基于双12位DAC的高精度直流电压/电流源设计
基于双12位dac的高精度直流电压/电流源设计
本文论述了一种通过使用双通道dac实现高精度直流电压源与电流源的方法，不仅兼顾了动态范围和分辨率，还节约了成本。除了理论分析外，给出了硬件设计电路图，并进行了测试，验证了该设计的可行性。
关键词：高精度；高分辨率；电压源；电流源
引言
在仪表校准中，希望直流电压源或电流源的精度与分辨率足够高，因为这是仪表能否校准好的关键所在。然而，单纯使用单个dac的方法不仅成本高，而且各项性能并不能得到保证，因此，本文提出了一种使用一个双通道dac来实现高精度直流电压/电流源的方法，即一个通道实现高精度要求，另一个通道实现动态范围要求。这样不仅节约了成本，精度也达到了要求。
系统设计实现
设计的思路是先产生一个分辨率为0.02mv、动态范围为0～2.5v的标准电压信号vstand，然后通过放大电路将该基本电压放大5倍，就可以得到0～12.5v、分辨率为0.1mv的直流电压，从而实现高精度的电压源。而动态范围为0～20ma、分辨率为0.001ma的高精度电流源则是通过将vstand接到场效应管的栅极来控制其漏极电流而得到。因此，该设计中最核心的部分是标准电压信号vstand的产生。
vstand的产生
本设计使用的是双12位dac ltc1590。vstand的产生如图1所示。
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图1 基本电压信号产生示意图
d/a1、d/a2分别代表ltc1590中两个独立的、精度都为12位的dac。参考电压都采用ad780提供的2.5v电压。
d/a1用来提供粗调电压v1。d/a2输出的电压v2经过衰减200倍后得到精调电压v2’’，中间所加的精密数字电位器起调节v2’’分辨率的作用，最后精调电压与粗调电压相加，便得到标准电压vstand。
精密数字电位器采用的是8位256档的ad8400，设k为ad8400的调节比例(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)
则v1= v1分辨率 ×n， v2‘‘= v2‘‘分辨率×m (n ，m为0~4096的整数)
最终的输出电压v为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是粗调电压，解决的是v的动态范围问题，而v的最小分辨率是由细调电压v2‘’决定的，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：使用这种方式得到的v的输出动态范围可以达到0~12.5v，而分辨率约为0.015k mv，若k＝1(即不采用ad8400)，0.015mv与0.1mv不构成整数倍关系，单纯的由程序控制不能达到0.1mv的分辨率要求。这就是为什么要采用精密数字电位器的原因。
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图2 基本电压vstand生成电路图
当k=时，可以得到电压v的分辨率＝0.015k =0.01mv 。
这样就从理论上得到了最后输出的电压源的分辨率可以达到0.01mv，不仅可以满足系统的0.1mv分辨率要求，还留有充足的余量，使得v的输出可以通过对精密数字电位器以及d/a2的软件修正来进行校准，从而避免由于元器件温度漂移、d/a转换非线性误差等对输出造成的影响。
产生vstand的电路如图2所示，vstand在图中是网络标号stand_vol所代表的信号。
高精度电压v的产生
为了保证精度，整个系统的电路中所使用的运算放大器都采用高精度运放opa2277。
硬件电路搭好之后，通过单片机程序将ad8400的值设为(向ad8400的寄存器写数据)，然后通过算法将预输出的电压值分别拆分成d/a1、d/a2各自需要输出的电压，再将值写入ltc1590的寄存器中，便可从输出端得到直流电压v(限于篇幅，vstand5倍放大得到v的电路图省略)。
高精度电流i的产生
电流源的实现依然是使用vstand，其电路如图3所示。
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图3 电流源生成电路图
此处不是利用mosfet的转移特性，而是采用电压反馈的方式进行电流控制。在场效应管的漏极与源极间加上24v的电压(由系统的其它模块提供，限于篇幅不作说明)，与外部所接负载构成回路后，漏极电流便成为电流源的输出电流。设输出电流为i，则u8的引脚3引入的采样电压为10i，经过10倍放大后变为100i引入引脚6，由于5与6处的电压值相等，所以vstand＝100i (vstand的最大输出为2.5v，而i要求其输出范围为0～20ma,所以100倍的关系比较合适)，由于vstand的分辨率＝v2‘‘分辨率＝0.002mv，理论上i的分辨率可以达到0.000002ma，完全可以满足预计的0.001ma分辨率要求(vstand以0.1mv的步进改变即可)，于是高精度电流源得以实现。
测试实验
按照以上的高精度电压与电流的产生方法进行硬件设计，再加上键盘与液晶显示器等模块，利用单片机控制，便可构成一个简易的、可以提供高精度直流电压与电流的仪表(限于篇幅，其它模块与程序设计不作说明)。
系统定标
由于本系统是精密仪表设备。因此，必须采用定标消除系统误差。由于在本设计中mcu采用的是sst公司生产的89e58rc单片机。这种单片机为用户提供了强大的iap(in application program)功能，并有8k flash rom用于存储数据。通过iap，系统可以提取校准数据，并将数据存储，在仪表输出电压/电流时就可以先提取相应的校准数据进行预处理。这样就保证了该系统的精度。
测试试验
定标后，采用安捷伦公司的3485a进行测试。表1与表2分别为测试的电压输出与电流输出的实验数据。
结语
综上分析可知,本文所提出的宽动态范围、高分辨率的高精度直流电压/电流源的设计方法是切实可行的，同时，此设计方法节约了成本。
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关键词：高精度；高分辨率；电压源；电流源
引言
在仪表校准中，希望直流电压源或电流源的精度与分辨率足够高，因为这是仪表能否校准好的关键所在。然而，单纯使用单个dac的方法不仅成本高，而且各项性能并不能得到保证，因此，本文提出了一种使用一个双通道dac来实现高精度直流电压/电流源的方法，即一个通道实现高精度要求，另一个通道实现动态范围要求。这样不仅节约了成本，精度也达到了要求。
系统设计实现
设计的思路是先产生一个分辨率为0.02mv、动态范围为0～2.5v的标准电压信号vstand，然后通过放大电路将该基本电压放大5倍，就可以得到0～12.5v、分辨率为0.1mv的直流电压，从而实现高精度的电压源。而动态范围为0～20ma、分辨率为0.001ma的高精度电流源则是通过将vstand接到场效应管的栅极来控制其漏极电流而得到。因此，该设计中最核心的部分是标准电压信号vstand的产生。
vstand的产生
本设计使用的是双12位dac ltc1590。vstand的产生如图1所示。
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图1 基本电压信号产生示意图
d/a1、d/a2分别代表ltc1590中两个独立的、精度都为12位的dac。参考电压都采用ad780提供的2.5v电压。
d/a1用来提供粗调电压v1。d/a2输出的电压v2经过衰减200倍后得到精调电压v2’’，中间所加的精密数字电位器起调节v2’’分辨率的作用，最后精调电压与粗调电压相加，便得到标准电压vstand。
精密数字电位器采用的是8位256档的ad8400，设k为ad8400的调节比例(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)
则v1= v1分辨率 ×n， v2‘‘= v2‘‘分辨率×m (n ，m为0~4096的整数)
最终的输出电压v为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是粗调电压，解决的是v的动态范围问题，而v的最小分辨率是由细调电压v2‘’决定的，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：使用这种方式得到的v的输出动态范围可以达到0~12.5v，而分辨率约为0.015k mv，若k＝1(即不采用ad8400)，0.015mv与0.1mv不构成整数倍关系，单纯的由程序控制不能达到0.1mv的分辨率要求。这就是为什么要采用精密数字电位器的原因。
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图2 基本电压vstand生成电路图
当k=时，可以得到电压v的分辨率＝0.015k =0.01mv 。
这样就从理论上得到了最后输出的电压源的分辨率可以达到0.01mv，不仅可以满足系统的0.1mv分辨率要求，还留有充足的余量，使得v的输出可以通过对精密数字电位器以及d/a2的软件修正来进行校准，从而避免由于元器件温度漂移、d/a转换非线性误差等对输出造成的影响。
产生vstand的电路如图2所示，vstand在图中是网络标号stand_vol所代表的信号。
高精度电压v的产生
为了保证精度，整个系统的电路中所使用的运算放大器都采用高精度运放opa2277。
硬件电路搭好之后，通过单片机程序将ad8400的值设为(向ad8400的寄存器写数据)，然后通过算法将预输出的电压值分别拆分成d/a1、d/a2各自需要输出的电压，再将值写入ltc1590的寄存器中，便可从输出端得到直流电压v(限于篇幅，vstand5倍放大得到v的电路图省略)。
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图3 电流源生成电路图
此处不是利用mosfet的转移特性，而是采用电压反馈的方式进行电流控制。在场效应管的漏极与源极间加上24v的电压(由系统的其它模块提供，限于篇幅不作说明)，与外部所接负载构成回路后，漏极电流便成为电流源的输出电流。设输出电流为i，则u8的引脚3引入的采样电压为10i，经过10倍放大后变为100i引入引脚6，由于5与6处的电压值相等，所以vstand＝100i (vstand的最大输出为2.5v，而i要求其输出范围为0～20ma,所以100倍的关系比较合适)，由于vstand的分辨率＝v2‘‘分辨率＝0.002mv，理论上i的分辨率可以达到0.000002ma，完全可以满足预计的0.001ma分辨率要求(vstand以0.1mv的步进改变即可)，于是高精度电流源得以实现。
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系统定标
由于本系统是精密仪表设备。因此，必须采用定标消除系统误差。由于在本设计中mcu采用的是sst公司生产的89e58rc单片机。这种单片机为用户提供了强大的iap(in application program)功能，并有8k flash rom用于存储数据。通过iap，系统可以提取校准数据，并将数据存储，在仪表输出电压/电流时就可以先提取相应的校准数据进行预处理。这样就保证了该系统的精度。
测试试验
定标后，采用安捷伦公司的3485a进行测试。表1与表2分别为测试的电压输出与电流输出的实验数据。
结语
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