摘 要： 介紹了多功能單片機(jī)MSC1210和16位D/A轉(zhuǎn)換器AD5061的功能特點(diǎn)及精密電阻儀的設(shè)計(jì)思想和工作原理,，突出關(guān)鍵器件的選用和高精度低溫漂恒流源電路設(shè)計(jì)。采用輸出電流經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換反饋回單片機(jī)的外部閉環(huán)誤差調(diào)整和由運(yùn)算放大器等構(gòu)成深度負(fù)反饋的內(nèi)部閉環(huán)穩(wěn)定系統(tǒng),，實(shí)現(xiàn)高精度恒流輸出和精細(xì)測(cè)量目標(biāo),。
關(guān)鍵詞： MSC1210；AD5061,；A/D轉(zhuǎn)換,；D/A轉(zhuǎn)換；恒流源
精密電阻的測(cè)量關(guān)鍵要解決高精度恒流源和精密電壓準(zhǔn)確、分辨率高的電壓檢測(cè)系統(tǒng),。如果流過被測(cè)電阻電流太小,，在電阻上產(chǎn)生的壓降很小，則對(duì)檢測(cè)電路的設(shè)計(jì)提出更高的要求,；如果選擇電流過大,，電阻將產(chǎn)生焦?fàn)枱?，大多電阻?duì)溫度敏感,，影響測(cè)量精度，尤其是電爆螺栓,、電爆管等,，在使用時(shí)都要進(jìn)行配對(duì)測(cè)試，測(cè)量電流控制不好,，則會(huì)有潛在危險(xiǎn),。因此，設(shè)計(jì)一款檢測(cè)電流很小且可手控的精密電阻測(cè)試儀十分必要,。
新型多功能單片機(jī)的出現(xiàn),，使這一復(fù)雜問題簡(jiǎn)單化。使用MSC1210為控制核心研制的精密電阻測(cè)試儀,，恒流輸出最小為50 nA,，步進(jìn)為1 nA，恒流輸出最大為63.5 mA,，電壓檢測(cè)通道最高分辨電壓為1 nV,，滿足特殊精密電阻測(cè)量的要求。
1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
系統(tǒng)由精密電壓測(cè)量通道和精密恒流輸出通道2大部分組成,，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示,。采用四線電阻測(cè)量法，可以克服線路阻抗對(duì)測(cè)量的影響,。
1.1 核心器件選擇
MSC1210是新型多功能微處理器（簡(jiǎn)稱MCU）,，內(nèi)核與8051系統(tǒng)兼容，但速度快3倍速,，RAM 1 280 B,，閃存32 KB，集成了具有輸入緩沖,、數(shù)字濾波,、增益自動(dòng)校正功能的可編程放大器，放大倍數(shù)在1～128可調(diào),，溫漂小于1.255 ppm/℃,；8通道24 bit低噪聲高精度A/D轉(zhuǎn)換器和可編程看門狗定時(shí)器等電路。
雖然MCU內(nèi)部集成有2.5 V的高精度電壓基準(zhǔn)源,，為了便于數(shù)值運(yùn)算,，使用了外置的電壓基準(zhǔn)REF191,，穩(wěn)定電壓為2 048 mV，最大誤差為±2 mV,，最大溫度漂移小于5 ppm/℃,。
AD5061是一款性價(jià)比極高的16 bit D/A轉(zhuǎn)換器，最大溫漂小于20 ppm/℃,，8腳SOT-23封裝,，有標(biāo)準(zhǔn)的SPI接口，能夠滿足該系統(tǒng)需要,。內(nèi)部功能如圖2所示,。
1.2 電路系統(tǒng)設(shè)計(jì)
1.2.1 恒流源電路設(shè)計(jì)
對(duì)精密電阻進(jìn)行準(zhǔn)確測(cè)量，恒流源的精度至關(guān)重要,。而影響恒流源精度的要素是電壓/電流轉(zhuǎn)換和恒流輸出驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì),。恒流源電路如圖3所示。
AD5061在ＭＣＵ控制下工作,。當(dāng)寫入代碼“０”時(shí),，Ｖin輸出０ Ｖ，寫入65535時(shí),，則Ｖin輸出2.048 Ｖ,。代碼變化1位，輸出電壓變化31.25 V,。
IC4A,、BG1、R3和R6構(gòu)成第一級(jí)具有深度負(fù)反饋的電壓電流轉(zhuǎn)換電路,。VMOS三極管為電壓控制器件,，源極、漏極與柵極絕緣的,，在本電路中流經(jīng)BG1漏極與流經(jīng)源極的電流Ι1完全相等,，不像普通三極管，基極電流影響測(cè)控精度,。當(dāng)AD5061輸出Ｖin后,，BG1源極電壓Vs1維持與Ｖin相等，當(dāng)漏極電流增加時(shí),，則源極電壓增加,，反饋到IC4A的反相輸入端，使IC4A輸出端電壓降低,，使BG1柵極電壓降低,，從而強(qiáng)制通過BG1電流Ι1減少，維持VS1與Ｖin相等。
Ι1=Vin/R6（1）
IC4B和BG2構(gòu)成恒流功率輸出,，工作原理與第一級(jí)電壓電流轉(zhuǎn)換電路相同,。根據(jù)電路，I1×R3=I2×R9,，輸出電流
I2=（Ι1×R3）/R9（2）
由式（1）和（2）得：
I2=（R3×Vin）/（R9×R6）（3）
如果R6=R3,，則：I2=Vin/R9。
由式（3）可見,，只要基準(zhǔn)電壓穩(wěn)定并選擇好R9,、R6、R3,，就能使輸出電流穩(wěn)定,。
電路中R6=R3=1 kΩ，選用金封金屬箔電阻,，R9=31.25 Ω，錳銅線自繞,。
1.2.2 精密電壓測(cè)量電路設(shè)計(jì)
由于測(cè)量電流非常微小,，在被測(cè)電阻上產(chǎn)生的電壓也是很微弱，為了準(zhǔn)確提取有用的信號(hào),，要增大放大電路放大倍數(shù),，并提高A/D轉(zhuǎn)換靈敏度。
首先通過MCU內(nèi)部功能寄存器設(shè)定放大為差動(dòng)輸入,，AIN0為CH0通道的“+”,，AIN1為CH0通道的“-”，用于檢測(cè)被檢電阻的電壓,；AIN2為CH1通道的“+”,，AIN3為CH1通道的“-”，用于檢測(cè)流經(jīng)被測(cè)電阻的電流,，為穩(wěn)定恒流輸出形成大回路閉環(huán)控制,。
通過MCU內(nèi)部功能寄存器開啟輸入緩沖，提高輸入阻抗,，減少對(duì)被測(cè)電路的影響,；開啟SinC3數(shù)字濾波器，降低系統(tǒng)和外部輸入噪聲影響,；開啟自動(dòng)校正功能,，克服放大增益誤差、偏移的影響,。
放大器有1,、2、4、8,、16,、32、64,、128 8擋放大倍數(shù),，系統(tǒng)自動(dòng)選擇放大倍數(shù)，當(dāng)CH0通道A/D轉(zhuǎn)換值不足2 V時(shí),，放大倍數(shù)自動(dòng)增加,，直到最大。也可手動(dòng)設(shè)置,。而CH1通道參數(shù)固定,，A/D轉(zhuǎn)換值與設(shè)定值相比較，用于修正輸出電流,。R1是電流采樣,。
繼電器K是本系統(tǒng)特設(shè)，用于校準(zhǔn)輸出電流和靜電放電,。
按鍵掃描電路和顯示驅(qū)動(dòng)電路不再詳述,。
2 軟件設(shè)計(jì)
軟件采用Keil C51編寫，使用模塊化結(jié)構(gòu),。主要有LCD顯示,、按鍵掃描、A/D轉(zhuǎn)換,、驅(qū)動(dòng)AD5061進(jìn)行D/A轉(zhuǎn)換和數(shù)據(jù)處理等,，其主程序邏輯結(jié)構(gòu)如圖4所示。該系統(tǒng)應(yīng)用之一就是武器系統(tǒng)的電爆管的測(cè)試,。對(duì)電爆管測(cè)試前,，根據(jù)電爆管參數(shù)要求，設(shè)定檢測(cè)電流,，等穩(wěn)定后,，接入系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試。
精密電阻儀樣機(jī)完成后,，進(jìn)行整機(jī)調(diào)試,、環(huán)境實(shí)驗(yàn)、計(jì)量檢定等實(shí)驗(yàn),，性能良好,，參數(shù)穩(wěn)定，輸出電流最大誤差為±5 nA,，電爆管電阻的最大相對(duì)誤差小于0.1%,，滿足設(shè)計(jì)要求,。該系統(tǒng)成本低、精度高,，應(yīng)用范圍寬,，有較高的推廣價(jià)值。
參考文獻(xiàn)
[1] Texas Instruments.MSC1210 debugging strategies for high-precision smart sensors[EB/OL].http：//www.ti.com.cn/cn/lit/an/slyt110/slyt110.pdf.
[2] 馬忠梅,，籍順心,，張凱，等.單片機(jī)的C語言應(yīng)用程序設(shè)計(jì)[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社,，1999.
[3] 宏晶科技.STC12C5410系列單片機(jī)用戶手冊(cè)[EB/0L].（2008-08-15）[2009-05-05].http：//www.mcu-memory.com.
[4] 徐龍紅,，杜軍，張紅印.線陣圖像傳感器TCD1208AP在桑蠶選種中的應(yīng)用[J].電子設(shè)計(jì)工程,，2011,，19（6）：125-127.
[5] 杜軍.提高嵌入式系統(tǒng)可靠性的探討與實(shí)踐[J].單片機(jī)與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用，2006（4）：15-16.