高精密程控電壓源設計與實(shí)現

1 引言

　　在自動(dòng)測試領(lǐng)域，為了檢測電壓型精密傳感器的配套系統，需要可調精密電壓源，其輸入范圍為0～50 mV，精度為10 μV，穩定性要求非常高。傳統的精密電壓源一般采用精密電位器調節生成，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(zhù)溫度等外界條件的變化而變化，其波動(dòng)范圍很難控制在10μV內。本文提出一種新的實(shí)現方案，采用閉環(huán)反饋控制方式，實(shí)時(shí)監控電壓輸出端并根據實(shí)際情況進(jìn)行調整；對配置電壓值和多組實(shí)際測試結果進(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關(guān)系，并通過(guò)軟件修正了系統的非線(xiàn)性引起的誤差，輸出精度達到了±1.5μV，提高了輸出電壓的穩定性。

2 硬件設計

2.1 工作原理

　　該系統硬件由高性能單片機、數／模轉換器、高精密電阻衰減網(wǎng)絡(luò )、儀用放大器和A／D轉換器組成，其系統硬件結構如圖1所示。

　　利用PC機輸入一個(gè)設定值，通過(guò)串口將數據送到單片機；單片機根據PC機與單片機的通信協(xié)議解析串口數據，當檢測接收到有效數據后，啟動(dòng)D／A轉換器配置部分的軟件，將設定值轉化為數字量輸出到D／A轉換器；D／A轉換器將單片機輸出的數字量轉化為模擬量輸出到精密電阻衰減網(wǎng)絡(luò )，衰減系數可通過(guò)可調電位器調整，衰減后的信號通過(guò)儀用放大器INA114穩壓輸出；同時(shí)A／D轉換器開(kāi)始工作，連續采集運放輸出端的電壓值，以串行方式送到單片機中，單片機根據A／D轉換器采集的數據實(shí)時(shí)控制D／A轉換器的數字輸入端，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(mǎn)足設計要求。

2.2 單片機模塊

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

　　本設計中采用Atmel公司的低電壓、高性能8位CMOS單片機AT89C52。通過(guò)異步串口與主控計算機聯(lián)機通信，檢測并接收配置信息，并對信息進(jìn)行處理，轉換成串行信號通過(guò)I／O模擬串口控制D／A的CS，Clock和Data引腳，將數據寫(xiě)入到D／A，同時(shí)接收A／D采樣數據檢測運放輸出端電壓值，當電壓值因環(huán)境或溫度等外界條件影響而偏離誤差允許的范圍時(shí)，系統會(huì )自動(dòng)調節電壓值，使之滿(mǎn)足輸出要求。

2.3 D／A轉換和精密電阻衰減網(wǎng)絡(luò )

　　D／A轉換電路以美國A／D公司的數／模轉換芯片AD5551為核心構成，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轉換器，它們采用多功能3線(xiàn)接口技術(shù)，能與SPI，QSPI，MICROWIRE和DSP接口兼容。

　　該D／A的無(wú)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(mǎn)足測量要求。

　　通過(guò)精密電阻衰減網(wǎng)絡(luò )把D／A轉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，遠小于10μV，滿(mǎn)足了設計要求。同時(shí)，精密電阻衰減網(wǎng)絡(luò )將信號噪聲信號強度衰減原來(lái)的1／50，經(jīng)過(guò)儀用放大器INA114驅動(dòng)后，輸出電壓十分穩定，具有很好的負載和抗干擾能力。

2.4 A／D轉換電路

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

　　當環(huán)境溫度等外界條件發(fā)生改變時(shí)，電路參數隨之改變，對于高精密輸出端電壓值會(huì )有十分明顯的影響。A／DC用來(lái)監測D／A經(jīng)運放的輸出電壓值，并將采集的數據實(shí)時(shí)送到MCU。MCU取8次A／D采樣值平均后，根據實(shí)際情況做出相應的調整和修正，很好地補償了系統的非線(xiàn)性誤差。

3 軟件設計

　　系統程序軟件使用C語(yǔ)言設計，在Keil C51環(huán)境下編譯調試，采用模塊化結構，完成電壓輸出、電壓檢測、電壓補償和校準的閉環(huán)控制，其流程圖如圖2所示。

4 結 語(yǔ)

　　本文介紹的高精度程控電壓源結構緊湊、可控性高、成本較低，已成功應用于某機型發(fā)動(dòng)機地面綜合檢測設備。

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