設(shè)計(jì)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?yàn)檫@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(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)電壓源的高精度，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*可以實(shí)現(xiàn)動(dòng)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(jì)實(shí)現(xiàn)
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)高精度的電壓源。因此，該設(shè)計(jì)中zui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。
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，zui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)）
zui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zui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zui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)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(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)。
高精度電壓源v的產(chǎn)生
將vstand放大5倍輸出即可得到zui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(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。
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(pán)輸入、液晶顯示電路在此不作詳細(xì)介紹。zui終的硬件實(shí)物如圖4所示。
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。
以上是整個(gè)系統(tǒng)的程序流程圖，先前一直介紹的便是此過(guò)程校準(zhǔn)儀所擁有的4個(gè)功能中的電壓輸出功能。
重寫(xiě)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(duì)于zui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(guò)v2來(lái)進(jìn)行細(xì)調(diào)。但是實(shí)際不可能在整個(gè)動(dòng)態(tài)范圍得到恒定的3.06525mv改變量，這點(diǎn)已經(jīng)在調(diào)試的過(guò)程中得到了證實(shí)，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(cè)量具體v1對(duì)v貢獻(xiàn)的電壓值，再通過(guò)v2進(jìn)行細(xì)調(diào)。如此的話需要測(cè)試整個(gè)v1的4096個(gè)值，這是現(xiàn)階段實(shí)現(xiàn)不了的（在以后如果引入自動(dòng)測(cè)試的話或許可以進(jìn)行）也是沒(méi)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(cè)量的值z(mì)ui多在409個(gè)，能夠做到。
具體實(shí)現(xiàn)的方法是：*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(xiě)值0、10、20、30……4080、4090，記錄下的這些值即是對(duì)應(yīng)的v1對(duì)v的貢獻(xiàn)值;第二步，恒定v1為0，以較大步進(jìn)例如100來(lái)改變v2的值，通過(guò)這些值計(jì)算出v2對(duì)應(yīng)的平均步進(jìn)，通過(guò)修改數(shù)字電位器來(lái)使其滿足0.01mv;第三步，把v1所對(duì)應(yīng)的貢獻(xiàn)電壓值寫(xiě)入程序中;第四步，當(dāng)要求輸出某個(gè)電壓時(shí)，先通過(guò)算式算出所需要的v1的值，再通過(guò)查表得到v1對(duì)v的貢獻(xiàn)值，然后通過(guò)算式確定v2的值，zui后對(duì)v1、v2寫(xiě)值，得到zui終電壓v。
除了上述消除非線性誤差的方法，還使用了針對(duì)線性誤差的校準(zhǔn)方式，在此不做詳細(xì)描述，簡(jiǎn)單來(lái)講是使用了單片機(jī)的iap功能來(lái)記錄誤差然后運(yùn)用算式進(jìn)行消除。
測(cè)試實(shí)驗(yàn)
由于電壓輸出的動(dòng)態(tài)范圍0～12.5v，分辨率為0.1mv。因此，所包含的點(diǎn)數(shù)為125000。如此多的點(diǎn)數(shù)在測(cè)試時(shí)，不可能也無(wú)需*測(cè)量，只需測(cè)量不同輸出段的多個(gè)點(diǎn)，來(lái)說(shuō)明系統(tǒng)整體的性能指標(biāo)。
結(jié)語(yǔ)
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(shí)（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(wàn)用表，與本系統(tǒng)的精度一致，因此在定標(biāo)時(shí)就引入了系統(tǒng)誤差，而在測(cè)試實(shí)驗(yàn)中依然采用的是hp34401，這就造成了部分?jǐn)?shù)據(jù)的測(cè)試誤差。若采用六位半精度以上的萬(wàn)用表進(jìn)行系統(tǒng)定標(biāo)以及測(cè)試，相信精度以及測(cè)試結(jié)果會(huì)更好。不過(guò)如今以本人所擁有的實(shí)驗(yàn)條件已經(jīng)得到了令人滿意的實(shí)驗(yàn)結(jié)果：即通過(guò)本文所闡述的此種方法確實(shí)能夠低成本地實(shí)現(xiàn)高精度直流電壓源。