0~100 mV精密電壓源的設計與仿真

0~100 mV精密電壓源是航空發(fā)動機溫度控制盒等重要控制系統(tǒng)定檢時必不可少的激勵信號源，設計時要求該精密信號源的輸出信號偏移量ΔUomax≤0.02 mV,最大輸出驅動電流Iomax=20mA,輸出范圍：0≤Uo≤100 mV，對系統(tǒng)的穩(wěn)定性要求非常高。對此要求，傳統(tǒng)的精密電壓源一般采用模擬電路，由精密電位器調(diào)節(jié)生成，需要很高的D/A分辨率和抗干擾能力[1]。這種電壓源不但操作不方便，而且隨溫度等外界條件影響較大，因而還要加上恒溫箱和冷卻風扇等輔助措施，大大增加了定檢設備的體積和成本，而且輸出精度和驅動能力也難以滿足要求。
針對上述問題，本文提出了一種新的設計方案。為確保系統(tǒng)軟硬件設計的正確性和縮短開發(fā)周期，本文基于Proteus平臺對系統(tǒng)的軟硬件設計進行了仿真。Protues具有強大的電路仿真功能,獨一無二地支持外圍數(shù)電/模電與處理器的協(xié)同仿真[2]，真正實現(xiàn)了虛擬物理原型功能，在目標板還沒有制作前，就可以對軟硬件系統(tǒng)的功能和性能指標進行充分調(diào)整，極大地增加了設計的準確性，并顯著縮短了開發(fā)時間。
1 系統(tǒng)的工作原理
該系統(tǒng)的組成框圖如圖1所示。系統(tǒng)的工作原理是：上位機將需要輸出的精密電壓對應的控制碼通過RS232串口發(fā)送給單片機，單片機再控制D/A轉換芯片將數(shù)字信號轉換為模擬電壓信號；為減小系統(tǒng)控制誤差以及溫度、電源電壓波動等因素對輸出電壓的干擾，還需對D/A轉換后的模擬電壓進行衰減,其衰減倍數(shù)由以下分析確定。

電壓再衰減100倍?？紤]到環(huán)境溫度的變化和元器件自身的溫度漂移特性,系統(tǒng)增設了A/D轉換模塊和微型液晶顯示模塊用以輸出監(jiān)控。
2 系統(tǒng)硬件選擇與仿真設計
2.1 硬件選擇
系統(tǒng)主控單片機選用Atmel公司的AT89S51單片機;D/A芯片選用ADI公司的高精度、完全集成的低成本16 bit D/A轉換器AD5422,其輸出量程設置為0~10 V;A/D芯片選擇Linear公司推出的16 bit逐次逼近型A/D轉換器LTC1865,若將LTC1865的參考電壓設定為1 V，則該芯片的分辨率為1 000 mV/216=0.015 mV,可以滿足系統(tǒng)輸出信號偏移量ΔUomax≤0.02 mV的要求;顯示器件采用1602LCD微型液晶顯示器。
2.2 系統(tǒng)仿真設計
系統(tǒng)的仿真原理圖可分為圖2(a)所示的D/A轉換電路和圖2(b)所示的A/D采集與顯示電路兩部分。
D/A轉換電路的工作原理是：AD5422在單片機的3個I/O口（P1.0、P1.1、P1.2）的控制下，將轉換后的模擬電壓由Vout引腳輸出。為確保輸出電壓穩(wěn)定，在Vout引腳和+Vsense引腳之間通過電阻R1引入負反饋。輸出電壓經(jīng)電阻R3、R4串聯(lián)分壓(衰減)后，再送入高精密放大器LM2902進行放大，可得精密電壓輸出信號Vout。

A/D采集與顯示電路的工作原理是：圖2(a)輸出的精密電壓信號Vout送入16 bit A/D芯片LTC1865的CH0通道,該芯片在單片機的3個I/O口(P1.4、P1.5、P1.6)的控制下，可將模擬電壓轉換為數(shù)字信號，并將轉換結果通過SDO引腳送入單片機的P1.7引腳。單片機通過對A/D采集結果的分析，即可實現(xiàn)對輸出信號的反饋控制。同時，還可利用A/D采集結果計算出輸出電壓Vout，并通過單片機P0口送入LCD1602微型液晶顯示器進行實時顯示。
3 系統(tǒng)軟件設計
本文采用上位機（PC）向單片機串口發(fā)送數(shù)字的方式來控制精密電壓的輸出，從而替代傳統(tǒng)的調(diào)節(jié)電位器的模擬電壓控制方式。為保證單片機能對上位機發(fā)送來的數(shù)字進行實時處理，需利用單片機的串口中斷服務程序控制D/A轉換。系統(tǒng)軟件設計包括4個模塊：（1）串口中斷模塊，用于接收上位機發(fā)來的數(shù)字信號；（2）D/A轉換驅動模塊,用于驅動AD5422將串口接收的數(shù)字信號轉換為模擬電壓；（3）A/D采集模塊，用于驅動LTC1865將輸出的精密電壓轉換為數(shù)字信號,實現(xiàn)對輸出電壓的修正；（4）LCD顯示模塊，用于實時顯示輸出電壓。系統(tǒng)的軟件流程圖如圖3所示。系統(tǒng)軟件采用C語言設計，在 Keil μVision3環(huán)境下編譯調(diào)試。

　

　（1）16 bit D/A轉換芯片AD5422輸出電壓的控制誤差及溫度偏移誤差經(jīng)后級精密電阻衰減網(wǎng)絡衰減100倍后，完全可以滿足設計要求。
　（2）將16 bit A/D芯片的參考電壓選定為1 V，可以實現(xiàn)分辨率為0.015 mV的輸出電壓反饋控制,從而對輸出誤差進行實時修正。
（3）本文設計的0~100 mV精密電壓源的輸出信號偏移量ΔUomax≤0.02 mV，最大輸出驅動電流為20 mA，可很好地滿足定檢要求。
參考文獻
[1] 樂千榿, 徐靜. 高精密程控電壓源的設計與實現(xiàn)[J].現(xiàn)代電子技術, 2008,12（1）:25-26.
[2] 張靖武,周靈彬. 單片機系統(tǒng)的Proteus設計與仿真[M]. 北京: 電子工業(yè)出版社,2008.