基于20位DAC--AD5791的高精度電壓源的設(shè)計(jì)

摘要：為設(shè)計(jì)出高精度的標(biāo)準(zhǔn)電壓源，本文通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)電壓源的生成過(guò)程來(lái)分析基準(zhǔn)電壓源對(duì)數(shù)模轉(zhuǎn)換器的要求從而選擇AD5791。并通過(guò)AD5791的硬件特性和軟件特性來(lái)克服以往數(shù)模轉(zhuǎn)換器作為基準(zhǔn)源偏置電流中的失調(diào)現(xiàn)象，以及應(yīng)用其特殊優(yōu)越性能在設(shè)計(jì)高精度電壓源系統(tǒng)中輸出0.00000V到10.00000V的電壓。并通過(guò)試驗(yàn)校驗(yàn)其準(zhǔn)確性。

0 引言

數(shù)模轉(zhuǎn)換器的常見(jiàn)用途之一是提供可控精密電壓，它可以廣泛的應(yīng)用于醫(yī)療系統(tǒng)中的梯度線圈控制、測(cè)試和計(jì)量中的精密直流源、科學(xué)應(yīng)用中的光束檢測(cè)，工業(yè)控制以及高端科學(xué)和航空航天的儀器校驗(yàn)。

隨著時(shí)間的推移，集成電路對(duì)數(shù)模轉(zhuǎn)換器的精度要求也在不斷變化。控制系統(tǒng)和儀器儀表系統(tǒng)對(duì)數(shù)模轉(zhuǎn)換器的分辨率和精度要求也越來(lái)越高。在我國(guó)目前所使用的數(shù)模轉(zhuǎn)換器已經(jīng)可以達(dá)到20位了，但是其線性度最高只能達(dá)到20ppm。隨著科技的進(jìn)步，儀器儀表對(duì)數(shù)模轉(zhuǎn)換器精度的要求不斷提升，特別的標(biāo)準(zhǔn)源中的電壓源基準(zhǔn)對(duì)數(shù)模轉(zhuǎn)換器的要求更

是嚴(yán)格，而且設(shè)計(jì)溫度漂移問(wèn)題，噪聲干擾問(wèn)題，線性穩(wěn)定性問(wèn)題以及電路構(gòu)成中的失調(diào)問(wèn)題都需要方方面面的考慮，這種數(shù)模轉(zhuǎn)換器逐漸達(dá)不到設(shè)計(jì)者的要求。此時(shí)一款新的高精度數(shù)模轉(zhuǎn)換器AD5791應(yīng)運(yùn)而生。它不僅分辨率高達(dá)20位，線性度為1ppm，可以提供高質(zhì)量的精度的直流基準(zhǔn)從而提高電壓源的輸出線性度。而且有效的克服了溫度漂移，偏置電流失調(diào)等現(xiàn)象。本文將通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)電壓源的生成來(lái)分析闡述其直流電壓基準(zhǔn)對(duì)于其精度的作用，結(jié)合AD5791的特性來(lái)設(shè)計(jì)一款高精度電壓源并借用安捷倫3458A高精度數(shù)字萬(wàn)用表來(lái)檢驗(yàn)其準(zhǔn)確性，使其輸出誤差小于2ppm。[!--empirenews.page--]

1 標(biāo)準(zhǔn)電壓源的生成及分析

一個(gè)高精度的標(biāo)準(zhǔn)電壓源是一個(gè)自動(dòng)反饋控制系統(tǒng)如圖1所示，直流電壓基準(zhǔn)產(chǎn)生可調(diào)直流電壓基準(zhǔn)VREF，經(jīng)過(guò)直流電壓功放(放大倍數(shù)為A)和功率放大器(大倍數(shù)為片B)放大到所需功率接到輸出端子上，輸出信號(hào)經(jīng)過(guò)取樣電路衰減(衰減系數(shù)為N)后與直流電壓基準(zhǔn)信號(hào)進(jìn)行求差計(jì)算，計(jì)算出誤差經(jīng)放大后(放大倍數(shù)為K)加到直流基準(zhǔn)上，經(jīng)過(guò)反饋調(diào)節(jié)，使輸出信號(hào)穩(wěn)定在設(shè)定值上。當(dāng)電路進(jìn)入穩(wěn)態(tài)后輸出電壓Vo為標(biāo)準(zhǔn)電壓源輸出。

通過(guò)圖1系統(tǒng)可以得到標(biāo)準(zhǔn)電壓源Vo的計(jì)算公式如式1所示。

取樣電路衰減系數(shù)N和誤差放大倍數(shù)K可以通過(guò)選配電阻來(lái)調(diào)節(jié)，VREF使其對(duì)誤差不會(huì)產(chǎn)成太大影響。綜上所述標(biāo)準(zhǔn)電壓源Vo的準(zhǔn)確度和線性度直接受基準(zhǔn)電壓的影響。[!--empirenews.page--]

設(shè)計(jì)產(chǎn)生這種高精度的直流基準(zhǔn)電壓對(duì)數(shù)模轉(zhuǎn)換器的要求非常高，綜合考慮分辨率，線性度，穩(wěn)定性，溫度漂移等因素，本文選用美國(guó)AD公司最新出產(chǎn)的高精度數(shù)模轉(zhuǎn)換器，AD5791來(lái)進(jìn)行設(shè)計(jì)和分析。

2 AD5791的優(yōu)越特性

AD5791是一款高精度、單通道、20位、串行輸入、無(wú)緩沖電壓輸出數(shù)模轉(zhuǎn)換器，采用最高33V的雙極性電源供電。擁有7.5V至16.5V的正基準(zhǔn)電壓，和-16.5V至-2.5V的負(fù)基準(zhǔn)電壓。最大相對(duì)精度值為±1 LSB。除此之外它的顯著參數(shù)特點(diǎn)如下：

如圖2和所示為AD5791的引腳配置。它的三線式串行接口，最高可以用35MHz的時(shí)鐘速率工作，并且與標(biāo)準(zhǔn)SPI、OSPI、MICROWIRE、DSP接口標(biāo)準(zhǔn)兼容。它內(nèi)部的上電復(fù)位電路，可以使它上電后輸出仍為0V。直到對(duì)該器件執(zhí)行一次有效的寫操作之前都可以保持已知輸出阻抗?fàn)顟B(tài)。

3 在高精度電壓源中的應(yīng)用

AD5791除了參數(shù)上的特性外，其硬件結(jié)構(gòu)和軟件特性也使其優(yōu)越與其他數(shù)模轉(zhuǎn)換器。本文的高精度電壓源設(shè)計(jì)充分利用了這些特性。

3.1 硬件設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)高精度電壓源首先需要將AD5791上電至0V。前文已述AD5791的內(nèi)置上電復(fù)位路，可以控制上電期間的輸出電壓。并且將所有寄存器復(fù)位至默認(rèn)值。上電時(shí)，AD5791處于的基準(zhǔn)輸入斷開(kāi)，輸出通過(guò)約6kΩ電阻箝位至接地。它將保持此狀態(tài)，直到通過(guò)控制寄存器地設(shè)置來(lái)改變它狀態(tài)。為確保AD5791獲得額定性能并保持穩(wěn)定，基準(zhǔn)輸入還需要利用外部放大器來(lái)進(jìn)行檢測(cè)。AD5791優(yōu)越的特性使其在外部放大器的連接也有著獨(dú)特的方式，為了克服出現(xiàn)偏置電流失調(diào)的現(xiàn)象，AD5791通過(guò)兩種方式與輸出放大器連接，即單位增益配置和雙倍增益配置。本文選用單位增益配置方式，即輸出放大器的單位增益配置，輸出范圍從VREFN到VREFP。由于AD5791輸出電阻為3.4k，為使其在片內(nèi)獲得一個(gè)與其電阻相等的電阻，我們通過(guò)在反饋路徑中并聯(lián)連接R1(6.8K)和RFB(6.8K)來(lái)實(shí)現(xiàn)。這樣就能在其輸入偏置電流中消除了失調(diào)現(xiàn)象。為使其溫度系數(shù)彼此匹配，這些電阻全部位于一個(gè)硅片上。圖3給出了單位增益配置輸出放大器在AD5791中的連接方式。[!--empirenews.page--]

在此配置中，為了提高其動(dòng)態(tài)性能，單位增益配置需要在放大器反饋路徑中放置一個(gè)電容。

由于AD5791的正|負(fù)基準(zhǔn)驅(qū)動(dòng)|檢測(cè)輸入端都需放置單位增益放大器，綜合考慮噪聲，溫度漂移和速度的等原因本文選用這以下兩款雙通道放大器作AD5791在高精度精密標(biāo)準(zhǔn)電壓源配套器件，它們是AD8675和AD8676。

AD5791的積分非線性(INL)會(huì)隨著所施加的基準(zhǔn)電壓范圍不同而改變，式4為AD5791的積分非線性(INL)計(jì)算公式。其中IBIAS為輸入偏置電流;VREFP正基準(zhǔn)電壓;VREFN為負(fù)基準(zhǔn)電壓。由公式可以看出過(guò)大的偏置電流和過(guò)小的基準(zhǔn)電壓都會(huì)導(dǎo)致積分非線性度的降低，因此為了保證良好的積分非線性度，我們選用±10V作為基準(zhǔn)輸入范圍，輸入偏置電流設(shè)置為100nA。這樣會(huì)使INL提高0.05ppm。

如圖4所示，為用AD5791數(shù)模轉(zhuǎn)換器的1ppm進(jìn)度系統(tǒng)在高精度電壓源中的應(yīng)用系統(tǒng)，AD5791由單電源提供3.3V的電源。以AD5791(U1)作為精密數(shù)控電壓源它的輸出電壓范圍為±10V，增量為20μV;基準(zhǔn)輸入端必須使用強(qiáng)制檢測(cè)緩沖器，來(lái)達(dá)到額定線性度。本文的基準(zhǔn)電壓輸入緩沖器選用AD8676(U2);除此之外本系統(tǒng)還需要一個(gè)輸出緩沖器來(lái)驅(qū)動(dòng)低電阻、高電容負(fù)載，由于AD5791的輸出阻抗為3.4 k所以用AD8675(U3)作為輸出緩沖器。為了進(jìn)一步消除偏置電流中的失調(diào)現(xiàn)象選用單倍增益的配置方式與之連接。AD5791的SC LK，SDIN和 [!--empirenews.page--]分別通過(guò)6N137高速光耦合器與單片機(jī)的P1.0，P1.1和P1.2相連。P1.0給AD5791送入串行時(shí)鐘信號(hào)，再由AD5791在串行時(shí)鐘輸入的上升沿輸出，送入串行數(shù)據(jù)單片機(jī)通過(guò)P1.1送出，數(shù)據(jù)00000H對(duì)應(yīng)0v，數(shù)據(jù)FFFFFH對(duì)應(yīng)10v。同時(shí) 通過(guò)單片機(jī)的P1.2控制DAC寄存器的更新方式，完成與單片機(jī)之間的通訊。這樣AD5791就可以輸出0.00000到10.00000v之間的電壓作為高精度基準(zhǔn)電壓源了。

3. 2 軟件設(shè)計(jì)

本文通過(guò)AD5791的軟硬件協(xié)調(diào)配合來(lái)實(shí)現(xiàn)高精度電壓源的輸出。為了確定和設(shè)置好AD5791的工作方式、首先對(duì)其控制寄存器進(jìn)行如下設(shè)置。

上電之后，需對(duì)控制寄存器進(jìn)行編程將AD5791置于正常工作模式。DACTRI位置0使DAC脫離三態(tài)，OPGND位置0消除輸出箝位。[!--empirenews.page--]

AD5791與外部放大器兩種工作模式需要控制寄存器的RBUF位來(lái)設(shè)置，單位增益配置時(shí)設(shè)置為邏輯1，雙倍增益配置時(shí)設(shè)置為邏輯0。本文使用的是單倍增益配置所以需將控制寄存器的RBUF位設(shè)置為邏輯1。

SDODIS為SDO引腳置為0使引腳正常使用，BIN/2SC為置為0使DAC寄存器正常編碼。

綜上所述在本設(shè)計(jì)中AD5791的控制寄存器各位如表2配置

此外由式5，DAC的傳遞函數(shù)公式中可以看出寫入DAC的20位代碼可以對(duì)輸出電壓產(chǎn)生影響。

式中，VREFN是輸入負(fù)基準(zhǔn)電壓;VREFP是輸入正基準(zhǔn)電壓;D為寫入DAC的20位代碼。

前文的硬件設(shè)置中已經(jīng)將正l負(fù)基準(zhǔn)電壓設(shè)置為±10V，而寫入AD5791的20位代碼則需要根據(jù)我們我需要的電壓源來(lái)設(shè)定。其系統(tǒng)流程圖如圖5所示。完成初始化和芯片功能設(shè)置后，我們依靠外接鍵盤來(lái)確定所需要的電壓源數(shù)值，并將其有十進(jìn)制轉(zhuǎn)換為十六進(jìn)制，該十六進(jìn)制數(shù)值和DAC寄存器其他內(nèi)置位共同構(gòu)成寫入DAC的20位代碼。完成對(duì)AD5791的送數(shù)。并通過(guò)單片機(jī)系統(tǒng)生成我們所需要的電壓源。[!--empirenews.page--]

4 實(shí)驗(yàn)分析

為了驗(yàn)證本設(shè)計(jì)的準(zhǔn)確度，我們借用安捷倫3458A高精度數(shù)字萬(wàn)用表來(lái)對(duì)其輸出電壓進(jìn)行校驗(yàn)。我們分別取1 V，2.5V，5V，10V四組數(shù)據(jù)分別進(jìn)行四次實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表3所示。

通過(guò)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)我們可以看出其輸出誤差均小于2ppm(百萬(wàn)分之二)，從而可以證明AD5791這款高精度數(shù)模轉(zhuǎn)換器在高精度電壓源設(shè)計(jì)中可以大幅度的提高其輸出精度。

5 結(jié)語(yǔ)

將高精度數(shù)模轉(zhuǎn)換器AD5791的優(yōu)越特性應(yīng)用到精密校驗(yàn)儀中作為基準(zhǔn)電壓源，克服了以往傳統(tǒng)DAC偏置電流中的失調(diào)現(xiàn)象。AD5791的硬件配置特性及其軟件寄存器特性顯著的提高了其作為電壓源的精度。并通過(guò)實(shí)驗(yàn)校驗(yàn)了其準(zhǔn)確性，可以達(dá)到目標(biāo)精度。這對(duì)精密測(cè)量技術(shù)和社會(huì)科學(xué)的進(jìn)步和發(fā)展起到了推動(dòng)作用。[!--empirenews.page--]