基于雙12位DAC的高精度直流電壓/電流源設計

本文論述了一種通過使用雙通道DAC實現高精度直流電壓源與電流源的方法，不僅兼顧了動態范圍和分辨率，還節約了成本。除了理論分析外，給出了硬件設計電路圖，并進行了測試，驗證了該設計的可行性。
關鍵詞：高精度；高分辨率；電壓源；電流源

引言
??? 在儀表校準中，希望直流電壓源或電流源的精度與分辨率足夠高，因為這是儀表能否校準好的關鍵所在。然而，單純使用單個DAC的方法不僅成本高，而且各項性能并不能得到保證，因此，本文提出了一種使用一個雙通道DAC來實現高精度直流電壓/電流源的方法，即一個通道實現高精度要求，另一個通道實現動態范圍要求。這樣不僅節約了成本，精度也達到了要求。

系統設計實現
??? 設計的思路是先產生一個分辨率為0.02mV、動態范圍為0～2.5V的標準電壓信號Vstand，然后通過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，從而實現高精度的電壓源。而動態范圍為0～20mA、分辨率為0.001mA的高精度電流源則是通過將Vstand接到場效應管的柵極來控制其漏極電流而得到。因此，該設計中最核心的部分是標準電壓信號Vstand的產生。

Vstand的產生
??? 本設計使用的是雙12位DAC LTC1590。Vstand的產生如圖1所示。

圖1?? 基本電壓信號產生示意圖

??? D/A1、D/A2分別代表LTC1590中兩個獨立的、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用來提供粗調電壓V1。D/A2輸出的電壓V2經過衰減200倍后得到精調電壓V2’’，中間所加的精密數字電位器起調節V2’’分辨率的作用，最后精調電壓與粗調電壓相加，便得到標準電壓Vstand。

??? 精密數字電位器采用的是8位256檔的AD8400，設K為AD8400的調節比例(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)
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是粗調電壓，解決的是V的動態范圍問題，而V的最小分辨率是由細調電壓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的輸出動態范圍可以達到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不構成整數倍關系，單純的由程序控制不能達到0.1mV的分辨率要求。這就是為什么要采用精密數字電位器的原因。

圖2? 基本電壓Vstand生成電路圖

??? 當K=時，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到0.01mV，不僅可以滿足系統的0.1mV分辨率要求，還留有充足的余量，使得V的輸出可以通過對精密數字電位器以及D/A2的軟件修正來進行校準，從而避免由于元器件溫度漂移、D/A轉換非線性誤差等對輸出造成的影響。

??? 產生Vstand的電路如圖2所示，Vstand在圖中是網絡標號STAND_VOL所代表的信號。

高精度電壓V的產生
??? 為了保證精度，整個系統的電路中所使用的運算放大器都采用高精度運放OPA2277。
???
??? 硬件電路搭好之后，通過單片機程序將AD8400的值設為(向AD8400的寄存器寫數據)，然后通過算法將預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的產生
??? 電流源的實現依然是使用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的轉移特性，而是采用電壓反饋的方式進行電流控制。在場效應管的漏極與源極間加上24V的電壓(由系統的其它模塊提供，限于篇幅不作說明)，與外部所接負載構成回路后，漏極電流便成為電流源的輸出電流。設輸出電流為I，則U8的引腳3引入的采樣電壓為10I，經過10倍放大后變為100I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的分辨率可以達到0.000002mA，完全可以滿足預計的0.001mA分辨率要求(Vstand以0.1mV的步進改變即可)，于是高精度電流源得以實現。

測試實驗
??? 按照以上的高精度電壓與電流的產生方法進行硬件設計，再加上鍵盤與液晶顯示器等模塊，利用單片機控制，便可構成一個簡易的、可以提供高精度直流電壓與電流的儀表(限于篇幅，其它模塊與程序設計不作說明)。

系統定標
??? 由于本系統是精密儀表設備。因此，必須采用定標消除系統誤差。由于在本設計中MCU采用的是SST公司生產的89E58RC單片機。這種單片機為用戶提供了強大的IAP(In Application Program)功能，并有8K flash ROM用于存儲數據。通過IAP，系統可以提取校準數據，并將數據存儲，在儀表輸出電壓/電流時就可以先提取相應的校準數據進行預處理。這樣就保證了該系統的精度。

測試試驗
??? 定標后，采用安捷倫公司的3485A進行測試。表1與表2分別為測試的電壓輸出與電流輸出的實驗數據。

結語
??? 綜上分析可知,本文所提出的寬動態范圍、高分辨率的高精度直流電壓/電流源的設計方法是切實可行的，同時，此設計方法節約了成本。