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。

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。

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。

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。