过程校准仪中高精度电压源的设计 转换器, 分辨率, 直流电, 成本, 单片

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设计目的
在仪表校准中，我们希望直流电压源的精度与分辨率能够足够的高，因为这是仪表能否校准好的关键所在。然而单纯使用单片DAC实现源的方法不仅成本高，而且各项性能并不能得到保证，特别是在动态范围和分辨率上会产生矛盾。因此就设想使用一片双通道的D/A转换器来实现，即使用一个通道来实现电压源的高精度，另一个通道来实现其对动态范围的要求。这样在节约了成本的同时，动态范围与精度也都达到了要求。经过分析,使用双12位D/A转换器LTC1590完全可以实现动态范围0～12.5V,分辨率为0.1mV的直流电压源的产生。
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的基本电压信号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。因此，该设计中最核心的部分是标准电压信号Vstand的产生。
标准电压信号Vstand的产生
本设计中使用的是双12位D/A芯片LTC1590CN，示意图如图1所示。
D/A1、D/A2分别代表的是LTC1590中两个独立的、精度都为12位的D/A转换器。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，中间所加的精密数字电位器起调节分辨率的作用，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W为AD8400的调节比例(0≤W≤1)，可以得到：V2’=V2×W
于是V1分辨率=2.5V/212=2.5V/4096=0.61035(mV)≈0.61 (mV)，
V2”分辨率=V2’分辨率/200=W×V2分辨率/200=W×2.5V/4096×200 ≈0.003W(mV)
则V1=V1分辨率×N， V2”=V2”分辨率×M(N，M=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=5×Vstand=(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的动态范围的问题，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=5×V2”分辨率=0.015W(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0.015W (mV)，若W=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。
当W=171/256时可以得到V的分辨率=0.015W =0.01mV
这样我们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，不仅完全可以满足系统所要求的0.1mV分辨率，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非线性误差等对输出造成的影响。
产生Vstand的电路图如图2，Vstand在图2中是网络标号STAND_VOL所代表的信号。
高精度电压源V的产生
将Vstand放大5倍输出即可得到最终需要的高精度电压源。该部分原理图如图3所示。
为了保证精度，整个系统的电路中所使用的运算放大器都是采用的高精度运放OPA2277PA。
AD780AN提供2.5V的基准参考电压，TPS76350与TC7660分别提供部分芯片需要的±5V电压，使用LT1316CS8构成24V的升压模块，这些部分的电路原理图在此不作详细介绍。