過程校準儀中高精度電壓源的設計

設計目的

在儀表校準中，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好的關鍵所在。然而單純使用單片DAC實現源的方法不僅成本高，而且各項性能并不能得到保證，特別是在動態范圍和分辨率上會產生矛盾。因此就設想使用一片雙通道的D/A轉換器來實現，即使用一個通道來實現電壓源的高精度，另一個通道來實現其對動態范圍的要求。這樣在節約了成本的同時，動態范圍與精度也都達到了要求。經過分析,使用雙12位D/A轉換器LTC1590完全可以實現動態范圍0～12.5V,分辨率為0.1mV的直流電壓源的產生。

設計實現

設計的思路是先產生一個分辨率為0.02mV，動態范圍為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，從而實現高精度的電壓源。因此，該設計中最核心的部分是標準電壓信號Vstand的產生。

標準電壓信號Vstand的產生

本設計中使用的是雙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用來提供粗調電壓V1。D/A2輸出的電壓V2經過衰減200倍后得到精調電壓，中間所加的精密數字電位器起調節分辨率的作用，最后精調電壓與粗調電壓相加便得到標準電壓Vstand。

精密數字電位器采用的是8位256檔的AD8400，設W為AD8400的調節比例(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)

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是粗調電壓，解決的是V的動態范圍的問題，而V的最小分辨率是由細調電壓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的輸出動態范圍可以達到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不構成整數倍關系，單純的由程序控制不能達到0.1mV的分辨率要求。這就是為 什么要采用精密數字電位器的原因。

當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到0.01mV，不僅完全可以滿足系統所要求的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字電位器以及D/A2的軟件修正來進行校準，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。

產生Vstand的電路圖如圖2，Vstand在圖2中是網絡標號STAND_VOL所代表的信號。

高精度電壓源V的產生

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構成24V的升壓模塊，這些部分的電路原理圖在此不作詳細介紹。