高精密程控電壓源設計與實現(xiàn)

1 引言

　　在自動測試領域，為了檢測電壓型精密傳感器的配套系統(tǒng)，需要可調精密電壓源，其輸入范圍為0～50 mV，精度為10 μV，穩(wěn)定性要求非常高。傳統(tǒng)的精密電壓源一般采用精密電位器調節(jié)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，而且隨著溫度等外界條件的變化而變化，其波動范圍很難控制在10μV內。本文提出一種新的實現(xiàn)方案，采用閉環(huán)反饋控制方式，實時監(jiān)控電壓輸出端并根據(jù)實際情況進行調整；對配置電壓值和多組實際測試結果進行最小二乘擬合，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，輸出精度達到了±1.5μV，提高了輸出電壓的穩(wěn)定性。

2 硬件設計

2.1 工作原理

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

　　利用PC機輸入一個設定值，通過串口將數(shù)據(jù)送到單片機；單片機根據(jù)PC機與單片機的通信協(xié)議解析串口數(shù)據(jù)，當檢測接收到有效數(shù)據(jù)后，啟動D／A轉換器配置部分的軟件，將設定值轉化為數(shù)字量輸出到D／A轉換器；D／A轉換器將單片機輸出的數(shù)字量轉化為模擬量輸出到精密電阻衰減網(wǎng)絡，衰減系數(shù)可通過可調電位器調整，衰減后的信號通過儀用放大器INA114穩(wěn)壓輸出；同時A／D轉換器開始工作，連續(xù)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(jù)A／D轉換器采集的數(shù)據(jù)實時控制D／A轉換器的數(shù)字輸入端，修正環(huán)境溫度等外界因素引起的誤差，確保輸出電壓值滿足設計要求。

2.2 單片機模塊

　　單片機是系統(tǒng)的核心部分：通過RS 232串口和自擬的通信協(xié)議完成遠程控制、控制系統(tǒng)工作流程、初始化D／A和A／D并驅動、檢測輸出電壓質量并根據(jù)實時采樣值進行修正。單片機采用程控高精密電壓源的核心。它通過軟件的運行控制整個儀器的工作，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，并對信息進行處理，轉換成串行信號通過I／O模擬串口控制D／A的CS，Clock和Data引腳，將數(shù)據(jù)寫入到D／A，同時接收A／D采樣數(shù)據(jù)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，系統(tǒng)會自動調節(jié)電壓值，使之滿足輸出要求。

2.3 D／A轉換和精密電阻衰減網(wǎng)絡

　　D／A轉換電路以美國A／D公司的數(shù)／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線接口技術，能與SPI，QSPI，MICROWIRE和DSP接口兼容。

　　該D／A的無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LSB為。這個輸出精度不能滿足測量要求。

　　通過精密電阻衰減網(wǎng)絡把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，滿足了設計要求。同時，精密電阻衰減網(wǎng)絡將信號噪聲信號強度衰減原來的1／50，經(jīng)過儀用放大器INA114驅動后，輸出電壓十分穩(wěn)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性，采用A／D轉換電路實時監(jiān)測D／A輸出端電壓值，并傳送到單片機中，形成一個閉環(huán)系統(tǒng)。A／D轉換器使用美國A／D公司24 b低功耗、高精度的∑-△模／數(shù)轉換器AD7791。AD7791的電壓噪聲有效值僅1.5 μV，利用片內的時鐘電路工作。通過單片機I／O口模擬片選信號、串行時鐘信號和數(shù)據(jù)信號與AD7791通信，配置各個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，電路參數(shù)隨之改變，對于高精密輸出端電壓值會有十分明顯的影響。A／DC用來監(jiān)測D／A經(jīng)運放的輸出電壓值，并將采集的數(shù)據(jù)實時送到MCU。MCU取8次A／D采樣值平均后，根據(jù)實際情況做出相應的調整和修正，很好地補償了系統(tǒng)的非線性誤差。

3 軟件設計

　　系統(tǒng)程序軟件使用C語言設計，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

　　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)動機地面綜合檢測設備。

　　其在實際應用中取得了很好的效果，取代了傳統(tǒng)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(xiàn)了程控的靈活性。