基于STM32和AD5791的高精度數(shù)模轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì)

摘要：現(xiàn)在很多智能儀表中，要求有超高精度的電壓信號輸出，而且要求刷新率高、噪聲低，常規(guī)的處理電路比較復(fù)雜，難以實(shí)現(xiàn)自動校準(zhǔn)。為了解決該問題，采用了20位的高精度數(shù)模轉(zhuǎn)換器（ DAC） AD5791，并應(yīng)用于基于STM32的測量儀表中。本文詳細(xì)介紹了軟硬件設(shè)計(jì)。此系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了超高精度的單路可調(diào)電壓輸出，精度高和噪聲低。

關(guān)鍵詞：數(shù)模轉(zhuǎn)換器;STM32;AD5791

0 引言

現(xiàn)在很多智能測量儀表要求具有超高精度的電壓信號，同時(shí)要求高穩(wěn)定性、高線形度和低噪聲、低溫度漂移。這樣的模擬系統(tǒng)設(shè)計(jì)面臨復(fù)雜的工程技術(shù)挑戰(zhàn)，常規(guī)的方法是采用多個(gè)較低分辨率的DAC和大量分立元件與支持IC整合在一起，同時(shí)伴隨著相當(dāng)大的開發(fā)風(fēng)險(xiǎn)和高代價(jià)的修改時(shí)間，才能優(yōu)化電路參數(shù)、減小誤差和設(shè)計(jì)出復(fù)雜的自動校準(zhǔn)電路，這樣不僅增加了硬件設(shè)計(jì)的復(fù)雜性，通常達(dá)到的精度也不是很高。本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基于STM32微處理器和AD5791的20位超高精度測量系統(tǒng)中，實(shí)現(xiàn)了單路超高精度可調(diào)電壓信號的輸出，輸出電壓信號的幅值可以通過軟件來設(shè)置。該系統(tǒng)可靠性高，不需要校準(zhǔn)電路。

AD5791是美國ADI公司推出的一款高性能的單路20位電壓輸出數(shù)模轉(zhuǎn)換器，它是業(yè)界首款具有真正1 ppm（百萬分之一）分辨率和精度的DAC器件[1-2]。雙極工作電壓高達(dá)33 V。同時(shí)AD5791具有1 ppm的分辨率和精度、低噪聲1 ppm以下）、快速刷新率（1 us）和非常低的輸出漂移（在1 ppm以下）。該器件采用了多功能三線串行接口，并與SPI、QSPITM、MICROWIRE TM 和DSP接口標(biāo)準(zhǔn)兼容。該器件集成了一個(gè)上電復(fù)位電路，以確保DAC輸出能達(dá)到OV，并保持在已知輸出阻抗?fàn)顟B(tài)，直到有效寫入為止。該器件還提供了一個(gè)輸出鉗位功能，這使得其輸出在一個(gè)限定的負(fù)載狀態(tài)。綜上知，采用該款芯片，減少了復(fù)雜校準(zhǔn)算法的必要性，能極大地簡化設(shè)計(jì)任務(wù)、減少開發(fā)和維護(hù)成本，同時(shí)降低風(fēng)險(xiǎn)。國內(nèi)相關(guān)學(xué)者在精密電壓源和醫(yī)療儀器中也得到了應(yīng)用[3-4]。

本系統(tǒng)的Cortex- M3處理器為意法半導(dǎo)體公司推出的32位RISC處理器STM32F103VCT6，主頻最高可達(dá)72 MHz，應(yīng)用也比較廣泛[5]。該處理器具有256KB的程序存儲器，48 KB的RAM，同時(shí)它有8個(gè)定時(shí)器、5路串口、3路SPI、2路I2C，具有獨(dú)立看門狗和窗口看門狗，非常適合于與AD5791構(gòu)成高精度的測量系統(tǒng)。

1 硬件電路設(shè)計(jì)

數(shù)模轉(zhuǎn)換電路中采用了1片參考電壓基準(zhǔn)產(chǎn)生芯片REF02AZ、1片超高精度雙路軌至軌輸出運(yùn)算放大器AD8676、1片高精度單路軌至軌輸出運(yùn)算放大器AD8675和20位超高精度數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片AD5791構(gòu)成。該電路性能穩(wěn)定，運(yùn)行效果非常好。下面對電路進(jìn)行詳細(xì)分析。

AD5791中，VDD為+15 V，VSS為-15 V。VREFPS和VREFPF用以提供AD5791的正參考電壓輸入，輸入范圍5V到VDD-2.5 V，本測試系統(tǒng)中使用了+5 V的參考電壓。VREFNS和VREFNF用以提供AD5791的負(fù)參考電壓輸入，輸入范圍VSS+2.5到OV，本測試系統(tǒng)中使用了-5 V的參考電壓。AD5791的工作電壓為3.3 V。+5 V參考電壓由參考電壓產(chǎn)生芯片REF02AZ產(chǎn)生，負(fù)電壓是通過由OP177構(gòu)成的單位增益反向放大器來實(shí)現(xiàn)。±SV電壓產(chǎn)生電路如圖1所示。

AD5791有7個(gè)用于與STM32處理器進(jìn)行通訊的引腳，下面逐一作詳細(xì)介紹：

RESET/：復(fù)位引腳，可以實(shí)現(xiàn)AD5791的復(fù)位;

CLR/：清零引腳，可以將AD5791內(nèi)部DAC寄存器的值恢復(fù)到用戶定義的值，并更新DAC的輸出;

LDAC/：用于更新AD5791內(nèi)部DAC寄存器的值，并更新DAC的輸出;

SDO：串行數(shù)據(jù)輸出引腳;

SDIN：串行數(shù)據(jù)輸入引腳;

SCLK：串行通訊時(shí)鐘信號輸入引腳，最高頻率可高達(dá)35 MHz;

SYNC/：串行輸入數(shù)據(jù)的幀同步信號;

由于STM32處理器采用了I/O口模擬SPI通訊的方式，所以通訊控制引腳可以連接到空余的STM32處理器的任何一個(gè)I/O引腳上，只要做相應(yīng)配置就可以。AD5791的應(yīng)用電路圖如圖2所示。其中，AD8675構(gòu)成電壓跟隨器，作為AD5791的輸出緩沖。硬件電路上模擬地和數(shù)字地分開，并在一點(diǎn)接地，同時(shí)各個(gè)電源都加有濾波電容，以消除干擾。

2 軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)采用模擬SPI總線通信，軟件的關(guān)鍵是STM32處理器和AD5791之間的時(shí)序匹配，輸出電壓值到AD5791的DAC寄存器的值的計(jì)算，下面分別進(jìn)行詳細(xì)介紹。

2.1 AD 5791芯片配置

AD5791的配置，主要在于AD5791的控制寄存器的配置。為了使得AD5791和STM32處理器匹配使用，需要做如下配置，具體控制寄存器相關(guān)介紹和操作參見手冊。DBn（ n=l¨-9）代表控制寄存器的第n位。

DBl RBUF=1 內(nèi)部運(yùn)算放大器關(guān)閉

DB2 0PGND=O將DAC輸出下拉到地的功能切換掉，使得DAC處于正常模式

DB3 DACIRI=O使DAC處于正常操作模式

DB4 BrN/2sC=I使用直接二進(jìn)制編碼，不使用二進(jìn)制補(bǔ)碼編碼的形式

DB5 SDODIS=O SDO數(shù)據(jù)輸出使能

DB6-DB9 LrN—COMP=O參考電壓輸入范圍選擇為10 V

按照上述的配置，將相應(yīng)配置字寫入到AD5791的控制寄存器內(nèi)部，AD5791就可以正常工作了。此處值得注意的是DB4位，一定要選擇好相應(yīng)的編碼形式，否則輸出電壓會和計(jì)算值不符合。

2.2 STM 32接口配置

STM32處理器的SPI發(fā)送和接收都采用的是I/O口模擬的方式，因此I/O的初始化比較簡單，除了DACISDO網(wǎng)絡(luò)標(biāo)號的引腳設(shè)置為輸入模式外，其他通訊用的引腳都設(shè)置為輸出模式。

2.3 數(shù)模轉(zhuǎn)換輸出

數(shù)模轉(zhuǎn)換輸出，主要涉及3個(gè)子程序，芯片上電初始化子程序，芯片控制寄存器初始化子程序和電壓輸出子程序3個(gè)部分。下面給出AD5791讀寫函數(shù)和測試的例子。

u32 AD579I_Read（void）//讀取的24bit的數(shù)據(jù)

{

unsigned int ij;

u32 data.c;

data=0;

AD579l_sync_0（）;

AD579l_sclk_0（）;

for（i=O;i<24;i++）

{

j=3;

data=data《l;

AD579l_sclk_l（）;

while（j--）;

c=GET—AD579I_SO（）;

AD579l_sclk_0（）;

data=datalc;

）

AD579l_sclk_0（）;

AD579l_sync_l（）;

retum（data）;

void AD579I_Write（unsigned long OutData） //寫-個(gè)24 bit的]數(shù)值

unsigned char i;

unsigned long value;

value = OutData & OxOOffffff;

/ /取低24bit

value = value《8;

//左移8位，ok

AD579l_ldac_l（）;

AD579l_sclk_l（）;

AD579l_sync_l（）;

AD579l_sync_0（）;

for （i= 0; i< 24; i++ ）

AD579l_sclk_l（）;

ad579ldelay（）;

if《value & Ox80000000） == Ox80000000）

{

AD5791 sdin_l（）;else

AD5791sdin_0（）;

ad579ldelay（）;

AD5791 .sclk_0（）;

ad579ldelay（）;

value = value《 l;

AD579l_sync_l（）;

ad579ldelay（）;

AD579l_ldac_0（）;

ad579ldelay（）;

AD579l_ldac_l（）;

ad579ldelay（）;

/‘入口參數(shù)：

outvalue輸出的電壓的值*/

void test ad579l（double outvalue）

double temp=0.0;

long templ=0;

Ad579l_gpio_init（）; //AD5791 110口初始化

Ad5791一clr_init（）;//AD5791清零

Reset_ ad5791（）; //AD5791復(fù)位

Write—ad5791一control_register（）;//5AD5791的控制寄存器

temp=（（outvalue+5.0） *1048575.0）/10.0;//計(jì)算DAC輸出值

templ=（long）temp l Ox00100000;

Write—ad5791一dac_register（templ）;//寫AD5791的dac寄存器，同時(shí)輸出相應(yīng)電壓

）

程序中對AD5791芯片進(jìn)行相應(yīng)初始化以及寫AD5791的相應(yīng)寄存器都采用I/O模擬相應(yīng)時(shí)序的方法。其中寫模式的時(shí)序如圖3所示。寫數(shù)據(jù)時(shí)，注意先寫高位，再寫低位，必須嚴(yán)格按照時(shí)序來寫入。

3 結(jié)束語

本系統(tǒng)成功實(shí)現(xiàn)了基于STM32處理器和AD5791的20位高精度電壓輸出系統(tǒng)，給出了全新實(shí)用的硬件和軟件設(shè)計(jì)，適用于對輸出高精度模擬電壓有需要的智能儀表場合中。該系統(tǒng)精度高，漂移低，可靠性高，可以應(yīng)用于醫(yī)療儀器、測試測量儀表、工業(yè)控制以及高端科學(xué)和航空航天儀器中，具有很好的應(yīng)用前景。

參考文獻(xiàn)：

[1]AD5791 Datasheet Rev.E[EB]. Analog Devices， Inc，2018.

[2]AD5791：20位電壓輸出數(shù)模轉(zhuǎn)換解決方案[J]世界電子元器件，2011（2）：15-16.

[3]薛巨峰，李壯，魯志軍，基于20位DAC-AD5791的高精度電壓源的設(shè)計(jì)[J].電子技術(shù)，201 5，44（09）：59-62.

[4]Jan-Hein Broeders.采用ADI 20位DAC設(shè)計(jì)醫(yī)療成像系統(tǒng)[J].電子設(shè)計(jì)技術(shù)2011（7）：58，

[5]王永虹，徐煒，郝立平.STM32系列ARMCortex-M3微控制器原理及實(shí)踐[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2008.

作者簡介：

崔海朋（1982-），男（漢），山東人，碩士，主要從事嵌入式系統(tǒng)研究、工業(yè)自動化系統(tǒng)設(shè)計(jì)。