基于89C52單片機的微電壓信號源設計

　　1　設計原理

　　被測設備要求提供0.5～50mV的可調直流模擬電壓，分辨率達10微伏，精度達±0.01mV，溫度跟隨性要好，即要求提供高精度的微電壓信號。

　　如果采用單片機通過D/A轉換器輸出所需電壓，輸出范圍0～5V，LSB=0.01mV，則D/A轉換器的位數：

　　X=lg2(5000/0.01)≈19(Bit)

　　考慮D/A轉換器的量化誤差、溫漂、噪聲和其他各種誤差的影響，至少選擇21Bit以上的D/A轉換器，但目前尚無適合本系統設計的D/A轉換器。因此，在考慮系統分辨率和輸出電壓范圍的前提下，采用如下方案：先將小于50 mV的電壓數值擴大100倍，再用 16Bit D/A轉換器輸出，然后通過200倍的高精密分壓器和超低漂移的運算放大器緩沖輸出。與此同時，采用高位A/D轉換器組成電壓反饋回路，對輸出進行差值補償，進一步提高信號精度和穩定性。 其原理結構如圖1所示。

　　2　硬件設計

　　2.1　電壓輸出電路

　　在單片機(89C52)、D/A轉換器、分壓、運放組成的微電壓輸出電路中，設計的要點是如何用單片機控制D/A轉換器的輸出。本設計采用美國BB公司生產的16位高精度數/模轉換器DAC714(單通道、串行通訊方式，工作電壓±12V或±15V，能實現±10V、±5V和0～10V的模擬電壓輸出)。圖 2是D/A轉換器與單片機的連接電路。DAC714采用 ±15V工作電壓，通過外部連接的增益(OFFS)和雙極性偏移(GADJ)電位計調整，實現對輸出電壓的精度要求。在調節這兩個參數時，為了避免零點對比例調節的影響，應注意先調整比例系數，后調零點。其中，A0為輸入寄存器控制信號，A1為D/A鎖存控制信號，SDI為串行數據輸入。數據控制均為低電平有效，當A0=0時，當前數據進入移位寄存器;當A1=0時，數據進入D/A鎖存。

　　5V滿刻度的16位DAC714轉換器，1LSB對應76μV。如果輸出端的負載電流為5mA，則60mΩ的線路和接觸電阻，就會產生300μV的壓降;此外，還有印刷電路板產生的壓降。因此，將模擬地和數字地分開，采用單點連接，盡量減小接地回路。模擬插釘互相靠近，有利于模擬與數字信號的隔離，而模擬信號應該盡量遠離數字信號。為了將D/A轉換器與開關電流隔離，模擬地設在D/A周圍或者在其下方的模擬信號和電源的附近，最好在DAC714轉換器的下面將DCOM與ACOM直接接地。

　　2.2　電壓反饋電路

　　DAC714轉換器的輸出電壓經精密分壓電路和OPA111BM運放組成的緩沖電路輸出后，理論上完全可達22位分辨率。但是由于溫漂和其他誤差影響，實際輸出時為19位分辨率，精度不能滿足要求，為此，設計了反饋補償電路。用22位A/D轉換器測量實際輸出電壓，在單片機中將實際輸出電壓與理論輸出值比較，其差值信號作為DAC714的補償電壓輸出，確保了電壓輸出精度。

　　圖3是由ADS1212組成的電壓反饋電路。 ADS1212是美國BB公司生產的高精度、寬動態特性的22位單通道Δ-Σ模擬/數字轉換器。其差動輸入端直接與微小的電壓信號相連。由于采用了低噪聲的輸入放大器，在轉換速度為10Hz時仍可獲得20位的有效分辨率。它有一個靈活的同步串行接口，單一+5V供電，有內/外參考電壓和內部自校準系統。與外部器件接口的形式有雙線制、三線制、四線制和多線制，此處采用三線制來實現與單片機的接口，接口信號是數據準備就緒線(DRDY)、數據輸入輸出線 (SDIO)、時鐘信號線(SCLK)。

　　2.3　溫控電路

　　為了進一步降低溫漂的影響，必須保證系統工作溫度變化在一個較小的范圍內，為此，設計了自動恒溫控制電路。該電路由TMP01溫度控制芯片(AD公司)和加溫、降溫電路等組成。

　　TMP01通過外接電阻值來設定高、低溫度控制點。當系統溫度高于或低于設定值時，輸出電壓控制信號，啟動加溫或降溫電路的工作。TMP01溫度控制精度達±1℃，負載能力達20mA，可直接驅動繼電器。

　　3　軟件流程

　　本電壓信號源采用液晶顯示屏顯示漢字和數字，可通過按鍵直接控制輸出電壓的大小。用匯編語言編程，實現電壓的自動輸出。軟件流程如圖4所示。

　　4　結束語

　　本文介紹的數字式微電壓信號源，利用精密分壓和反饋補償原理，實現了用16位D/A數模轉換器輸出19位分辨率的直流電壓的目標。部隊實際使用表明，采用單片機控制的數字式微電壓信號源不僅電壓精度穩定，而且成本低，體積小，提高了測試自動化的程度。