基于雙12位DAC的高精度直流電壓/電流源設(shè)計(jì)

摘  要：本文論述了一種通過(guò)使用雙通道DAC實(shí)現(xiàn)高精度直流電壓源與電流源的方法，不僅兼顧了動(dòng)態(tài)范圍和分辨率，還節(jié)約了成本。除了理論分析外，給出了硬件設(shè)計(jì)電路圖，并進(jìn)行了測(cè)試，驗(yàn)證了該設(shè)計(jì)的可行性。
關(guān)鍵詞：高精度；高分辨率；電壓源；電流源

引言
    在儀表校準(zhǔn)中，希望直流電壓源或電流源的精度與分辨率足夠高，因?yàn)檫@是儀表能否校準(zhǔn)好的關(guān)鍵所在。然而，單純使用單個(gè)DAC的方法不僅成本高，而且各項(xiàng)性能并不能得到保證，因此，本文提出了一種使用一個(gè)雙通道DAC來(lái)實(shí)現(xiàn)高精度直流電壓/電流源的方法，即一個(gè)通道實(shí)現(xiàn)高精度要求，另一個(gè)通道實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)范圍要求。這樣不僅節(jié)約了成本，精度也達(dá)到了要求。

系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)
    設(shè)計(jì)的思路是先產(chǎn)生一個(gè)分辨率為0.02mV、動(dòng)態(tài)范圍為0～2.5V的標(biāo)準(zhǔn)電壓信號(hào)Vstand，然后通過(guò)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(shí)現(xiàn)高精度的電壓源。而動(dòng)態(tài)范圍為0～20mA、分辨率為0.001mA的高精度電流源則是通過(guò)將Vstand接到場(chǎng)效應(yīng)管的柵極來(lái)控制其漏極電流而得到。因此，該設(shè)計(jì)中最核心的部分是標(biāo)準(zhǔn)電壓信號(hào)Vstand的產(chǎn)生。

Vstand的產(chǎn)生
    本設(shè)計(jì)使用的是雙12位DAC LTC1590。Vstand的產(chǎn)生如圖1所示。

圖1   基本電壓信號(hào)產(chǎn)生示意圖

    D/A1、D/A2分別代表LTC1590中兩個(gè)獨(dú)立的、精度都為12位的DAC。參考電壓都采用AD780提供的2.5V電壓。

    D/A1用來(lái)提供粗調(diào)電壓V1。D/A2輸出的電壓V2經(jīng)過(guò)衰減200倍后得到精調(diào)電壓V2’’，中間所加的精密數(shù)字電位器起調(diào)節(jié)V2’’分辨率的作用，最后精調(diào)電壓與粗調(diào)電壓相加，便得到標(biāo)準(zhǔn)電壓Vstand。

    精密數(shù)字電位器采用的是8位256檔的AD8400，設(shè)K為AD8400的調(diào)節(jié)比例(0≤K≤1)，可以得到：V2‘＝V2×K
于是V1分辨率=＝=0.61035(mV)≈0.61 (mV)，
V2‘‘分辨率=

≈0.003K(mV)
則V1= V1分辨率 ×N，  V2‘‘= V2‘‘分辨率×M (N ，M為0~4096的整數(shù))
最終的輸出電壓V為V1、V2‘’之和放大5倍，于是有：
V=5Vstand=(V1+ V2‘’)×5=(V1分辨率×N+ V2‘‘分辨率×M)×5    
由于V1是粗調(diào)電壓，解決的是V的動(dòng)態(tài)范圍問(wèn)題，而V的最小分辨率是由細(xì)調(diào)電壓V2‘’決定的，所以：
V的分辨率＝V分辨率＝5×V2‘‘分辨率＝0.003K×5=0.015K(mV)   

    由以上分析可知：使用這種方式得到的V的輸出動(dòng)態(tài)范圍可以達(dá)到0~12.5V，而分辨率約為0.015K mV，若K＝1(即不采用AD8400)，0.015mV與0.1mV不構(gòu)成整數(shù)倍關(guān)系，單純的由程序控制不能達(dá)到0.1mV的分辨率要求。這就是為什么要采用精密數(shù)字電位器的原因。

圖2  基本電壓Vstand生成電路圖

    當(dāng)K=時(shí)，可以得到電壓V的分辨率＝0.015K =0.01mV 。

    這樣就從理論上得到了最后輸出的電壓源的分辨率可以達(dá)到0.01mV，不僅可以滿(mǎn)足系統(tǒng)的0.1mV分辨率要求，還留有充足的余量，使得V的輸出可以通過(guò)對(duì)精密數(shù)字電位器以及D/A2的軟件修正來(lái)進(jìn)行校準(zhǔn)，從而避免由于元器件溫度漂移、D/A轉(zhuǎn)換非線(xiàn)性誤差等對(duì)輸出造成的影響。

    產(chǎn)生Vstand的電路如圖2所示，Vstand在圖中是網(wǎng)絡(luò)標(biāo)號(hào)STAND_VOL所代表的信號(hào)。

高精度電壓V的產(chǎn)生
    為了保證精度，整個(gè)系統(tǒng)的電路中所使用的運(yùn)算放大器都采用高精度運(yùn)放OPA2277。
   
    硬件電路搭好之后，通過(guò)單片機(jī)程序?qū)D8400的值設(shè)為(向AD8400的寄存器寫(xiě)數(shù)據(jù))，然后通過(guò)算法將預(yù)輸出的電壓值分別拆分成D/A1、D/A2各自需要輸出的電壓，再將值寫(xiě)入LTC1590的寄存器中，便可從輸出端得到直流電壓V(限于篇幅，Vstand5倍放大得到V的電路圖省略)。

高精度電流I的產(chǎn)生
    電流源的實(shí)現(xiàn)依然是使用Vstand，其電路如圖3所示。

圖3  電流源生成電路圖

    此處不是利用MOSFET的轉(zhuǎn)移特性，而是采用電壓反饋的方式進(jìn)行電流控制。在場(chǎng)效應(yīng)管的漏極與源極間加上24V的電壓(由系統(tǒng)的其它模塊提供，限于篇幅不作說(shuō)明)，與外部所接負(fù)載構(gòu)成回路后，漏極電流便成為電流源的輸出電流。設(shè)輸出電流為I，則U8的引腳3引入的采樣電壓為10I，經(jīng)過(guò)10倍放大后變?yōu)?00I引入引腳6，由于5與6處的電壓值相等，所以Vstand＝100I (Vstand的最大輸出為2.5V，而I要求其輸出范圍為0～20mA,所以100倍的關(guān)系比較合適)，由于Vstand的分辨率＝V2‘‘分辨率＝0.002mV，理論上I的分辨率可以達(dá)到0.000002mA，完全可以滿(mǎn)足預(yù)計(jì)的0.001mA分辨率要求(Vstand以0.1mV的步進(jìn)改變即可)，于是高精度電流源得以實(shí)現(xiàn)。

測(cè)試實(shí)驗(yàn)
    按照以上的高精度電壓與電流的產(chǎn)生方法進(jìn)行硬件設(shè)計(jì)，再加上鍵盤(pán)與液晶顯示器等模塊，利用單片機(jī)控制，便可構(gòu)成一個(gè)簡(jiǎn)易的、可以提供高精度直流電壓與電流的儀表(限于篇幅，其它模塊與程序設(shè)計(jì)不作說(shuō)明)。

系統(tǒng)定標(biāo)
    由于本系統(tǒng)是精密儀表設(shè)備。因此，必須采用定標(biāo)消除系統(tǒng)誤差。由于在本設(shè)計(jì)中MCU采用的是SST公司生產(chǎn)的89E58RC單片機(jī)。這種單片機(jī)為用戶(hù)提供了強(qiáng)大的IAP(In Application Program)功能，并有8K flash ROM用于存儲(chǔ)數(shù)據(jù)。通過(guò)IAP，系統(tǒng)可以提取校準(zhǔn)數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，在儀表輸出電壓/電流時(shí)就可以先提取相應(yīng)的校準(zhǔn)數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理。這樣就保證了該系統(tǒng)的精度。

測(cè)試試驗(yàn)
    定標(biāo)后，采用安捷倫公司的3485A進(jìn)行測(cè)試。表1與表2分別為測(cè)試的電壓輸出與電流輸出的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

結(jié)語(yǔ)
    綜上分析可知,本文所提出的寬動(dòng)態(tài)范圍、高分辨率的高精度直流電壓/電流源的設(shè)計(jì)方法是切實(shí)可行的，同時(shí)，此設(shè)計(jì)方法節(jié)約了成本。

參考文獻(xiàn)：
1 劉公致.新型數(shù)字直流電流源設(shè)計(jì). 杭州電子工業(yè)學(xué)院學(xué)報(bào),第24卷第3期