0~100 mV精密電壓源的設(shè)計(jì)與仿真

0~100 mV精密電壓源是航空發(fā)動(dòng)機(jī)溫度控制盒等重要控制系統(tǒng)定檢時(shí)必不可少的激勵(lì)信號(hào)源，設(shè)計(jì)時(shí)要求該精密信號(hào)源的輸出信號(hào)偏移量ΔUomax≤0.02 mV,最大輸出驅(qū)動(dòng)電流Iomax=20mA,輸出范圍：0≤Uo≤100 mV，對(duì)系統(tǒng)的穩(wěn)定性要求非常高。對(duì)此要求，傳統(tǒng)的精密電壓源一般采用模擬電路，由精密電位器調(diào)節(jié)生成，需要很高的D/A分辨率和抗干擾能力[1]。這種電壓源不但操作不方便，而且隨溫度等外界條件影響較大，因而還要加上恒溫箱和冷卻風(fēng)扇等輔助措施，大大增加了定檢設(shè)備的體積和成本，而且輸出精度和驅(qū)動(dòng)能力也難以滿足要求。
針對(duì)上述問(wèn)題，本文提出了一種新的設(shè)計(jì)方案。為確保系統(tǒng)軟硬件設(shè)計(jì)的正確性和縮短開發(fā)周期，本文基于Proteus平臺(tái)對(duì)系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計(jì)進(jìn)行了仿真。Protues具有強(qiáng)大的電路仿真功能,獨(dú)一無(wú)二地支持外圍數(shù)電/模電與處理器的協(xié)同仿真[2]，真正實(shí)現(xiàn)了虛擬物理原型功能，在目標(biāo)板還沒(méi)有制作前，就可以對(duì)軟硬件系統(tǒng)的功能和性能指標(biāo)進(jìn)行充分調(diào)整，極大地增加了設(shè)計(jì)的準(zhǔn)確性，并顯著縮短了開發(fā)時(shí)間。
1 系統(tǒng)的工作原理
該系統(tǒng)的組成框圖如圖1所示。系統(tǒng)的工作原理是：上位機(jī)將需要輸出的精密電壓對(duì)應(yīng)的控制碼通過(guò)RS232串口發(fā)送給單片機(jī)，單片機(jī)再控制D/A轉(zhuǎn)換芯片將數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換為模擬電壓信號(hào)；為減小系統(tǒng)控制誤差以及溫度、電源電壓波動(dòng)等因素對(duì)輸出電壓的干擾，還需對(duì)D/A轉(zhuǎn)換后的模擬電壓進(jìn)行衰減,其衰減倍數(shù)由以下分析確定。

電壓再衰減100倍。考慮到環(huán)境溫度的變化和元器件自身的溫度漂移特性,系統(tǒng)增設(shè)了A/D轉(zhuǎn)換模塊和微型液晶顯示模塊用以輸出監(jiān)控。
2 系統(tǒng)硬件選擇與仿真設(shè)計(jì)
2.1 硬件選擇
系統(tǒng)主控單片機(jī)選用Atmel公司的AT89S51單片機(jī);D/A芯片選用ADI公司的高精度、完全集成的低成本16 bit D/A轉(zhuǎn)換器AD5422,其輸出量程設(shè)置為0~10 V;A/D芯片選擇Linear公司推出的16 bit逐次逼近型A/D轉(zhuǎn)換器LTC1865,若將LTC1865的參考電壓設(shè)定為1 V，則該芯片的分辨率為1 000 mV/216=0.015 mV,可以滿足系統(tǒng)輸出信號(hào)偏移量ΔUomax≤0.02 mV的要求;顯示器件采用1602LCD微型液晶顯示器。
2.2 系統(tǒng)仿真設(shè)計(jì)
系統(tǒng)的仿真原理圖可分為圖2(a)所示的D/A轉(zhuǎn)換電路和圖2(b)所示的A/D采集與顯示電路兩部分。
D/A轉(zhuǎn)換電路的工作原理是：AD5422在單片機(jī)的3個(gè)I/O口（P1.0、P1.1、P1.2）的控制下，將轉(zhuǎn)換后的模擬電壓由Vout引腳輸出。為確保輸出電壓穩(wěn)定，在Vout引腳和+Vsense引腳之間通過(guò)電阻R1引入負(fù)反饋。輸出電壓經(jīng)電阻R3、R4串聯(lián)分壓(衰減)后，再送入高精密放大器LM2902進(jìn)行放大，可得精密電壓輸出信號(hào)Vout。

A/D采集與顯示電路的工作原理是：圖2(a)輸出的精密電壓信號(hào)Vout送入16 bit A/D芯片LTC1865的CH0通道,該芯片在單片機(jī)的3個(gè)I/O口(P1.4、P1.5、P1.6)的控制下，可將模擬電壓轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，并將轉(zhuǎn)換結(jié)果通過(guò)SDO引腳送入單片機(jī)的P1.7引腳。單片機(jī)通過(guò)對(duì)A/D采集結(jié)果的分析，即可實(shí)現(xiàn)對(duì)輸出信號(hào)的反饋控制。同時(shí)，還可利用A/D采集結(jié)果計(jì)算出輸出電壓Vout，并通過(guò)單片機(jī)P0口送入LCD1602微型液晶顯示器進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示。
3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
本文采用上位機(jī)（PC）向單片機(jī)串口發(fā)送數(shù)字的方式來(lái)控制精密電壓的輸出，從而替代傳統(tǒng)的調(diào)節(jié)電位器的模擬電壓控制方式。為保證單片機(jī)能對(duì)上位機(jī)發(fā)送來(lái)的數(shù)字進(jìn)行實(shí)時(shí)處理，需利用單片機(jī)的串口中斷服務(wù)程序控制D/A轉(zhuǎn)換。系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)包括4個(gè)模塊：（1）串口中斷模塊，用于接收上位機(jī)發(fā)來(lái)的數(shù)字信號(hào)；（2）D/A轉(zhuǎn)換驅(qū)動(dòng)模塊,用于驅(qū)動(dòng)AD5422將串口接收的數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換為模擬電壓；（3）A/D采集模塊，用于驅(qū)動(dòng)LTC1865將輸出的精密電壓轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào),實(shí)現(xiàn)對(duì)輸出電壓的修正；（4）LCD顯示模塊，用于實(shí)時(shí)顯示輸出電壓。系統(tǒng)的軟件流程圖如圖3所示。系統(tǒng)軟件采用C語(yǔ)言設(shè)計(jì)，在 Keil μVision3環(huán)境下編譯調(diào)試。

　

?。?）16 bit D/A轉(zhuǎn)換芯片AD5422輸出電壓的控制誤差及溫度偏移誤差經(jīng)后級(jí)精密電阻衰減網(wǎng)絡(luò)衰減100倍后，完全可以滿足設(shè)計(jì)要求。
?。?）將16 bit A/D芯片的參考電壓選定為1 V，可以實(shí)現(xiàn)分辨率為0.015 mV的輸出電壓反饋控制,從而對(duì)輸出誤差進(jìn)行實(shí)時(shí)修正。
（3）本文設(shè)計(jì)的0~100 mV精密電壓源的輸出信號(hào)偏移量ΔUomax≤0.02 mV，最大輸出驅(qū)動(dòng)電流為20 mA，可很好地滿足定檢要求。
參考文獻(xiàn)
[1] 樂(lè)千榿, 徐靜. 高精密程控電壓源的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].現(xiàn)代電子技術(shù), 2008,12（1）:25-26.
[2] 張靖武,周靈彬. 單片機(jī)系統(tǒng)的Proteus設(shè)計(jì)與仿真[M]. 北京: 電子工業(yè)出版社,2008.