過(guò)程校準(zhǔn)儀中高精度電壓源的設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)目的

在儀表校準(zhǔn)中，我們希望直流電壓源的精度與分辨率能夠足夠的高，因?yàn)檫@是儀表能否校準(zhǔn)好的關(guān)鍵所在。然而單純使用單片DAC實(shí)現(xiàn)源的方法不僅成本高，而且各項(xiàng)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(shè)想使用一片雙通道的D/A轉(zhuǎn)換器來(lái)實(shí)現(xiàn)，即使用一個(gè)通道來(lái)實(shí)現(xiàn)電壓源的高精度，另一個(gè)通道來(lái)實(shí)現(xiàn)其對(duì)動(dòng)態(tài)范圍的要求。這樣在節(jié)約了成本的同時(shí)，動(dòng)態(tài)范圍與精度也都達(dá)到了要求。經(jīng)過(guò)分析,使用雙12位D/A轉(zhuǎn)換器LTC1590完全可以實(shí)現(xiàn)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(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)

設(shè)計(jì)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(hào)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(xiàn)高精度的電壓源。因此，該設(shè)計(jì)中最核心的部分是標(biāo)準(zhǔn)電壓信號(hào)Vstand的產(chǎn)生。

標(biāo)準(zhǔn)電壓信號(hào)Vstand的產(chǎn)生

本設(shè)計(jì)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(dú)立的、精度都為12位的D/A轉(zhuǎn)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(diào)電壓V1。D/A2輸出的電壓V2經(jīng)過(guò)衰減200倍后得到精調(diào)電壓，中間所加的精密數(shù)字電位器起調(diào)節(jié)分辨率的作用，最后精調(diào)電壓與粗調(diào)電壓相加便得到標(biāo)準(zhǔn)電壓Vstand。

精密數(shù)字電位器采用的是8位256檔的AD8400，設(shè)W為AD8400的調(diào)節(jié)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(shù))

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(diào)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(xì)調(diào)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(dá)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(gòu)成整數(shù)倍關(guān)系，單純的由程序控制不能達(dá)到0.1mV的分辨率要求。這就是為 什么要采用精密數(shù)字電位器的原因。

當(dāng)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(dá)到0.01mV，不僅完全可以滿足系統(tǒng)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(duì)精密數(shù)字電位器以及D/A2的軟件修正來(lái)進(jìn)行校準(zhǔn)，從而避免由于元器件溫度漂移、D/A非線性誤差等對(duì)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(biāo)號(hào)STAND_VOL所代表的信號(hào)。

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(tǒng)的電路中所使用的運(yùn)算放大器都是采用的高精度運(yùn)放OPA2277PA。

AD780AN提供2.5V的基準(zhǔn)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(gòu)成24V的升壓模塊，這些部分的電路原理圖在此不作詳細(xì)介紹。

系統(tǒng)采用單片機(jī)SST89E58RD2進(jìn)行控制，另外的功能模塊以及外圍的鍵盤輸入、液晶顯示電路在此不作詳細(xì)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(jī)程序?qū)D8400的值設(shè)為(向AD8400的寄存器寫數(shù)據(jù))，然后通過(guò)算法將預(yù)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(tǒng)的程序流程圖，先前一直介紹的便是此過(guò)程校準(zhǔn)儀所擁有的4個(gè)功能中的電壓輸出功能。

重寫先前的算式V=5×Vstand=(V1+V2”)×5=(V1分辨率×N+V2”分辨率×M)×5，V1相對(duì)于最終輸出電壓V的貢獻(xiàn)應(yīng)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(xì)調(diào)。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(diào)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性引起的誤差。

于是需要測(cè)量具體V1對(duì)V貢獻(xiàn)的電壓值，再通過(guò)V2進(jìn)行細(xì)調(diào)。如此的話需要測(cè)試整個(gè)V1的4096個(gè)值，這是現(xiàn)階段實(shí)現(xiàn)不了的(在以后如果引入 自動(dòng)測(cè)試的話或許可以進(jìn)行)也是沒(méi)有必要的。分析精調(diào)電壓V2可以進(jìn)行調(diào)節(jié)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(cè)量的值最多在409個(gè)，能夠做到。

具體實(shí)現(xiàn)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寫值0、10、20、30……4080、4090，記錄 下的這些值即是對(duì)應(yīng)的V1對(duì)V的貢獻(xiàn)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(jì)算出V2對(duì)應(yīng)的平均步進(jìn)，通過(guò)修改數(shù)字 電位器來(lái)使其滿足0.01mV;第三步，把V1所對(duì)應(yīng)的貢獻(xiàn)電壓值寫入程序中;第四步，當(dāng)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(duì)V的貢獻(xiàn)值，然后通過(guò)算式確定V2的值，最后對(duì)V1、V2寫值，得到最終電壓V。

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

測(cè)試實(shí)驗(yàn)

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(shù)為125000。如此多的點(diǎn)數(shù)在測(cè)試時(shí)，不可能也無(wú)需完全測(cè)量，只需測(cè)量不同輸出段的多個(gè)點(diǎn)，來(lái)說(shuō)明系統(tǒng)整體的性能指標(biāo)。

結(jié)語(yǔ)

觀察上表，部分的輸出電壓有0.1mV的誤差。這是由于在系統(tǒng)定標(biāo)校準(zhǔn)時(shí)(進(jìn)行前述的消除非線性與線性誤差的方式)，采用的是HP34401進(jìn) 行的系統(tǒng)定標(biāo)，HP34401是五位半的萬(wàn)用表，與本系統(tǒng)的精度一致，因此在定標(biāo)時(shí)就引入了系統(tǒng)誤差，而在測(cè)試實(shí)驗(yàn)中依然采用的是HP34401，這就造 成了部分?jǐn)?shù)據(jù)的測(cè)試誤差。若采用六位半精度以上的萬(wàn)用表進(jìn)行系統(tǒng)定標(biāo)以及測(cè)試，相信精度以及測(cè)試結(jié)果會(huì)更好。不過(guò)如今以本人所擁有的實(shí)驗(yàn)條件已經(jīng)得到了令 人滿意的實(shí)驗(yàn)結(jié)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(xiàn)高精度直流電壓源。