0～100 mV精密電壓源的設(shè)計(jì)與仿真

王東鋒,黎映相

（1.空軍第一航空學(xué)院，河南 信陽464000;2.天利航空科技公司，廣東 深圳 518172）

0～100 mV精密電壓源是航空發(fā)動(dòng)機(jī)溫度控制盒等重要控制系統(tǒng)定檢時(shí)必不可少的激勵(lì)信號源，設(shè)計(jì)時(shí)要求該精密信號源的輸出信號偏移量 ΔUomax≤0.02 mV,最大輸出驅(qū)動(dòng)電流 Iomax=20mA,輸出范圍：0≤Uo≤100 mV，對系統(tǒng)的穩(wěn)定性要求非常高。對此要求，傳統(tǒng)的精密電壓源一般采用模擬電路，由精密電位器調(diào)節(jié)生成，需要很高的D/A分辨率和抗干擾能力[1]。這種電壓源不但操作不方便，而且隨溫度等外界條件影響較大，因而還要加上恒溫箱和冷卻風(fēng)扇等輔助措施，大大增加了定檢設(shè)備的體積和成本，而且輸出精度和驅(qū)動(dòng)能力也難以滿足要求。

針對上述問題，本文提出了一種新的設(shè)計(jì)方案。為確保系統(tǒng)軟硬件設(shè)計(jì)的正確性和縮短開發(fā)周期，本文基于Proteus平臺對系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計(jì)進(jìn)行了仿真。Protues具有強(qiáng)大的電路仿真功能,獨(dú)一無二地支持外圍數(shù)電/模電與處理器的協(xié)同仿真[2]，真正實(shí)現(xiàn)了虛擬物理原型功能，在目標(biāo)板還沒有制作前，就可以對軟硬件系統(tǒng)的功能和性能指標(biāo)進(jìn)行充分調(diào)整，極大地增加了設(shè)計(jì)的準(zhǔn)確性，并顯著縮短了開發(fā)時(shí)間。

圖1 系統(tǒng)的組成框圖

1 系統(tǒng)的工作原理

該系統(tǒng)的組成框圖如圖1所示。系統(tǒng)的工作原理是：上位機(jī)將需要輸出的精密電壓對應(yīng)的控制碼通過RS232串口發(fā)送給單片機(jī)，單片機(jī)再控制D/A轉(zhuǎn)換芯片將數(shù)字信號轉(zhuǎn)換為模擬電壓信號；為減小系統(tǒng)控制誤差以及溫度、電源電壓波動(dòng)等因素對輸出電壓的干擾，還需對D/A轉(zhuǎn)換后的模擬電壓進(jìn)行衰減,其衰減倍數(shù)由以下分析確定。

假定采用的D/A轉(zhuǎn)換芯片的參考電壓Vref=5V=5×106μV,則轉(zhuǎn)換輸出的模擬電壓 Uo與輸入數(shù)字 D之間的計(jì)算公式如下：

式中，N為D/A轉(zhuǎn)換芯片的位數(shù)。如果采用16 bit D/A轉(zhuǎn)換芯片 (N=16),則即使當(dāng)輸入數(shù)字變動(dòng)一個(gè)最小單位：ΔD=1,由式(1)計(jì)算可得輸出電壓增量 ΔU=76.29 μV。 該結(jié)果遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了電壓源的輸出信號偏移量ΔUomax≤0.02 mV的精度要求，為此，系統(tǒng)增設(shè)了電阻衰減網(wǎng)絡(luò)將輸出電壓再衰減100倍。考慮到環(huán)境溫度的變化和元器件自身的溫度漂移特性,系統(tǒng)增設(shè)了A/D轉(zhuǎn)換模塊和微型液晶顯示模塊用以輸出監(jiān)控。

2 系統(tǒng)硬件選擇與仿真設(shè)計(jì)

2.1 硬件選擇

系統(tǒng)主控單片機(jī)選用Atmel公司的AT89S51單片機(jī);D/A芯片選用ADI公司的高精度、完全集成的低成本16 bit D/A轉(zhuǎn)換器 AD5422,其輸出量程設(shè)置為0～10 V;A/D芯片選擇Linear公司推出的16 bit逐次逼近型A/D轉(zhuǎn)換器LTC1865,若將LTC1865的參考電壓設(shè)定為1 V，則該芯片的分辨率為1 000 mV/216=0.015 mV,可以滿足系統(tǒng)輸出信號偏移量ΔUomax≤0.02 mV的要求;顯示器件采用1602LCD微型液晶顯示器。

2.2 系統(tǒng)仿真設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的仿真原理圖可分為圖2(a)所示的D/A轉(zhuǎn)換電路和圖2(b)所示的A/D采集與顯示電路兩部分。

D/A轉(zhuǎn)換電路的工作原理是：AD5422在單片機(jī)的3個(gè) I/O 口（P1.0、P1.1、P1.2）的控制下，將轉(zhuǎn)換后的模擬電壓由Vout引腳輸出。為確保輸出電壓穩(wěn)定，在Vout引腳和+Vsense引腳之間通過電阻R1引入負(fù)反饋。輸出電壓經(jīng)電阻 R3、R4串聯(lián)分壓(衰減)后，再送入高精密放大器LM2902進(jìn)行放大，可得精密電壓輸出信號Vout。

A/D采集與顯示電路的工作原理是：圖2(a)輸出的精密電壓信號Vout送入16 bit A/D芯片LTC1865的CH0通道,該芯片在單片機(jī)的 3個(gè) I/O口(P1.4、P1.5、P1.6)的控制下，可將模擬電壓轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，并將轉(zhuǎn)換結(jié)果通過SDO引腳送入單片機(jī)的P1.7引腳。單片機(jī)通過對A/D采集結(jié)果的分析，即可實(shí)現(xiàn)對輸出信號的反饋控制。同時(shí)，還可利用A/D采集結(jié)果計(jì)算出輸出電壓Vout，并通過單片機(jī)P0口送入LCD1602微型液晶顯示器進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

本文采用上位機(jī)（PC）向單片機(jī)串口發(fā)送數(shù)字的方式來控制精密電壓的輸出，從而替代傳統(tǒng)的調(diào)節(jié)電位器的模擬電壓控制方式。為保證單片機(jī)能對上位機(jī)發(fā)送來的數(shù)字進(jìn)行實(shí)時(shí)處理，需利用單片機(jī)的串口中斷服務(wù)程序控制D/A轉(zhuǎn)換。系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)包括 4個(gè)模塊：（1）串口中斷模塊，用于接收上位機(jī)發(fā)來的數(shù)字信號；（2）D/A轉(zhuǎn)換驅(qū)動(dòng)模塊,用于驅(qū)動(dòng)AD5422將串口接收的數(shù)字信號轉(zhuǎn)換為模擬電壓；（3）A/D采集模塊，用于驅(qū)動(dòng) LTC1865將輸出的精密電壓轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號,實(shí)現(xiàn)對輸出電壓的修正；（4）LCD顯示模塊，用于實(shí)時(shí)顯示輸出電壓。系統(tǒng)的軟件流程圖如圖3所示。系統(tǒng)軟件采用C語言設(shè)計(jì)，在 Keil μVision3環(huán)境下編譯調(diào)試。

4 系統(tǒng)的仿真與試驗(yàn)

取AD5422的輸入數(shù)字D=0x8000、增益系數(shù)Gain=2,由于 R12=1 kΩ,R11=100 kΩ,則其對應(yīng)輸出電壓：

圖3 系統(tǒng)軟件流程圖

圖4即為輸入數(shù)字D=0x8000時(shí)系統(tǒng)軟硬件的Proteus仿真結(jié)果，結(jié)果表明系統(tǒng)軟硬件設(shè)計(jì)正確。

圖4 系統(tǒng)的仿真結(jié)果

（1）16 bit D/A轉(zhuǎn)換芯片AD5422輸出電壓的控制誤差及溫度偏移誤差經(jīng)后級精密電阻衰減網(wǎng)絡(luò)衰減100倍后，完全可以滿足設(shè)計(jì)要求。

（2）將16 bit A/D芯片的參考電壓選定為1 V，可以實(shí)現(xiàn)分辨率為0.015 mV的輸出電壓反饋控制,從而對輸出誤差進(jìn)行實(shí)時(shí)修正。

（3）本文設(shè)計(jì)的 0～100 mV精密電壓源的輸出信號偏移量 ΔUomax≤0.02 mV，最大輸出驅(qū)動(dòng)電流為 20 mA，可很好地滿足定檢要求。

[1]樂千榿,徐靜.高精密程控電壓源的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].現(xiàn)代電子技術(shù),2008,12（1）：25-26.

[2]張靖武,周靈彬.單片機(jī)系統(tǒng)的Proteus設(shè)計(jì)與仿真[M].北京：電子工業(yè)出版社,2008.