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過(guò)程校準(zhǔn)儀中高精度電壓源的設(shè)計(jì)

作者: 時(shí)間:2013-06-07 來(lái)源:網(wǎng)絡(luò) 收藏

目的

本文引用地址:http://m.butianyuan.cn/article/159336.htm

在儀表中,我們希望直流源的精度與分辨率能夠足夠的高,因?yàn)檫@是儀表能否好的關(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)源的度,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的直流源的產(chǎn)生。

實(shí)現(xiàn)

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)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。

過(guò)程校準(zhǔn)儀中高精度電壓源的設(shè)計(jì)

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(mǎn)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,從而避免由于元器件溫度漂移、D/A非線(xiàn)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)。

過(guò)程校準(zhǔn)儀中高精度電壓源的設(shè)計(jì)

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。

過(guò)程校準(zhǔn)儀中高精度電壓源的設(shè)計(jì)

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。


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