基于89C52單片機(jī)的微電壓信號(hào)源設(shè)計(jì)

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，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)換器與開關(guān)電流隔離，模擬地設(shè)在D/A周圍或者在其下方的模擬信號(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)。

2．3　溫控電路

為了進(jìn)一步降低溫漂的影響，必須保證系統(tǒng)工作溫度變化在一個(gè)較小的范圍內(nèi)，為此，設(shè)計(jì)了自動(dòng)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(shè)定高、低溫度控制點(diǎn)。當(dāng)系統(tǒng)溫度高于或低于設(shè)定值時(shí)，輸出電壓控制信號(hào)，啟動(dòng)加溫或降溫電路的工作。TMP01溫度控制精度達(dá)±1℃，負(fù)載能力達(dá)20mA，可直接驅(qū)動(dòng)繼電器。

3　軟件流程

本電壓信號(hào)源采用液晶顯示屏顯示漢字和數(shù)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(shí)現(xiàn)電壓的自動(dòng)輸出。軟件流程如圖4所示。

4　結(jié)束語

本文介紹的數(shù)字式微電壓信號(hào)源，利用精密分壓和反饋補(bǔ)償原理，實(shí)現(xiàn)了用16位D/A數(shù)模轉(zhuǎn)換器輸出19位分辨率的直流電壓的目標(biāo)。部隊(duì)實(shí)際使用表明，采用單片機(jī)控制的數(shù)字式微電壓信號(hào)源不僅電壓精度穩(wěn)定，而且成本低，體積小，提高了測(cè)試自動(dòng)化的程度。

參考文獻(xiàn)
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