出電壓信號的幅值可以通過軟件來設(shè)置。該系統(tǒng)可靠性高，不需要校準(zhǔn)電路。

　　AD5791是美國ADI公司推出的一款高性能的單路20位電壓輸出數(shù)模轉(zhuǎn)換器, 它是業(yè)界首款具有真正1 ppm(百萬分之一)分辨率和精度的DAC器件 ^[1-2] 。雙極工作電壓高達(dá)33 V。同時AD5791具有1 ppm的分辨率和精度、低噪聲(l ppm以下)、快速刷新率(1 us)和非常低的輸出漂移(在l ppm以下)。該器件采用了多功能三線串行接口，并與SPI、QSPI ^TM 、MICROWIRE ^TM 和DSP接口標(biāo)準(zhǔn)兼容。該器件集成了一個上電復(fù)位電路，以確保DAC輸出能達(dá)到0V，并保持在已知輸出阻抗?fàn)顟B(tài)，直到有效寫入為止。該器件還提供了一個輸出鉗位功能，這使得其輸出在一個限定的負(fù)載狀態(tài)。綜上知，采用該款芯片，減少了復(fù)雜校準(zhǔn)算法的必要性，能極大地簡化設(shè)計任務(wù)、減少開發(fā)和維護(hù)成本，同時降低風(fēng)險。國內(nèi)相關(guān)學(xué)者在精密電壓源和醫(yī)療儀器中也得到了應(yīng)用 ^[3-4] 。

　　本系統(tǒng)的 Cortex-M3處理器為意法半導(dǎo)體公司推出的32位RISC處理器 STM32F103VCT6，主頻最高可達(dá)72 MHz，應(yīng)用也比較廣泛 ^[5] 。該處理器具有256KB的程序存儲器，48 KB的RAM，同時它有8個定時器、5路串口、3路SPI、2路I2C，具有獨(dú)立看門狗和窗口看門狗，非常適合于與AD5791構(gòu)成高精度的測量系統(tǒng)。

　　1 硬件電路設(shè)計

　　數(shù)模轉(zhuǎn)換電路中采用了1片參考電壓基準(zhǔn)產(chǎn)生芯片REF02AZ、1片超高精度雙路軌至軌輸出運(yùn)算放大器AD8676、1片高精度單路軌至軌輸出運(yùn)算放大器AD8675和20位超高精度數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片AD5791構(gòu)成。該電路性能穩(wěn)定，運(yùn)行效果非常好。下面對電路進(jìn)行詳細(xì)分析。

　　AD5791中，VDD為+15 V，VSS為-15 V。VREFPS和VREFPF用以提供AD5791的正參考電壓輸入，輸入范圍5V到VDD-2.5 V，本測試系統(tǒng)中使用了+5 V的參考電壓。VREFNS和VREFNF用以提供AD5791的負(fù)參考電壓輸入，輸入范圍VSS+2.5到0 V，本測試系統(tǒng)中使用了-5 V的參考電壓。AD5791的工作電壓為3.3 V。+5 V參考電壓由參考電壓產(chǎn)生芯片REF02AZ產(chǎn)生，負(fù)電壓是通過由OP177構(gòu)成的單位增益反向放大器來實現(xiàn)。±5 V電壓產(chǎn)生電路如圖1所示。

　　AD5791有7個用于與STM32處理器進(jìn)行通訊的引腳，下面逐一作詳細(xì)介紹：

　　RESET/：復(fù)位引腳，可以實現(xiàn)AD5791的復(fù)位；

　　CLR/：清零引腳，可以將AD5791內(nèi)部DAC寄存器的值恢復(fù)到用戶定義的值，并更新DAC的輸出；

　　LDAC/：用于更新AD5791內(nèi)部DAC寄存器的值，并更新DAC的輸出；

　　SDO：串行數(shù)據(jù)輸出引腳；

　　SDIN：串行數(shù)據(jù)輸入引腳；

　　SCLK：串行通訊時鐘信號輸入引腳，最高頻率可高達(dá)35 MHz；

　　SYNC/：串行輸入數(shù)據(jù)的幀同步信號；

　　由于STM32處理器采用了I/O口模擬SPI通訊的方式，所以通訊控制引腳可以連接到空余的STM32處理器的任何一個I/O引腳上，只要做相應(yīng)配置就可以。AD5791的應(yīng)用電路圖如圖2所示。其中，AD8675構(gòu)成電壓跟隨器，作為AD5791的輸出緩沖。硬件電路上模擬地和數(shù)字地分開，并在一點(diǎn)接地，同時各個電源都加有濾波電容，以消除干擾。

　　2 軟件設(shè)計

　　系統(tǒng)采用模擬SPI總線通信，軟件的關(guān)鍵是STM32處理器和 AD5791之間的時序匹配，輸出電壓值到AD5791的DAC寄存器的值的計算，下面分別進(jìn)行詳細(xì)介紹。

　　2.1 AD5791芯片配置

　　AD5791的配置，主要在于AD5791的控制寄存器的配置。為了使得AD5791和STM32處理器匹配使用，需要做如下配置，具體控制寄存器相關(guān)介紹和操作參見手冊。DBn（n=1…9）代表控制寄存器的第n位。

　　DB1 RBUF=1 內(nèi)部運(yùn)算放大器關(guān)閉

　　DB2 OPGND=0 將DAC輸出下拉到地的功能切換掉，使得DAC處于正常模式

　　DB3 DACTRI=0 使DAC處于正常操作模式

　　DB4 BIN/2sC=1 使用直接二進(jìn)制編碼，不使用二進(jìn)制補(bǔ)碼編碼的形式

　　DB5 SDODIS=0 SDO數(shù)據(jù)輸出使能

　　DB6-DB9 LIN_COMP=0 參考電壓輸入范圍選擇為10 V

　　按照上述的配置，將相應(yīng)配置字寫入到AD5791的控制寄存器內(nèi)部，AD5791就可以正常工作了。此處值得注意的是DB4位，一定要選擇好相應(yīng)的編碼形式，否則輸出電壓會和計算值不符合。

　　2.2 ST M 32接口配置

　　STM32處理器的SPI 發(fā)送和接收都采用的是I/O口模擬的方式，因此I/O的初始化比較簡單，除了DAC1_SDO網(wǎng)絡(luò)標(biāo)號的引腳設(shè)置為輸入模式外，其他通訊用的引腳都設(shè)置為輸出模式。

　　2.3 數(shù)模轉(zhuǎn)換輸出

　　數(shù)模轉(zhuǎn)換輸出，主要涉及3個子程序，芯片上電初始化子程序，芯片控制寄存器初始化子程序和電壓輸出子程序3個部分。下面給出AD5791讀寫函數(shù)和測試的例子。

　　u32 AD5791_Read(void)//讀取的24bit的數(shù)據(jù)

{

unsigned int i,j;

u32 data,c;

data=0;

AD5791_sync_0();

AD5791_sclk_0();

for(i=0;i<24;i++)

{

j=3;

data=data<<1;

AD5791_sclk_1();

while(j--);

c=GET_AD5791_SO();

AD5791_sclk_0();

data=data|c;

}

AD5791_sclk_0();

AD5791_sync_1();

return(data);

}

void AD5791_Write(unsigned long OutData) //寫一

個24 bit的數(shù)值

{

unsigned char i;

unsigned long value;

value = OutData & 0x00ffffff; //取低24bit

value = value<<8; //左移8位,ok

AD5791_ldac_1();

AD5791_sclk_1();

AD5791_sync_1();

AD5791_sync_0();

for ( i = 0; i < 24; i ++ )

{

AD5791_sclk_1();

ad5791delay();

if((value & 0x80000000) == 0x80000000)

{

AD5791_sdin_1();

}

else

{

AD5791_

sdin_0();

}

ad5791delay();

AD5791_sclk_0();

ad5791delay();

value = value << 1;

}

AD5791_sync_1();

ad5791delay();

AD5791_ldac_0();

ad5791delay();

AD5791_ldac_1();

ad5791delay();

}

/*入口參數(shù)：outvalue 輸出的電

壓的值*/

void test_ad5791(double outvalue)

{

double temp=0.0;

long temp1=0;

Ad5791_gpio_init(); //AD5791 I/O口初始化

Ad5791_clr_init();//AD5791 清零

Reset_ad5791(); //AD5791 復(fù)位

Write_ad5791_control_register();//寫AD5791的控

制寄存器

temp=（（outvalue+5.0）*1048575.0）/10.0;//計

算DAC輸出值

temp1=(long)temp | 0x00100000;

Write_ad5791_dac_register(temp1);//寫AD5791的

dac寄存器,同時輸出相應(yīng)電壓

}

　　程序中對AD5791芯片進(jìn)行相應(yīng)初始化以及寫AD5791的相應(yīng)寄存器都采用I/O模擬相應(yīng)時序的方法。其中寫模式的時序如圖3所示。寫數(shù)據(jù)時，注意先寫高位，再寫低位，必須嚴(yán)格按照時序來寫入。

　　3 結(jié)束語

　　本系統(tǒng)成功實現(xiàn)了基于STM32處理器和AD5791的20位高精度電壓輸出系統(tǒng)，給出了全新實用的硬件和軟件設(shè)計，適用于對輸出高精度模擬電壓有需要的智能儀表場合中。該系統(tǒng)精度高，漂移低，可靠性高，可以應(yīng)用于醫(yī)療儀器、測試測量儀表、工業(yè)控制以及高端科學(xué)和航空航天儀器中，具有很好的應(yīng)用前景。

　　參考文獻(xiàn)：

　　[1]AD5791 Datasheet Rev.E[EB]. Analog Devices, Inc,2018.

　　[2]AD5791:20位電壓輸出數(shù)模轉(zhuǎn)換解決方案[J].世界電子元器件,2011(2    ):15-16.

　　[3]薛巨峰,李壯,魯志軍.基于20位DAC—AD5791的高精度電壓源的設(shè)計[J].電子技術(shù),2015,44(09):59-62.

　　[4]Jan-Hein Broeders.采用ADI 20位DAC設(shè)計醫(yī)療成像系統(tǒng)[J].電子設(shè)計技術(shù),2011(7):58.

　　[5]王永虹,徐煒,郝立平.STM32系列ARMCortex-M3微控制器原理及實踐[M].北京:北京航空航天大學(xué)出版社,2008.

　?。ㄗⅲ罕疚膩碓从诳萍计诳峨娮赢a(chǎn)品世界》2020年第06期第39頁，歡迎您寫論文時引用，并注明出處。）