高精密程控電壓源設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

1 引言

　　在自動測試領(lǐng)域，為了檢測電壓型精密傳感器的配套系統(tǒng)，需要可調(diào)精密電壓源，其輸入范圍為0～50 mV，精度為10 μV，穩(wěn)定性要求非常高。傳統(tǒng)的精密電壓源一般采用精密電位器調(diào)節(jié)生成，需要高的D／A分辨率和抗干擾能力。這種電壓源操作不方便，而且隨著溫度等外界條件的變化而變化，其波動范圍很難控制在10μV內(nèi)。本文提出一種新的實(shí)現(xiàn)方案，采用閉環(huán)反饋控制方式，實(shí)時(shí)監(jiān)控電壓輸出端并根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行調(diào)整；對配置電壓值和多組實(shí)際測試結(jié)果進(jìn)行最小二乘擬合，得到配置電壓值與理想輸出值之間的函數(shù)關(guān)系，并通過軟件修正了系統(tǒng)的非線性引起的誤差，輸出精度達(dá)到了±1.5μV，提高了輸出電壓的穩(wěn)定性。

2 硬件設(shè)計(jì)

2.1 工作原理

　　該系統(tǒng)硬件由高性能單片機(jī)、數(shù)／模轉(zhuǎn)換器、高精密電阻衰減網(wǎng)絡(luò)、儀用放大器和A／D轉(zhuǎn)換器組成，其系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示。

　　利用PC機(jī)輸入一個(gè)設(shè)定值，通過串口將數(shù)據(jù)送到單片機(jī)；單片機(jī)根據(jù)PC機(jī)與單片機(jī)的通信協(xié)議解析串口數(shù)據(jù)，當(dāng)檢測接收到有效數(shù)據(jù)后，啟動D／A轉(zhuǎn)換器配置部分的軟件，將設(shè)定值轉(zhuǎn)化為數(shù)字量輸出到D／A轉(zhuǎn)換器；D／A轉(zhuǎn)換器將單片機(jī)輸出的數(shù)字量轉(zhuǎn)化為模擬量輸出到精密電阻衰減網(wǎng)絡(luò)，衰減系數(shù)可通過可調(diào)電位器調(diào)整，衰減后的信號通過儀用放大器INA114穩(wěn)壓輸出；同時(shí)A／D轉(zhuǎn)換器開始工作，連續(xù)采集運(yùn)放輸出端的電壓值，以串行方式送到單片機(jī)中，單片機(jī)根據(jù)A／D轉(zhuǎn)換器采集的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)控制D／A轉(zhuǎn)換器的數(shù)字輸入端，修正環(huán)境溫度等外界因素引起的誤差，確保輸出電壓值滿足設(shè)計(jì)要求。

2.2 單片機(jī)模塊

　　單片機(jī)是系統(tǒng)的核心部分：通過RS 232串口和自擬的通信協(xié)議完成遠(yuǎn)程控制、控制系統(tǒng)工作流程、初始化D／A和A／D并驅(qū)動、檢測輸出電壓質(zhì)量并根據(jù)實(shí)時(shí)采樣值進(jìn)行修正。單片機(jī)采用程控高精密電壓源的核心。它通過軟件的運(yùn)行控制整個(gè)儀器的工作，從而完成設(shè)定的功能。

　　本設(shè)計(jì)中采用Atmel公司的低電壓、高性能8位CMOS單片機(jī)AT89C52。通過異步串口與主控計(jì)算機(jī)聯(lián)機(jī)通信，檢測并接收配置信息，并對信息進(jìn)行處理，轉(zhuǎn)換成串行信號通過I／O模擬串口控制D／A的CS，Clock和Data引腳，將數(shù)據(jù)寫入到D／A，同時(shí)接收A／D采樣數(shù)據(jù)檢測運(yùn)放輸出端電壓值，當(dāng)電壓值因環(huán)境或溫度等外界條件影響而偏離誤差允許的范圍時(shí)，系統(tǒng)會自動調(diào)節(jié)電壓值，使之滿足輸出要求。

2.3 D／A轉(zhuǎn)換和精密電阻衰減網(wǎng)絡(luò)

　　D／A轉(zhuǎn)換電路以美國A／D公司的數(shù)／模轉(zhuǎn)換芯片AD5551為核心構(gòu)成，AD5551是單極電源、14位分辨率、串行輸入、電壓輸出的高精度低溫漂的D／A轉(zhuǎn)換器，它們采用多功能3線接口技術(shù)，能與SPI，QSPI，MICROWIRE和DSP接口兼容。

　　該D／A的無緩沖輸出減少了輸出緩沖所引起的功耗和偏離誤差。D／A參考電壓采用外部參考電壓模式，參考電壓為2.5 V，則D／A轉(zhuǎn)換器的輸出范圍為0～2.5 V，其1個(gè)LSB為。這個(gè)輸出精度不能滿足測量要求。

　　通過精密電阻衰減網(wǎng)絡(luò)把D／A轉(zhuǎn)換器輸出的電壓值衰減了150倍，則衰減后的信號范圍在0～50 mV，精度為，遠(yuǎn)小于10μV，滿足了設(shè)計(jì)要求。同時(shí)，精密電阻衰減網(wǎng)絡(luò)將信號噪聲信號強(qiáng)度衰減原來的1／50，經(jīng)過儀用放大器INA114驅(qū)動后，輸出電壓十分穩(wěn)定，具有很好的負(fù)載和抗干擾能力。

2.4 A／D轉(zhuǎn)換電路

　　考慮到外界環(huán)境因素和元器件自身的的溫漂和非線性，采用A／D轉(zhuǎn)換電路實(shí)時(shí)監(jiān)測D／A輸出端電壓值，并傳送到單片機(jī)中，形成一個(gè)閉環(huán)系統(tǒng)。A／D轉(zhuǎn)換器使用美國A／D公司24 b低功耗、高精度的∑-△模／數(shù)轉(zhuǎn)換器AD7791。AD7791的電壓噪聲有效值僅1.5 μV，利用片內(nèi)的時(shí)鐘電路工作。通過單片機(jī)I／O口模擬片選信號、串行時(shí)鐘信號和數(shù)據(jù)信號與AD7791通信，配置各個(gè)寄存器以適應(yīng)相應(yīng)的工作模式和狀態(tài)。

　　當(dāng)環(huán)境溫度等外界條件發(fā)生改變時(shí)，電路參數(shù)隨之改變，對于高精密輸出端電壓值會有十分明顯的影響。A／DC用來監(jiān)測D／A經(jīng)運(yùn)放的輸出電壓值，并將采集的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)送到MCU。MCU取8次A／D采樣值平均后，根據(jù)實(shí)際情況做出相應(yīng)的調(diào)整和修正，很好地補(bǔ)償了系統(tǒng)的非線性誤差。

3 軟件設(shè)計(jì)

　　系統(tǒng)程序軟件使用C語言設(shè)計(jì)，在Keil C51環(huán)境下編譯調(diào)試，采用模塊化結(jié)構(gòu)，完成電壓輸出、電壓檢測、電壓補(bǔ)償和校準(zhǔn)的閉環(huán)控制，其流程圖如圖2所示。

4 結(jié) 語

　　本文介紹的高精度程控電壓源結(jié)構(gòu)緊湊、可控性高、成本較低，已成功應(yīng)用于某機(jī)型發(fā)動機(jī)地面綜合檢測設(shè)備。

　　其在實(shí)際應(yīng)用中取得了很好的效果，取代了傳統(tǒng)的模擬電路構(gòu)建的高精密電壓源，降低了成本，提高了精密電壓輸出精度，體現(xiàn)了程控的靈活性。