過程校準(zhǔn)儀中高精度電壓源的設(shè)計*

　　設(shè)計目的

　　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，因為這是儀表能否校準(zhǔn)好的關(guān)鍵所在。然而單純使用單片DAC實現(xiàn)源的方法不僅成本高，而且各項性能并不能得到保證，特別是在動態(tài)范圍和分辨率上會產(chǎn)生矛盾。因此就設(shè)想使用一片雙通道的D/A轉(zhuǎn)換器來實現(xiàn)，即使用一個通道來實現(xiàn)電壓源的高精度，另一個通道來實現(xiàn)其對動態(tài)范圍的要求。這樣在節(jié)約了成本的同時，動態(tài)范圍與精度也都達(dá)到了要求。經(jīng)過分析,使用雙12位D/A轉(zhuǎn)換器LTC1590完全可以實現(xiàn)動態(tài)范圍0～12.5V,分辨率為0.1mV的直流電壓源的產(chǎn)生。

　　設(shè)計實現(xiàn)

　　設(shè)計的思路是先產(chǎn)生一個分辨率為0.02mV，動態(tài)范圍為0～2.5V的基本電壓信號Vstand，然后通過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，從而實現(xiàn)高精度的電壓源。因此，該設(shè)計中最核心的部分是標(biāo)準(zhǔn)電壓信號Vstand的產(chǎn)生。
  
　　標(biāo)準(zhǔn)電壓信號Vstand的產(chǎn)生

　　本設(shè)計中使用的是雙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中兩個獨立的、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用來提供粗調(diào)電壓V1。D/A2輸出的電壓V2經(jīng)過衰減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的動態(tài)范圍的問題，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的輸出可以通過對精密數(shù)字電位器以及D/A2的軟件修正來進(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STAND_VOL所代表的信號。

　　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，整個系統(tǒng)的電路中所使用的運算放大器都是采用的高精度運放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。最終的硬件實物如圖4所示。

　　硬件電路搭好之后，通過單片機(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。

　　以上是整個系統(tǒng)的程序流程圖，先前一直介紹的便是此過程校準(zhǔn)儀所擁有的4個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V2來進(jìn)行細(xì)調(diào)。但是實際不可能在整個動態(tài)范圍得到恒定的3.06525mV改變量，這點已經(jīng)在調(diào)試的過程中得到了證實，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。

　　于是需要測量具體V1對V貢獻(xiàn)的電壓值，再通過V2進(jìn)行細(xì)調(diào)。如此的話需要測試整個V1的4096個值，這是現(xiàn)階段實現(xiàn)不了的(在以后如果引入自動測試的話或許可以進(jìn)行)也是沒有必要的。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)行測量的值最多在409個，能夠做到。

　　具體實現(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應(yīng)的V1對V的貢獻(xiàn)值；第二步，恒定V1為0，以較大步進(jìn)例如100來改變V2的值，通過這些值計算出V2對應(yīng)的平均步進(jìn)，通過修改數(shù)字電位器來使其滿足0.01mV；第三步，把V1所對應(yīng)的貢獻(xiàn)電壓值寫入程序中；第四步，當(dāng)要求輸出某個電壓時，先通過算式算出所需要的V1的值，再通過查表得到V1對V的貢獻(xiàn)值，然后通過算式確定V2的值，最后對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，還使用了針對線性誤差的校準(zhǔn)方式，在此不做詳細(xì)描述，簡單來講是使用了單片機(jī)的IAP功能來記錄誤差然后運用算式進(jìn)行消除。

　　測試實驗

　　由于電壓輸出的動態(tài)范圍0～12.5V，分辨率為0.1mV。因此，所包含的點數(shù)為125000。如此多的點數(shù)在測試時，不可能也無需完全測量，只需測量不同輸出段的多個點，來說明系統(tǒng)整體的性能指標(biāo)。

　　結(jié)語

　　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(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是五位半的萬用表，與本系統(tǒng)的精度一致，因此在定標(biāo)時就引入了系統(tǒng)誤差，而在測試實驗中依然采用的是HP34401，這就造成了部分?jǐn)?shù)據(jù)的測試誤差。若采用六位半精度以上的萬用表進(jìn)行系統(tǒng)定標(biāo)以及測試，相信精度以及測試結(jié)果會更好。不過如今以本人所擁有的實驗條件已經(jīng)得到了令人滿意的實驗結(jié)果：即通過本文所闡述的此種方法確實能夠低成本地實現(xiàn)高精度直流電壓源。