一種新的高精密電壓源設(shè)計(jì)方案

標(biāo)簽：電壓源 A/D D/A

1 引言

電壓源，即理想電壓源，是從實(shí)際電源抽象出來(lái)的一種模型，在其兩端總能保持一定的電壓而不論流過的電流為多少。電壓源具有兩個(gè)基本的性質(zhì)：第一，它的端電壓定值U或是一定的時(shí)間函數(shù)U(t)與流過的電流無(wú)關(guān)。第二，電壓源自身電壓是確定的，而流過它的電流是任意的。

在自動(dòng)測(cè)試領(lǐng)域，為了檢測(cè)電壓型精密傳感器的配套系統(tǒng)，需要可調(diào)精密電壓源。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(duì)配置電壓值和多組實(shí)際測(cè)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(cè)接收到有效數(shù)據(jù)后，啟動(dòng)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(hào)通過儀用放大器INA114穩(wěn)壓輸出，;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(dòng)、檢測(cè)輸出電壓質(zhì)量并根據(jù)實(shí)時(shí)采樣值進(jìn)行修正。

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(guó)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(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(zhuǎn)換器的輸出范圍為0～2.5 V，其1個(gè)LSB為。

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(hào)范圍在0～50 mV，精度為，遠(yuǎn)小于10μV，滿足了設(shè)計(jì)要求。

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(cè)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(guó)A/D公司24 b低功耗、高精度的∑-△模/數(shù)轉(zhuǎn)換器AD7791。

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(duì)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(jiān)測(cè)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。

3 軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)程序軟件使用C語(yǔ)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(cè)、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(yǔ)

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(dòng)機(jī)地面綜合檢測(cè)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。