過(guò)程校準儀中高精度電壓源的設計*

　　設計目的

　　在儀表校準中，我們希望直流電壓源的精度與分辨率能夠足夠的高，因為這是儀表能否校準好的關(guān)鍵所在。然而單純使用單片DAC實(shí)現源的方法不僅成本高，而且各項性能并不能得到保證，特別是在動(dòng)態(tài)范圍和分辨率上會(huì )產(chǎn)生矛盾。因此就設想使用一片雙通道的D/A轉換器來(lái)實(shí)現，即使用一個(gè)通道來(lái)實(shí)現電壓源的高精度，另一個(gè)通道來(lái)實(shí)現其對動(dòng)態(tài)范圍的要求。這樣在節約了成本的同時(shí)，動(dòng)態(tài)范圍與精度也都達到了要求。經(jīng)過(guò)分析,使用雙12位D/A轉換器LTC1590完全可以實(shí)現動(dòng)態(tài)范圍0～12.5V,分辨率為0.1mV的直流電壓源的產(chǎn)生。

　　設計實(shí)現

　　設計的思路是先產(chǎn)生一個(gè)分辨率為0.02mV，動(dòng)態(tài)范圍為0～2.5V的基本電壓信號Vstand，然后通過(guò)放大電路將該基本電壓放大5倍，就可以得到0～12.5V,分辨率為0.1mV的直流電壓，從而實(shí)現高精度的電壓源。因此，該設計中最核心的部分是標準電壓信號Vstand的產(chǎn)生。
  
　　標準電壓信號Vstand的產(chǎn)生

　　本設計中使用的是雙12位D/A芯片LTC1590CN，示意圖如圖1所示。

　　D/A1、D/A2分別代表的是LTC1590中兩個(gè)獨立的、精度都為12位的D/A轉換器。參考電壓都采用AD780提供的2.5V電壓。

　　D/A1用來(lái)提供粗調電壓V1。D/A2輸出的電壓V2經(jīng)過(guò)衰減200倍后得到精調電壓，中間所加的精密數字電位器起調節分辨率的作用，最后精調電壓與粗調電壓相加便得到標準電壓Vstand。

　　精密數字電位器采用的是8位256檔的AD8400，設W為AD8400的調節比例(0≤W≤1)，可以得到：V2’＝V2×W

　　于是V1分辨率=2.5V/212＝2.5V/4096=0.61035(mV)≈0.61 (mV)，

　　V2”分辨率=V2’分辨率/200=W×V2分辨率/200=W×2.5V/4096×200 ≈0.003W(mV)

　　則V1=V1分辨率×N， V2”=V2”分辨率×M(N，M=0~4096的整數)

　　最終的輸出電壓V為V1、V2”之和放大5倍，于是有：

　　V=5×Vstand=(V1+V2”)×5=(V1分辨率×N+V2”分辨率×M)×5

　　由于V1是粗調電壓，解決的是V的動(dòng)態(tài)范圍的問(wèn)題，而V的最小分辨率是由細調電壓V2”決定的，所以

　　V的分辨率=5×V2”分辨率=0.015W(mV)

　　由以上分析可知：使用這種方式得到的V的輸出動(dòng)態(tài)范圍可以達到0~12.5V，而分辨率約為0.015W （mV），若W=1(即不采用AD8400)，0.015mV與0.1mV不構成整數倍關(guān)系，單純的由程序控制不能達到0.1mV的分辨率要求。這就是為什么要采用精密數字電位器的原因。

　　當W=171/256時(shí)可以得到V的分辨率＝0.015W =0.01mV

　　這樣我們就從理論上得到了最后輸出的電壓源的分辨率可以達到0.01mV，不僅完全可以滿(mǎn)足系統所要求的0.1mV分辨率，還留有充足的余量，使得V的輸出可以通過(guò)對精密數字電位器以及D/A2的軟件修正來(lái)進(jìn)行校準，從而避免由于元器件溫度漂移、D/A非線(xiàn)性誤差等對輸出造成的影響。

　　產(chǎn)生Vstand的電路圖如圖2，Vstand在圖2中是網(wǎng)絡(luò )標號STAND_VOL所代表的信號。

　　高精度電壓源V的產(chǎn)生

　　將Vstand放大5倍輸出即可得到最終需要的高精度電壓源。該部分原理圖如圖3所示。

　　為了保證精度，整個(gè)系統的電路中所使用的運算放大器都是采用的高精度運放OPA2277PA。

　　AD780AN提供2.5V的基準參考電壓，TPS76350與TC7660分別提供部分芯片需要的±5V電壓，使用LT1316CS8構成24V的升壓模塊，這些部分的電路原理圖在此不作詳細介紹。

　　系統采用單片機SST89E58RD2進(jìn)行控制，另外的功能模塊以及外圍的鍵盤(pán)輸入、液晶顯示電路在此不作詳細介紹。最終的硬件實(shí)物如圖4所示。

　　硬件電路搭好之后，通過(guò)單片機程序將AD8400的值設為(向AD8400的寄存器寫(xiě)數據)，然后通過(guò)算法將預輸出的電壓值分別拆分成D/A1、D/A2各自需要輸出的電壓再將值寫(xiě)入LTC1590的寄存器中，便可從輸出端得到直流電壓V。

　　以上是整個(gè)系統的程序流程圖，先前一直介紹的便是此過(guò)程校準儀所擁有的4個(gè)功能中的電壓輸出功能。

　　重寫(xiě)先前的算式V=5×Vstand=(V1+V2”)×5=(V1分辨率×N+V2”分辨率×M)×5，V1相對于最終輸出電壓V的貢獻應該是提供V1分辨率×5=0.61305×5＝3.06525mV的改變量，然后通過(guò)V2來(lái)進(jìn)行細調。但是實(shí)際不可能在整個(gè)動(dòng)態(tài)范圍得到恒定的3.06525mV改變量，這點(diǎn)已經(jīng)在調試的過(guò)程中得到了證實(shí)，而純粹的使用程序消除不了這種由于器件非線(xiàn)性引起的誤差。

　　于是需要測量具體V1對V貢獻的電壓值，再通過(guò)V2進(jìn)行細調。如此的話(huà)需要測試整個(gè)V1的4096個(gè)值，這是現階段實(shí)現不了的(在以后如果引入自動(dòng)測試的話(huà)或許可以進(jìn)行)也是沒(méi)有必要的。分析精調電壓V2可以進(jìn)行調節的范圍為0.001×4096＝40.96mV>30.6525mV，因此V1可以以10倍的步進(jìn)進(jìn)行改變，如此需要進(jìn)行測量的值最多在409個(gè)，能夠做到。

　　具體實(shí)現的方法是：第一步，恒定V2的值為0，然后以10倍步進(jìn)改變V1，即分別給V1寫(xiě)值0、10、20、30……4080、4090，記錄下的這些值即是對應的V1對V的貢獻值；第二步，恒定V1為0，以較大步進(jìn)例如100來(lái)改變V2的值，通過(guò)這些值計算出V2對應的平均步進(jìn)，通過(guò)修改數字電位器來(lái)使其滿(mǎn)足0.01mV；第三步，把V1所對應的貢獻電壓值寫(xiě)入程序中；第四步，當要求輸出某個(gè)電壓時(shí)，先通過(guò)算式算出所需要的V1的值，再通過(guò)查表得到V1對V的貢獻值，然后通過(guò)算式確定V2的值，最后對V1、V2寫(xiě)值，得到最終電壓V。

　　除了上述消除非線(xiàn)性誤差的方法，還使用了針對線(xiàn)性誤差的校準方式，在此不做詳細描述，簡(jiǎn)單來(lái)講是使用了單片機的IAP功能來(lái)記錄誤差然后運用算式進(jìn)行消除。

　　測試實(shí)驗

　　由于電壓輸出的動(dòng)態(tài)范圍0～12.5V，分辨率為0.1mV。因此，所包含的點(diǎn)數為125000。如此多的點(diǎn)數在測試時(shí)，不可能也無(wú)需完全測量，只需測量不同輸出段的多個(gè)點(diǎn)，來(lái)說(shuō)明系統整體的性能指標。

　　結語(yǔ)

　　觀(guān)察上表，部分的輸出電壓有0.1mV的誤差。這是由于在系統定標校準時(shí)(進(jìn)行前述的消除非線(xiàn)性與線(xiàn)性誤差的方式)，采用的是HP34401進(jìn)行的系統定標，HP34401是五位半的萬(wàn)用表，與本系統的精度一致，因此在定標時(shí)就引入了系統誤差，而在測試實(shí)驗中依然采用的是HP34401，這就造成了部分數據的測試誤差。若采用六位半精度以上的萬(wàn)用表進(jìn)行系統定標以及測試，相信精度以及測試結果會(huì )更好。不過(guò)如今以本人所擁有的實(shí)驗條件已經(jīng)得到了令人滿(mǎn)意的實(shí)驗結果：即通過(guò)本文所闡述的此種方法確實(shí)能夠低成本地實(shí)現高精度直流電壓源。