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摘 要：介绍一种采用单片机控制的数字式微电压信号源的设计原理,提出了用精密分压和反馈补偿方法产生高精度、高分辨率直流电压信号的方法,并给出了主要的电路图。
关键词：微电压;单片机;A/D转换器;D/A转换器 1 设计原理
被测设备要求提供0．5～50mV的可调直流模拟电压,分辨率达10微伏,精度达±0．01mV,温度跟随性要好,即要求提供高精度的微电压信号。
如果采用单片机通过D/A转换器输出所需电压,输出范围0～5V,LSB＝0．01mV,则D/A转换器的位数：
X＝lg2(5000/0．01)≈19(Bit)
考虑D/A转换器的量化误差、温漂、噪声和其他各种误差的影响,至少选择21Bit以上的D/A转换器,但目前尚无适合本系统设计的D/A转换器。因此,在考虑系统分辨率和输出电压范围的前提下,采用如下方案：先将小于50 mV的电压数值扩大100倍,再用 16Bit D/A转换器输出,然后通过200倍的高精密分压器和超低漂移的运算放大器缓冲输出。与此同时,采用高位A/D转换器组成电压反馈回路,对输出进行差值补偿,进一步提高信号精度和稳定性。 其原理结构如图1所示。 
2 硬件设计
2．1 电压输出电路
在单片机(89C52)、D/A转换器、分压、运放组成的微电压输出电路中,设计的要点是如何用单片机控制D/A转换器的输出。本设计采用美国BB公司生产的16位高精度数/模转换器DAC714(单通道、串行通讯方式,工作电压±12V或±15V,能实现±10V、±5V和0～10V的模拟电压输出)。图2是D/A转换器与单片机的连接电路。DAC714采用 ±15V工作电压,通过外部连接的增益(OFFS)和双极性偏移(GADJ)电位计调整,实现对输出电压的精度要求。在调节这两个参数时,为了避免零点对比例调节的影响,应注意先调整比例系数,后调零点。其中,A0为输入寄存器控制信号,A1为D/A锁存控制信号,SDI为串行数据输入。数据控制均为低电平有效,当A0＝0时,当前数据进入移位寄存器;当A1＝0时,数据进入D/A锁存。
5V满刻度的16位DAC714转换器,1LSB对应76μV。如果输出端的负载电流为5mA,则60mΩ的线路和接触电阻,就会产生300μV的压降;此外,还有印刷电路板产生的压降。因此,将模拟地和数字地分开,采用单点连接,尽量减小接地回路。模拟插钉互相靠近,有利于模拟与数字信号的隔离,而模拟信号应该尽量远离数字信号。为了将D/A转换器与开关电流隔离,模拟地设在D/A周围或者在其下方的模拟信号和电源的附近,最好在DAC714转换器的下面将DCOM与ACOM直接接地。
2．2 电压反馈电路
DAC714转换器的输出电压经精密分压电路和OPA111BM运放组成的缓冲电路输出后,理论上完全可达22位分辨率。但是由于温漂和其他误差影响,实际输出时为19位分辨率,精度不能满足要求,为此,设计了反馈补偿电路。用22位A/D转换器测量实际输出电压,在单片机中将实际输出电压与理论输出值比较,其差值信号作为DAC714的补偿电压输出,确保了电压输出精度。
图3是由ADS1212组成的电压反馈电路。 ADS1212是美国BB公司生产的高精度、宽动态特性的22位单通道Δ－Σ模拟/数字转换器。其差动输入端直接与微小的电压信号相连。由于采用了低噪声的输入放大器,在转换速度为10Hz时仍可获得20位的有效分辨率。它有一个灵活的同步串行接口,单一＋5V供电,有内/外参考电压和内部自校准系统。与外部器件接口的形式有双线制、三线制、四线制和多线制,此处采用三线制来实现与单片机的接口,接口信号是数据准备就绪线(DRDY)、数据输入输出线 (SDIO)、时钟信号线(SCLK)。 2．3 温控电路
为了进一步降低温漂的影响,必须保证系统工作温度变化在一个较小的范围内,为此,设计了自动恒温控制电路。该电路由TMP01温度控制芯片(AD公司)和加温、降温电路等组成。
TMP01通过外接电阻值来设定高、低温度控制点。当系统温度高于或低于设定值时,输出电压控制信号,启动加温或降温电路的工作。TMP01温度控制精度达±1℃,负载能力达20mA,可直接驱动继电器。
3 软件流程
本电压信号源采用液晶显示屏显示汉字和数字,可通过按键直接控制输出电压的大小。用汇编语言编程,实现电压的自动输出。软件流程如图4所示。 4 结束语
本文介绍的数字式微电压信号源,利用精密分压和反馈补偿原理,实现了用16位D/A数模转换器输出19位分辨率的直流电压的目标。部队实际使用表明,采用单片机控制的数字式微电压信号源不仅电压精度稳定,而且成本低,体积小,提高了测试自动化的程度。
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