設(shè)計目的
在儀表校準(zhǔn)中，我們希望直流電壓源的精度與分辨率能夠足夠的高，因為這是儀表能否校準(zhǔn)好的關(guān)鍵所在。然而單純使用單片dac實現(xiàn)源的方法不僅成本高，而且各項性能并不能得到保證，特別是在動態(tài)范圍和分辨率上會產(chǎn)生矛盾。因此就設(shè)想使用一片雙通道的d/a轉(zhuǎn)換器來實現(xiàn)，即使用一個通道來實現(xiàn)電壓源的高精度，另一個通道來實現(xiàn)其對動態(tài)范圍的要求。這樣在節(jié)約了成本的同時，動態(tài)范圍與精度也都達到了要求。經(jīng)過分析,使用雙12位d/a轉(zhuǎn)換器ltc1590*可以實現(xiàn)動態(tài)范圍0～12.5v,分辨率為0.1mv的直流電壓源的產(chǎn)生。
設(shè)計實現(xiàn)
設(shè)計的思路是先產(chǎn)生一個分辨率為0.02mv，動態(tài)范圍為0～2.5v的基本電壓信號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(xiàn)高精度的電壓源。因此，該設(shè)計中zui核心的部分是標(biāo)準(zhǔn)電壓信號vstand的產(chǎn)生。
標(biāo)準(zhǔn)電壓信號vstand的產(chǎn)生
本設(shè)計中使用的是雙12位d/a芯片ltc1590cn，示意圖如圖1所示。
d/a1、d/a2分別代表的是ltc1590中兩個獨立的、精度都為12位的d/a轉(zhuǎn)換器。參考電壓都采用ad780提供的2.5v電壓。
d/a1用來提供粗調(diào)電壓v1。d/a2輸出的電壓v2經(jīng)過衰減200倍后得到精調(diào)電壓，中間所加的精密數(shù)字電位器起調(diào)節(jié)分辨率的作用，zui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)w為ad8400的調(diào)節(jié)比例（0≤w≤1），可以得到：v2’=v2×w
于是v1分辨率=2.5v/212=2.5v/4096=0.61035（mv）≈0.61（mv），
v2”分辨率=v2’分辨率/200=w×v2分辨率/200=w×2.5v/4096×200≈0.003w（mv）
則v1=v1分辨率×n，v2”=v2”分辨率×m（n，m=0~4096的整數(shù)）
zui終的輸出電壓v為v1、v2”之和放大5倍，于是有：
v=5×vstand=（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的動態(tài)范圍的問題，而v的zui小分辨率是由細調(diào)電壓v2”決定的，所以
v的分辨率=5×v2”分辨率=0.015w（mv）
由以上分析可知：使用這種方式得到的v的輸出動態(tài)范圍可以達到0~12.5v，而分辨率約為0.015w（mv），若w=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。
當(dāng)w=171/256時可以得到v的分辨率=0.015w=0.01mv
這樣我們就從理論上得到了zui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(tǒng)所要求的0.1mv分辨率，還留有充足的余量，使得v的輸出可以通過對精密數(shù)字電位器以及d/a2的軟件修正來進行校準(zhǔn)，從而避免由于元器件溫度漂移、d/a非線性誤差等對輸出造成的影響。
產(chǎn)生vstand的電路圖如圖2，vstand在圖2中是網(wǎng)絡(luò)標(biāo)號stand_vol所代表的信號。
高精度電壓源v的產(chǎn)生
將vstand放大5倍輸出即可得到zui終需要的高精度電壓源。該部分原理圖如圖3所示。
為了保證精度，整個系統(tǒng)的電路中所使用的運算放大器都是采用的高精度運放opa2277pa。
ad780an提供2.5v的基準(zhǔn)參考電壓，tps76350與tc7660分別提供部分芯片需要的±5v電壓，使用lt1316cs8構(gòu)成24v的升壓模塊，這些部分的電路原理圖在此不作詳細介紹。
系統(tǒng)采用單片機sst89e58rd2進行控制，另外的功能模塊以及外圍的鍵盤輸入、液晶顯示電路在此不作詳細介紹。zui終的硬件實物如圖4所示。
硬件電路搭好之后，通過單片機程序?qū)d8400的值設(shè)為（向ad8400的寄存器寫數(shù)據(jù)），然后通過算法將預(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入ltc1590的寄存器中，便可從輸出端得到直流電壓v。
以上是整個系統(tǒng)的程序流程圖，先前一直介紹的便是此過程校準(zhǔn)儀所擁有的4個功能中的電壓輸出功能。
重寫先前的算式v=5×vstand=（v1+v2”）×5=（v1分辨率×n+v2”分辨率×m）×5，v1相對于zui終輸出電壓v的貢獻應(yīng)該是提供v1分辨率×5=0.61305×5=3.06525mv的改變量，然后通過v2來進行細調(diào)。但是實際不可能在整個動態(tài)范圍得到恒定的3.06525mv改變量，這點已經(jīng)在調(diào)試的過程中得到了證實，而純粹的使用程序消除不了這種由于器件非線性引起的誤差。
于是需要測量具體v1對v貢獻的電壓值，再通過v2進行細調(diào)。如此的話需要測試整個v1的4096個值，這是現(xiàn)階段實現(xiàn)不了的（在以后如果引入自動測試的話或許可以進行）也是沒有必要的。分析精調(diào)電壓v2可以進行調(diào)節(jié)的范圍為0.001×4096=40.96mv>30.6525mv，因此v1可以以10倍的步進進行改變，如此需要進行測量的值zui多在409個，能夠做到。
具體實現(xiàn)的方法是：*步，恒定v2的值為0，然后以10倍步進改變v1，即分別給v1寫值0、10、20、30……4080、4090，記錄下的這些值即是對應(yīng)的v1對v的貢獻值;第二步，恒定v1為0，以較大步進例如100來改變v2的值，通過這些值計算出v2對應(yīng)的平均步進，通過修改數(shù)字電位器來使其滿足0.01mv;第三步，把v1所對應(yīng)的貢獻電壓值寫入程序中;第四步，當(dāng)要求輸出某個電壓時，先通過算式算出所需要的v1的值，再通過查表得到v1對v的貢獻值，然后通過算式確定v2的值，zui后對v1、v2寫值，得到zui終電壓v。
除了上述消除非線性誤差的方法，還使用了針對線性誤差的校準(zhǔn)方式，在此不做詳細描述，簡單來講是使用了單片機的iap功能來記錄誤差然后運用算式進行消除。
測試實驗
由于電壓輸出的動態(tài)范圍0～12.5v，分辨率為0.1mv。因此，所包含的點數(shù)為125000。如此多的點數(shù)在測試時，不可能也無需*測量，只需測量不同輸出段的多個點，來說明系統(tǒng)整體的性能指標(biāo)。
結(jié)語
觀察上表，部分的輸出電壓有0.1mv的誤差。這是由于在系統(tǒng)定標(biāo)校準(zhǔn)時（進行前述的消除非線性與線性誤差的方式），采用的是hp34401進行的系統(tǒng)定標(biāo)，hp34401是五位半的萬用表，與本系統(tǒng)的精度一致，因此在定標(biāo)時就引入了系統(tǒng)誤差，而在測試實驗中依然采用的是hp34401，這就造成了部分?jǐn)?shù)據(jù)的測試誤差。若采用六位半精度以上的萬用表進行系統(tǒng)定標(biāo)以及測試，相信精度以及測試結(jié)果會更好。不過如今以本人所擁有的實驗條件已經(jīng)得到了令人滿意的實驗結(jié)果：即通過本文所闡述的此種方法確實能夠低成本地實現(xiàn)高精度直流電壓源。