一種新的高精密電壓源設計方案

標簽：電壓源 A/D D/A

1 引言

電壓源，即理想電壓源，是從實際電源抽象出來的一種模型，在其兩端總能保持一定的電壓而不論流過的電流為多少。電壓源具有兩個基本的性質：第一，它的端電壓定值U或是一定的時間函數U(t)與流過的電流無關。第二，電壓源自身電壓是確定的，而流過它的電流是任意的。

在自動測試領域，為了檢測電壓型精密傳感器的配套系統，需要可調精密電壓源。本文提出一種新的實現方案，采用閉環反饋控制方式，實時監控電壓輸出端并根據實際情況進行調整;對配置電壓值和多組實際測試結果進行最小二乘擬合，得到配置電壓值與理想輸出值之間的函數關系，并通過軟件修正了系統的非線性引起的誤差，輸出精度達到了±1.5μV，提高了輸出電壓的穩定性。

2 硬件設計

2.1 工作原理

該系統硬件由高性能單片機、數/模轉換器、高精密電阻衰減網絡、儀用放大器和A/D轉換器組成，其系統硬件結構如圖1所示。

利用PC機輸入一個設定值，通過串口將數據送到單片機;單片機根據PC機與單片機的通信協議解析串口數據，當檢測接收到有效數據后，啟動D/A轉換器配置部分的軟件，將設定值轉化為數字量輸出到D/A轉換器;D/A轉換器將單片機輸出的數字量轉化為模擬量輸出到精密電阻衰減網絡，衰減系數可通過可調電位器調整，衰減后的信號通過儀用放大器INA114穩壓輸出，;修正環境溫度等外界因素引起的誤差，確保輸出電壓值滿足設計要求。

2.2 單片機模塊

單片機是系統的核心部分：通過RS 232串口和自擬的通信協議完成遠程控制、控制系統工作流程、初始化D/A和A/D并驅動、檢測輸出電壓質量并根據實時采樣值進行修正。

2.3 D/A轉換和精密電阻衰減網絡

D/A轉換電路以美國A/D公司的數/模轉換芯片AD5551為核心構成，AD5551是單極電源、14位分辨率、串行輸入、電壓輸出的高精度低溫漂的D/A轉換器，它們采用多功能3線接口技術，能與SPI，QSPI，MICROWIRE和DSP接口兼容。

該D/A的無緩沖輸出減少了輸出緩沖所引起的功耗和偏離誤差。D/A參考電壓采用外部參考電壓模式，參考電壓為2.5 V，則D/A轉換器的輸出范圍為0～2.5 V，其1個LSB為。

通過精密電阻衰減網絡把D/A轉換器輸出的電壓值衰減了150倍，則衰減后的信號范圍在0～50 mV，精度為，遠小于10μV，滿足了設計要求。

2.4 A/D轉換電路

考慮到外界環境因素和元器件自身的的溫漂和非線性，采用A/D轉換電路實時監測D/A輸出端電壓值，并傳送到單片機中，形成一個閉環系統。A/D轉換器使用美國A/D公司24 b低功耗、高精度的∑-△模/數轉換器AD7791。

當環境溫度等外界條件發生改變時，電路參數隨之改變，對于高精密輸出端電壓值會有十分明顯的影響。A/DC用來監測D/A經運放的輸出電壓值，并將采集的數據實時送到MCU。

3 軟件設計

系統程序軟件使用C語言設計，在Keil C51環境下編譯調試，采用模塊化結構，完成電壓輸出、電壓檢測、電壓補償和校準的閉環控制，其流程圖如圖2所示。

4 結 語

本文介紹的高精度程控電壓源結構緊湊、可控性高、成本較低，已成功應用于某機型發動機地面綜合檢測設備。其在實際應用中取得了很好的效果，取代了傳統的模擬電路構建的高精密電壓源，降低了成本，提高了精密電壓輸出精度，體現了程控的靈活性。