基于89C52单片机的微电压信号源设计

　　1　设计原理

　　被测设备要求提供0.5～50mV的可调直流模拟电压，分辨率达10微伏，精度达±0.01mV，温度跟随性要好，即要求提供高精度的微电压信号。

　　如果采用单片机通过D/A转换器输出所需电压，输出范围0～5V，LSB=0.01mV，则D/A转换器的位数：

　　X=lg2(5000/0.01)≈19(Bit)

　　考虑D/A转换器的量化误差、温漂、噪声和其他各种误差的影响，至少选择21Bit以上的D/A转换器，但目前尚无适合本系统设计的D/A转换器。因此，在考虑系统分辨率和输出电压范围的前提下，采用如下方案：先将小于50 mV的电压数值扩大100倍，再用 16Bit D/A转换器输出，然后通过200倍的高精密分压器和超低漂移的运算放大器缓冲输出。与此同时，采用高位A/D转换器组成电压反馈回路，对输出进行差值补偿，进一步提高信号精度和稳定性。 其原理结构如图1所示。

　　

 

　　2　硬件设计

　　2.1　电压输出电路

　　在单片机(89C52)、D/A转换器、分压、运放组成的微电压输出电路中，设计的要点是如何用单片机控制D/A转换器的输出。本设计采用美国BB公司生产的16位高精度数/模转换器DAC714(单通道、串行通讯方式，工作电压±12V或±15V，能实现±10V、±5V和0～10V的模拟电压输出)。图 2是D/A转换器与单片机的连接电路。DAC714采用 ±15V工作电压，通过外部连接的增益(OFFS)和双极性偏移(GADJ)电位计调整，实现对输出电压的精度要求。在调节这两个参数时，为了避免零点对比例调节的影响，应注意先调整比例系数，后调零点。其中，A0为输入寄存器控制信号，A1为D/A锁存控制信号，SDI为串行数据输入。数据控制均为低电平有效，当A0=0时，当前数据进入移位寄存器;当A1=0时，数据进入D/A锁存。

　　

 

　　5V满刻度的16位DAC714转换器，1LSB对应76μV。如果输出端的负载电流为5mA，则60mΩ的线路和接触电阻，就会产生300μV的压降;此外，还有印刷电路板产生的压降。因此，将模拟地和数字地分开，采用单点连接，尽量减小接地回路。模拟插钉互相靠近，有利于模拟与数字信号的隔离，而模拟信号应该尽量远离数字信号。为了将D/A转换器与开关电流隔离，模拟地设在D/A周围或者在其下方的模拟信号和电源的附近，最好在DAC714转换器的下面将DCOM与ACOM直接接地。

　　2.2　电压反馈电路

　　DAC714转换器的输出电压经精密分压电路和OPA111BM运放组成的缓冲电路输出后，理论上完全可达22位分辨率。但是由于温漂和其他误差影响，实际输出时为19位分辨率，精度不能满足要求，为此，设计了反馈补偿电路。用22位A/D转换器测量实际输出电压，在单片机中将实际输出电压与理论输出值比较，其差值信号作为DAC714的补偿电压输出，确保了电压输出精度。

　　图3是由ADS1212组成的电压反馈电路。 ADS1212是美国BB公司生产的高精度、宽动态特性的22位单通道Δ-Σ模拟/数字转换器。其差动输入端直接与微小的电压信号相连。由于采用了低噪声的输入放大器，在转换速度为10Hz时仍可获得20位的有效分辨率。它有一个灵活的同步串行接口，单一+5V供电，有内/外参考电压和内部自校准系统。与外部器件接口的形式有双线制、三线制、四线制和多线制，此处采用三线制来实现与单片机的接口，接口信号是数据准备就绪线(DRDY)、数据输入输出线 (SDIO)、时钟信号线(SCLK)。

　　

 

　　2.3　温控电路

　　为了进一步降低温漂的影响，必须保证系统工作温度变化在一个较小的范围内，为此，设计了自动恒温控制电路。该电路由TMP01温度控制芯片(AD公司)和加温、降温电路等组成。

　　TMP01通过外接电阻值来设定高、低温度控制点。当系统温度高于或低于设定值时，输出电压控制信号，启动加温或降温电路的工作。TMP01温度控制精度达±1℃，负载能力达20mA，可直接驱动继电器。

　　3　软件流程

　　本电压信号源采用液晶显示屏显示汉字和数字，可通过按键直接控制输出电压的大小。用汇编语言编程，实现电压的自动输出。软件流程如图4所示。

　　

 

　　4　结束语

　　本文介绍的数字式微电压信号源，利用精密分压和反馈补偿原理，实现了用16位D/A数模转换器输出19位分辨率的直流电压的目标。部队实际使用表明，采用单片机控制的数字式微电压信号源不仅电压精度稳定，而且成本低，体积小，提高了测试自动化的程度。