引言

          在儀表校準(zhǔn)中,，希望直流電壓源或電流源的精度與分辨率足夠高，因為這是儀表能否校準(zhǔn)好的關(guān)鍵所在,。然而,，單純使用單個DAC的方法不僅成本高，而且各項性能并不能得到保證,，因此,，本文提出了一種使用一個雙通道DAC來實現(xiàn)

<高精度直流電壓/電流源的方法，即一個通道實現(xiàn)高精度要求,，另一個通道實現(xiàn)動態(tài)范圍要求,。這樣不僅節(jié)約了成本，精度也達(dá)到了要求,。

           系統(tǒng)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的標(biāo)準(zhǔn)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,。而動態(tài)范圍為0～20mA、分辨率為0.001mA的高精度電流源則是通過將Vstand接到場效應(yīng)管的柵極來控制其漏極電流而得到,。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。

            Vstand的產(chǎn)生

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

圖1   基本電壓信號產(chǎn)生示意圖

             D/A1、D/A2分別代表LTC1590中兩個獨立的,、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的動態(tài)范圍問題,，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＝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,。

圖2  基本電壓Vstand生成電路圖

             當(dāng)K=時，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轉(zhuǎn)換非線性誤差等對輸出造成的影響,。

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

             高精度電壓V的產(chǎn)生

             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采用高精度運放OPA2277,。

             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(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

             電流源的實現(xiàn)依然是使用Vstand，其電路如圖3所示,。

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現(xiàn),。

              測試實驗

              按照以上的高精度電壓與電流的產(chǎn)生方法進(jìn)行硬件設(shè)計，再加上鍵盤與液晶顯示器等模塊,，利用單片機(jī)控制,，便可構(gòu)成一個簡易的、可以提供高精度直流電壓與電流的儀表(限于篇幅,，其它模塊與程序設(shè)計不作說明),。

             系統(tǒng)定標(biāo)

              由于本系統(tǒng)是精密儀表設(shè)備。因此,，必須采用定標(biāo)消除系統(tǒng)誤差,。由于在本設(shè)計中MCU采用的是SST公司生產(chǎn)的89E58RC單片機(jī)。這種單片機(jī)為用戶提供了強(qiáng)大的IAP(In Application Program)功能,，并有8K flash ROM用于存儲數(shù)據(jù),。通過IAP，系統(tǒng)可以提取校準(zhǔn)數(shù)據(jù),，并將數(shù)據(jù)存儲,，在儀表輸出電壓/電流時就可以先提取相應(yīng)的校準(zhǔn)數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理。這樣就保證了該系統(tǒng)的精度,。

              測試試驗

              定標(biāo)后，采用安 捷倫公司的3485A進(jìn)行測試。表1與表2分別為測試的電壓輸出與電流輸出的實驗數(shù)據(jù),。

              結(jié)語

              綜上分析可知,本文所提出的寬動態(tài)范圍,、高分辨率的高精度直流電壓/電流源的設(shè)計方法是切實可行的，同時,，此設(shè)計方法節(jié)約了成本,。