| 基于89C52單片機(jī)的微電壓信號(hào)源設(shè)計(jì) | |
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摘 要：介紹一種采用單片機(jī)控制的數(shù)字式微電壓信號(hào)源的設(shè)計(jì)原理,提出了用精密分壓和反饋補(bǔ)償方法產(chǎn)生高精度、高分辨率直流電壓信號(hào)的方法,并給出了主要的電路圖。
關(guān)鍵詞：微電壓;單片機(jī);A/D轉(zhuǎn)換器;D/A轉(zhuǎn)換器
1 設(shè)計(jì)原理
被測(cè)設(shè)備要求提供0．5～50mV的可調(diào)直流模擬電壓,分辨率達(dá)10微伏,精度達(dá)±0．01mV,溫度跟隨性要好,即要求提供高精度的微電壓信號(hào)。
如果采用單片機(jī)通過(guò)D/A轉(zhuǎn)換器輸出所需電壓,輸出范圍0～5V,LSB＝0．01mV,則D/A轉(zhuǎn)換器的位數(shù)：
X＝lg2(5000/0．01)≈19(Bit)
考慮D/A轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換器,但目前尚無(wú)適合本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的D/A轉(zhuǎn)換器。因此,在考慮系統(tǒng)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(shù)值擴(kuò)大100倍,再用 16Bit D/A轉(zhuǎn)換器輸出,然后通過(guò)200倍的高精密分壓器和超低漂移的運(yùn)算放大器緩沖輸出。與此同時(shí),采用高位A/D轉(zhuǎn)換器組成電壓反饋回路,對(duì)輸出進(jìn)行差值補(bǔ)償,進(jìn)一步提高信號(hào)精度和穩(wěn)定性。 其原理結(jié)構(gòu)如圖1所示。
2 硬件設(shè)計(jì)
2．1 電壓輸出電路
在單片機(jī)(89C52)、D/A轉(zhuǎn)換器、分壓、運(yùn)放組成的微電壓輸出電路中,設(shè)計(jì)的要點(diǎn)是如何用單片機(jī)控制D/A轉(zhuǎn)換器的輸出。本設(shè)計(jì)采用美國(guó)BB公司生產(chǎn)的16位高精度數(shù)/模轉(zhuǎn)換器DAC714(單通道、串行通訊方式,工作電壓±12V或±15V,能實(shí)現(xiàn)±10V、±5V和0～10V的模擬電壓輸出)。圖2是D/A轉(zhuǎn)換器與單片機(jī)的連接電路。DAC714采用 ±15V工作電壓,通過(guò)外部連接的增益(OFFS)和雙極性偏移(GADJ)電位計(jì)調(diào)整,實(shí)現(xiàn)對(duì)輸出電壓的精度要求。在調(diào)節(jié)這兩個(gè)參數(shù)時(shí),為了避免零點(diǎn)對(duì)比例調(diào)節(jié)的影響,應(yīng)注意先調(diào)整比例系數(shù),后調(diào)零點(diǎn)。其中,A0為輸入寄存器控制信號(hào),A1為D/A鎖存控制信號(hào),SDI為串行數(shù)據(jù)輸入。數(shù)據(jù)控制均為低電平有效,當(dāng)A0＝0時(shí),當(dāng)前數(shù)據(jù)進(jìn)入移位寄存器;當(dāng)A1＝0時(shí),數(shù)據(jù)進(jìn)入D/A鎖存。
5V滿刻度的16位DAC714轉(zhuǎn)換器,1LSB對(duì)應(yīng)76μV。如果輸出端的負(fù)載電流為5mA,則60mΩ的線路和接觸電阻,就會(huì)產(chǎn)生300μV的壓降;此外,還有印刷電路板產(chǎn)生的壓降。因此,將模擬地和數(shù)字地分開(kāi),采用單點(diǎn)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(shù)字信號(hào)的隔離,而模擬信號(hào)應(yīng)該盡量遠(yuǎn)離數(shù)字信號(hào)。為了將D/A轉(zhuǎn)換器與開(kāi)關(guān)電流隔離,模擬地設(shè)在D/A周?chē)蛘咴谄湎路降哪M信號(hào)和電源的附近,最好在DAC714轉(zhuǎn)換器的下面將DCOM與ACOM直接接地。
2．2 電壓反饋電路
DAC714轉(zhuǎn)換器的輸出電壓經(jīng)精密分壓電路和OPA111BM運(yùn)放組成的緩沖電路輸出后,理論上完全可達(dá)22位分辨率。但是由于溫漂和其他誤差影響,實(shí)際輸出時(shí)為19位分辨率,精度不能滿足要求,為此,設(shè)計(jì)了反饋補(bǔ)償電路。用22位A/D轉(zhuǎn)換器測(cè)量實(shí)際輸出電壓,在單片機(jī)中將實(shí)際輸出電壓與理論輸出值比較,其差值信號(hào)作為DAC714的補(bǔ)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(guó)BB公司生產(chǎn)的高精度、寬動(dòng)態(tài)特性的22位單通道Δ－Σ模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換器。其差動(dòng)輸入端直接與微小的電壓信號(hào)相連。由于采用了低噪聲的輸入放大器,在轉(zhuǎn)換速度為10Hz時(shí)仍可獲得20位的有效分辨率。它有一個(gè)靈活的同步串行接口,單一＋5V供電,有內(nèi)/外參考電壓和內(nèi)部自校準(zhǔn)系統(tǒng)。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(lái)實(shí)現(xiàn)與單片機(jī)的接口,接口信號(hào)是數(shù)據(jù)準(zhǔn)備就緒線(DRDY)、數(shù)據(jù)輸入輸出線 (SDIO)、時(shí)鐘信號(hào)線(SCLK)。
