1 引言
在自動測試領域,，為了檢測電壓型精密傳感器的配套系統(tǒng)，需要可調精密電壓源,，其輸入范圍為0～50 mV,，精度為10 μV，穩(wěn)定性要求非常高,。傳統(tǒng)的精密電壓源一般采用精密電位器調節(jié)生成,，需要高的D／A分辨率和抗干擾能力。這種電壓源操作不方便,，而且隨著溫度等外界條件的變化而變化,，其波動范圍很難控制在10μV內(nèi)。本文提出一種新的實現(xiàn)方案,，采用閉環(huán)反饋控制方式,，實時監(jiān)控電壓輸出端并根據(jù)實際情況進行調整；對配置電壓值和多組實際測試結果進行最小二乘擬合,，得到配置電壓值與理想輸出值之間的函數(shù)關系,，并通過軟件修正了系統(tǒng)的非線性引起的誤差，輸出精度達到了±1.5μV,，提高了輸出電壓的穩(wěn)定性,。
2 硬件設計
2.1 工作原理
該系統(tǒng)硬件由高性能單片機、數(shù)／模轉換器,、高精密電阻衰減網(wǎng)絡,、儀用放大器和A／D轉換器組成，其系統(tǒng)硬件結構如圖1所示,。
利用PC機輸入一個設定值,，通過串口將數(shù)據(jù)送到單片機；單片機根據(jù)PC機與單片機的通信協(xié)議解析串口數(shù)據(jù),，當檢測接收到有效數(shù)據(jù)后，啟動D／A轉換器配置部分的軟件,，將設定值轉化為數(shù)字量輸出到D／A轉換器,；D／A轉換器將單片機輸出的數(shù)字量轉化為模擬量輸出到精密電阻衰減網(wǎng)絡，衰減系數(shù)可通過可調電位器調整,，衰減后的信號通過儀用放大器INA114穩(wěn)壓輸出,；同時A／D轉換器開始工作，連續(xù)采集運放輸出端的電壓值,，以串行方式送到單片機中,，單片機根據(jù)A／D轉換器采集的數(shù)據(jù)實時控制D／A轉換器的數(shù)字輸入端,，修正環(huán)境溫度等外界因素引起的誤差，確保輸出電壓值滿足設計要求,。
2.2 單片機模塊
單片機是系統(tǒng)的核心部分：通過RS 232串口和自擬的通信協(xié)議完成遠程控制,、控制系統(tǒng)工作流程、初始化D／A和A／D并驅動,、檢測輸出電壓質量并根據(jù)實時采樣值進行修正,。單片機采用程控高精密電壓源的核心。它通過軟件的運行控制整個儀器的工作,，從而完成設定的功能,。
本設計中采用Atmel公司的低電壓、高性能8位CMOS單片機AT89C52,。通過異步串口與主控計算機聯(lián)機通信,，檢測并接收配置信息，并對信息進行處理,，轉換成串行信號通過I／O模擬串口控制D／A的CS,，Clock和Data引腳，將數(shù)據(jù)寫入到D／A,，同時接收A／D采樣數(shù)據(jù)檢測運放輸出端電壓值,，當電壓值因環(huán)境或溫度等外界條件影響而偏離誤差允許的范圍時，系統(tǒng)會自動調節(jié)電壓值,，使之滿足輸出要求,。
2.3 D／A轉換和精密電阻衰減網(wǎng)絡
D／A轉換電路以美國A／D公司的數(shù)／模轉換芯片AD5551為核心構成，AD5551是單極電源,、14位分辨率,、串行輸入、電壓輸出的高精度低溫漂的D／A轉換器,，它們采用多功能3線接口技術,，能與SPI，QSPI,，MICROWIRE和DSP接口兼容,。
該D／A的無緩沖輸出減少了輸出緩沖所引起的功耗和偏離誤差。D／A參考電壓采用外部參考電壓模式,，參考電壓為2.5 V,，則D／A轉換器的輸出范圍為0～2.5 V，其1個LSB為,。這個輸出精度不能滿足測量要求,。
通過精密電阻衰減網(wǎng)絡把D／A轉換器輸出的電壓值衰減了150倍，則衰減后的信號范圍在0～50 mV,，精度為,，遠小于10μV,，滿足了設計要求。同時,，精密電阻衰減網(wǎng)絡將信號噪聲信號強度衰減原來的1／50,，經(jīng)過儀用放大器INA114驅動后，輸出電壓十分穩(wěn)定,，具有很好的負載和抗干擾能力,。
2.4 A／D轉換電路
考慮到外界環(huán)境因素和元器件自身的的溫漂和非線性，采用A／D轉換電路實時監(jiān)測D／A輸出端電壓值,，并傳送到單片機中,，形成一個閉環(huán)系統(tǒng)。A／D轉換器使用美國A／D公司24 b低功耗,、高精度的∑-△模／數(shù)轉換器AD7791,。AD7791的電壓噪聲有效值僅1.5 μV，利用片內(nèi)的時鐘電路工作,。通過單片機I／O口模擬片選信號,、串行時鐘信號和數(shù)據(jù)信號與AD7791通信，配置各個寄存器以適應相應的工作模式和狀態(tài),。
當環(huán)境溫度等外界條件發(fā)生改變時,，電路參數(shù)隨之改變，對于高精密輸出端電壓值會有十分明顯的影響,。A／DC用來監(jiān)測D／A經(jīng)運放的輸出電壓值,，并將采集的數(shù)據(jù)實時送到MCU。MCU取8次A／D采樣值平均后,，根據(jù)實際情況做出相應的調整和修正,，很好地補償了系統(tǒng)的非線性誤差。
3 軟件設計
系統(tǒng)程序軟件使用C語言設計,，在Keil C51環(huán)境下編譯調試,，采用模塊化結構，完成電壓輸出,、電壓檢測,、電壓補償和校準的閉環(huán)控制，其流程圖如圖2所示,。
4 結 語
本文介紹的高精度程控電壓源結構緊湊,、可控性高、成本較低,，已成功應用于某機型發(fā)動機地面綜合檢測設備。
其在實際應用中取得了很好的效果,，取代了傳統(tǒng)的模擬電路構建的高精密電壓源,，降低了成本,，提高了精密電壓輸出精度，體現(xiàn)了程控的靈活性,。