基本電壓Vstand生成電路圖

基本電壓Vstand生成電路圖

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的標(biāo)準(zhǔn)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。而動(dòng)態(tài)范圍為0～20mA、分辨率為0.001mA的高精度電流源則是通過(guò)將Vstand接到場(chǎng)效應(yīng)管的柵極來(lái)控制其漏極電流而得到。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。

Vstand的產(chǎn)生
本設(shè)計(jì)使用的是雙12位DAC LTC1590。Vstand的產(chǎn)生如圖1所示。

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圖1 基本電壓信號(hào)產(chǎn)生示意圖

D/A1、D/A2分別代表LTC1590中兩個(gè)獨(dú)立的、精度都為12位的DAC。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V2’’，中間所加的精密數(shù)字電位器起調(diào)節(jié)V2’’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)K為AD8400的調(diào)節(jié)比例(0≤K≤1)，可以得到：V2‘＝V2×K
于是V1分辨率=＝=0.61035(mV)≈0.61 (mV)，
V2‘‘分辨率=

≈0.003K(mV)
則V1= V1分辨率 ×N， V2‘‘= V2‘‘分辨率×M (N ，M為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=5Vstand=(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＝V分辨率＝5×V2‘‘分辨率＝0.003K×5=0.015K(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0.015K mV，若K＝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。

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圖2 基本電壓Vstand生成電路圖
當(dāng)K=時(shí)，可以得到電壓V的分辨率＝0.015K =0.01mV 。

這樣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，不僅可以滿足系統(tǒng)的0.1mV分辨率要求，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轉(zhuǎn)換非線性誤差等對(duì)輸出造成的影響。

產(chǎn)生Vstand的電路如圖2所示，Vstand在圖中是網(wǎng)絡(luò)標(biāo)號(hào)STAND_VOL所代表的信號(hào)。

高精度電壓V的產(chǎn)生
為了保證精度，整個(gè)系統(tǒng)的電路中所使用的運(yùn)算放大器都采用高精度運(yùn)放OPA2277。

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(xiě)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(xiě)入LTC1590的寄存器中，便可從輸出端得到直流電壓V(限于篇幅，Vstand5倍放大得到V的電路圖省略)。

高精度電流I的產(chǎn)生
電流源的實(shí)現(xiàn)依然是使用Vstand，其電路如圖3所示。

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圖3 電流源生成電路圖

此處不是利用MOSFET的轉(zhuǎn)移特性，而是采用電壓反饋的方式進(jìn)行電流控制。在場(chǎng)效應(yīng)管的漏極與源極間加上24V的電壓(由系統(tǒng)的其它模塊提供，限于篇幅不作說(shuō)明)，與外部所接負(fù)載構(gòu)成回路后，漏極電流便成為電流源的輸出電流。設(shè)輸出電流為I，則U8的引腳3引入的采樣電壓為10I，經(jīng)過(guò)10倍放大后變?yōu)?00I引入引腳6，由于5與6處的電壓值相等，所以Vstand＝100I (Vstand的最大輸出為2.5V，而I要求其輸出范圍為0～20mA,所以100倍的關(guān)系比較合適)，由于Vstand的分辨率＝V2‘‘分辨率＝0.002mV，理論上I的分辨率可以達(dá)到0.000002mA，完全可以滿足預(yù)計(jì)的0.001mA分辨率要求(Vstand以0.1mV的步進(jìn)改變即可)，于是高精度電流源得以實(shí)現(xiàn)。