高精密程控电压源设计与实现

1 引言

　　在自动测试领域，为了检测电压型精密传感器的配套系统，需要可调精密电压源，其输入范围为0～50 mV，精度为10 μV，稳定性要求非常高。传统的精密电压源一般采用精密电位器调节生成，需要高的D／A分辨率和抗干扰能力。这种电压源操作不方便，而且随着温度等外界条件的变化而变化，其波动范围很难控制在10μV内。本文提出一种新的实现方案，采用闭环反馈控制方式，实时监控电压输出端并根据实际情况进行调整；对配置电压值和多组实际测试结果进行最小二乘拟合，得到配置电压值与理想输出值之间的函数关系，并通过软件修正了系统的非线性引起的误差，输出精度达到了±1.5μV，提高了输出电压的稳定性。

　　2 硬件设计

　　2.1 工作原理

　　该系统硬件由高性能单片机、数／模转换器、高精密电阻衰减网络、仪用放大器和A／D转换器组成，其系统硬件结构如图1所示。

　　利用PC机输入一个设定值，通过串口将数据送到单片机；单片机根据PC机与单片机的通信协议解析串口数据，当检测接收到有效数据后，启动D／A转换器配置部分的软件，将设定值转化为数字量输出到D／A转换器；D／A转换器将单片机输出的数字量转化为模拟量输出到精密电阻衰减网络，衰减系数可通过可调电位器调整，衰减后的信号通过仪用放大器INA114稳压输出；同时A／D转换器开始工作，连续采集运放输出端的电压值，以串行方式送到单片机中，单片机根据A／D转换器采集的数据实时控制D／A转换器的数字输入端，修正环境温度等外界因素引起的误差，确保输出电压值满足设计要求。

　　2.2 单片机模块

　　单片机是系统的核心部分：通过RS 232串口和自拟的通信协议完成远程控制、控制系统工作流程、初始化D／A和A／D并驱动、检测输出电压质量并根据实时采样值进行修正。单片机采用程控高精密电压源的核心。它通过软件的运行控制整个仪器的工作，从而完成设定的功能。

　　本设计中采用Atmel公司的低电压、高性能8位CMOS单片机AT89C52。通过异步串口与主控计算机联机通信，检测并接收配置信息，并对信息进行处理，转换成串行信号通过I／O模拟串口控制D／A的CS，Clock和Data引脚，将数据写入到D／A，同时接收A／D采样数据检测运放输出端电压值，当电压值因环境或温度等外界条件影响而偏离误差允许的范围时，系统会自动调节电压值，使之满足输出要求。

　　2.3 D／A转换和精密电阻衰减网络

　　D／A转换电路以美国A／D公司的数／模转换芯片AD5551为核心构成，AD5551是单极电源、14位分辨率、串行输入、电压输出的高精度低温漂的D／A转换器，它们采用多功能3线接口技术，能与SPI，QSPI，MICROWIRE和DSP接口兼容。

　　该D／A的无缓冲输出减少了输出缓冲所引起的功耗和偏离误差。D／A参考电压采用外部参考电压模式，参考电压为2.5 V，则D／A转换器的输出范围为0～2.5 V，其1个LSB为。这个输出精度不能满足测量要求。

　　通过精密电阻衰减网络把D／A转换器输出的电压值衰减了150倍，则衰减后的信号范围在0～50 mV，精度为，远小于10μV，满足了设计要求。同时，精密电阻衰减网络将信号噪声信号强度衰减原来的1／50，经过仪用放大器INA114驱动后，输出电压十分稳定，具有很好的负载和抗干扰能力。

　　2.4 A／D转换电路

　　考虑到外界环境因素和元器件自身的的温漂和非线性，采用A／D转换电路实时监测D／A输出端电压值，并传送到单片机中，形成一个闭环系统。A／D转换器使用美国A／D公司24 b低功耗、高精度的∑-△模／数转换器AD7791。AD7791的电压噪声有效值仅1.5 μV，利用片内的时钟电路工作。通过单片机I／O口模拟片选信号、串行时钟信号和数据信号与AD7791通信，配置各个寄存器以适应相应的工作模式和状态。

　　当环境温度等外界条件发生改变时，电路参数随之改变，对于高精密输出端电压值会有十分明显的影响。A／DC用来监测D／A经运放的输出电压值，并将采集的数据实时送到MCU。MCU取8次A／D采样值平均后，根据实际情况做出相应的调整和修正，很好地补偿了系统的非线性误差。

　　3 软件设计

　　系统程序软件使用C语言设计，在Keil C51环境下编译调试，采用模块化结构，完成电压输出、电压检测、电压补偿和校准的闭环控制，其流程图如图2所示。

　　4 结 语

　　本文介绍的高精度程控电压源结构紧凑、可控性高、成本较低，已成功应用于某机型发动机地面综合检测设备。

　　其在实际应用中取得了很好的效果，取代了传统的模拟电路构建的高精密电压源，降低了成本，提高了精密电压输出精度，体现了程控的灵活性。