摘  要: 基于16 bit高精度D/A轉(zhuǎn)換器AD5422和高精度放大器LM2902設(shè)計(jì)了以AT89S51單片機(jī)為主控芯片的0~100 mV精密電壓源,。輸出電壓的反饋控制采用16 bit A/D轉(zhuǎn)換器LTC1865,，顯示器為1602LCD;系統(tǒng)的控制軟件采用C語言設(shè)計(jì)。結(jié)果表明,，系統(tǒng)的輸出信號(hào)偏移量ΔUomax≤0.02 mV,，最大輸出驅(qū)動(dòng)電流可達(dá)20 mA，設(shè)計(jì)成本和體積相比傳統(tǒng)設(shè)計(jì)顯著降低,，可很好地滿足使用要求,。
關(guān)鍵詞： 精密電壓源； AD5422,； LTC1865,； Proteus仿真

    0~100 mV精密電壓源是航空發(fā)動(dòng)機(jī)溫度控制盒等重要控制系統(tǒng)定檢時(shí)必不可少的激勵(lì)信號(hào)源，設(shè)計(jì)時(shí)要求該精密信號(hào)源的輸出信號(hào)偏移量ΔUomax≤0.02 mV,最大輸出驅(qū)動(dòng)電流Iomax=20mA,輸出范圍：0≤Uo≤100 mV,，對(duì)系統(tǒng)的穩(wěn)定性要求非常高,。對(duì)此要求，傳統(tǒng)的精密電壓源一般采用模擬電路,，由精密電位器調(diào)節(jié)生成,，需要很高的D/A分辨率和抗干擾能力[1],。這種電壓源不但操作不方便，而且隨溫度等外界條件影響較大,，因而還要加上恒溫箱和冷卻風(fēng)扇等輔助措施,，大大增加了定檢設(shè)備的體積和成本，而且輸出精度和驅(qū)動(dòng)能力也難以滿足要求,。
    針對(duì)上述問題,，本文提出了一種新的設(shè)計(jì)方案。為確保系統(tǒng)軟硬件設(shè)計(jì)的正確性和縮短開發(fā)周期,，本文基于Proteus平臺(tái)對(duì)系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計(jì)進(jìn)行了仿真,。Protues具有強(qiáng)大的電路仿真功能,獨(dú)一無二地支持外圍數(shù)電/模電與處理器的協(xié)同仿真[2]，真正實(shí)現(xiàn)了虛擬物理原型功能,，在目標(biāo)板還沒有制作前,，就可以對(duì)軟硬件系統(tǒng)的功能和性能指標(biāo)進(jìn)行充分調(diào)整，極大地增加了設(shè)計(jì)的準(zhǔn)確性,，并顯著縮短了開發(fā)時(shí)間,。
1 系統(tǒng)的工作原理
     該系統(tǒng)的組成框圖如圖1所示。系統(tǒng)的工作原理是：上位機(jī)將需要輸出的精密電壓對(duì)應(yīng)的控制碼通過RS232串口發(fā)送給單片機(jī),，單片機(jī)再控制D/A轉(zhuǎn)換芯片將數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換為模擬電壓信號(hào),；為減小系統(tǒng)控制誤差以及溫度、電源電壓波動(dòng)等因素對(duì)輸出電壓的干擾,，還需對(duì)D/A轉(zhuǎn)換后的模擬電壓進(jìn)行衰減,其衰減倍數(shù)由以下分析確定,。

   
電壓再衰減100倍?？紤]到環(huán)境溫度的變化和元器件自身的溫度漂移特性,系統(tǒng)增設(shè)了A/D轉(zhuǎn)換模塊和微型液晶顯示模塊用以輸出監(jiān)控,。
2 系統(tǒng)硬件選擇與仿真設(shè)計(jì)
2.1 硬件選擇
   系統(tǒng)主控單片機(jī)選用Atmel公司的AT89S51單片機(jī);D/A芯片選用ADI公司的高精度、完全集成的低成本16 bit D/A轉(zhuǎn)換器AD5422,其輸出量程設(shè)置為0~10 V;A/D芯片選擇Linear公司推出的16 bit逐次逼近型A/D轉(zhuǎn)換器LTC1865,若將LTC1865的參考電壓設(shè)定為1 V,，則該芯片的分辨率為1 000 mV/216=0.015 mV,可以滿足系統(tǒng)輸出信號(hào)偏移量ΔUomax≤0.02 mV的要求;顯示器件采用1602LCD微型液晶顯示器,。
2.2 系統(tǒng)仿真設(shè)計(jì)
    系統(tǒng)的仿真原理圖可分為圖2(a)所示的D/A轉(zhuǎn)換電路和圖2(b)所示的A/D采集與顯示電路兩部分。
    D/A轉(zhuǎn)換電路的工作原理是：AD5422在單片機(jī)的3個(gè)I/O口（P1.0,、P1.1,、P1.2）的控制下，將轉(zhuǎn)換后的模擬電壓由Vout引腳輸出,。為確保輸出電壓穩(wěn)定,，在Vout引腳和+Vsense引腳之間通過電阻R1引入負(fù)反饋,。輸出電壓經(jīng)電阻R3,、R4串聯(lián)分壓(衰減)后，再送入高精密放大器LM2902進(jìn)行放大,，可得精密電壓輸出信號(hào)Vout,。

    A/D采集與顯示電路的工作原理是：圖2(a)輸出的精密電壓信號(hào)Vout送入16 bit A/D芯片LTC1865的CH0通道,該芯片在單片機(jī)的3個(gè)I/O口(P1.4,、P1.5、P1.6)的控制下,，可將模擬電壓轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào),，并將轉(zhuǎn)換結(jié)果通過SDO引腳送入單片機(jī)的P1.7引腳。單片機(jī)通過對(duì)A/D采集結(jié)果的分析,，即可實(shí)現(xiàn)對(duì)輸出信號(hào)的反饋控制,。同時(shí)，還可利用A/D采集結(jié)果計(jì)算出輸出電壓Vout,，并通過單片機(jī)P0口送入LCD1602微型液晶顯示器進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示,。
3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
    本文采用上位機(jī)（PC）向單片機(jī)串口發(fā)送數(shù)字的方式來控制精密電壓的輸出，從而替代傳統(tǒng)的調(diào)節(jié)電位器的模擬電壓控制方式,。為保證單片機(jī)能對(duì)上位機(jī)發(fā)送來的數(shù)字進(jìn)行實(shí)時(shí)處理,，需利用單片機(jī)的串口中斷服務(wù)程序控制D/A轉(zhuǎn)換。系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)包括4個(gè)模塊：（1）串口中斷模塊,，用于接收上位機(jī)發(fā)來的數(shù)字信號(hào),；（2）D/A轉(zhuǎn)換驅(qū)動(dòng)模塊,用于驅(qū)動(dòng)AD5422將串口接收的數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換為模擬電壓；（3）A/D采集模塊,，用于驅(qū)動(dòng)LTC1865將輸出的精密電壓轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào),實(shí)現(xiàn)對(duì)輸出電壓的修正,；（4）LCD顯示模塊，用于實(shí)時(shí)顯示輸出電壓,。系統(tǒng)的軟件流程圖如圖3所示,。系統(tǒng)軟件采用C語言設(shè)計(jì)，在 Keil μVision3環(huán)境下編譯調(diào)試,。

　

?。?）16 bit D/A轉(zhuǎn)換芯片AD5422輸出電壓的控制誤差及溫度偏移誤差經(jīng)后級(jí)精密電阻衰減網(wǎng)絡(luò)衰減100倍后，完全可以滿足設(shè)計(jì)要求,。
?。?）將16 bit A/D芯片的參考電壓選定為1 V，可以實(shí)現(xiàn)分辨率為0.015  mV的輸出電壓反饋控制,從而對(duì)輸出誤差進(jìn)行實(shí)時(shí)修正,。
   （3）本文設(shè)計(jì)的0~100 mV精密電壓源的輸出信號(hào)偏移量ΔUomax≤0.02 mV,，最大輸出驅(qū)動(dòng)電流為20 mA，可很好地滿足定檢要求,。
參考文獻(xiàn)
[1] 樂千榿, 徐靜. 高精密程控電壓源的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].現(xiàn)代電子技術(shù), 2008,12（1）:25-26.
[2] 張靖武,周靈彬. 單片機(jī)系統(tǒng)的Proteus設(shè)計(jì)與仿真[M]. 北京: 電子工業(yè)出版社,2008.