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| 用低成本数模转换器实现高精密电压输出 | |||||
作者：佚名 文章来源：不详 点击数： 更新时间：2007-5-11  |
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1引言 检查电压型精密传感器的配套系统时，经常要使用可调精密电压源。其精度要达到微伏级，温度稳定性要求也非常高，需要对环境温度进行补偿和修正。为此，需要DAC分辨率非常高，抗干扰能力特别强。本系统考虑到实际动态范围不大的特点，设计了采用低分辨率DAC实现高分辨率精密电压输出的电路。 2电路原理 根据被检查对象的工作特性，要求输出电压范围为0～50mV，精度达到10μV。如果采用输出为5V的数模转换器生成此电压，则D/A转换器的位数应为 N=Log2(5000000/10)≈19Bit 考虑DAC的非线性误差、电路噪声和温漂等因素的影响，必须选择22Bit以上的DAC。在广泛查找资料后，未找到分辨率如此高的芯片，因此直接生成此电压信号很困难。然而，注意到实际需要的电压信号最大值仅为50mV，此最大值与需要的最小分辨率之比： N=Log2(50000/10)≈13Bit这就说明采用13Bit的DAC同样能生成所需要的输出电压。假设DAC输出的量程为5V，步长为1mV，若对此电压衰减100倍，则衰减后的电压为0～50mV，步长为10μV，可满足测试信号的要求。假设衰减器为理想的衰减器，则DAC满量程输出5V时的温漂也被衰减了100倍，相当于提高了原芯片的性能指标，使一个一般芯片变成了一个高精度、超低温漂的芯片。 需要解决的问题是如何实现高性能的衰减器，如何在输出电压值满足要求时，温漂也能满足要求，并实现输出电压的自动温度补偿。为此，采用串行接口、16位DACDAC714HC和89系列单片机等芯片设计了图1所示的电路。 在键盘指令控制下，单片机根据采集到的环境温度，自动计算理论的输出电压数据。经过DAC、衰减器、有源低通滤波器和缓冲器后生成输出电压。单片机同时通过高分辨率的反馈A/D转换器将此电压采集回来。 设K=VL/VO 式中：VL为理论的输出电压 VO为实际的输出电压 即K可以通过反馈采集的实际输出电压VO和理论计算的输出电压VL计算出来，再反过来修正理论输出电压值V′L=K×VL，确保输出电压符合要求。 整个系统的误差分为数字误差和模拟误差两部分，数字误差主要是DAC的积分非线性误差INL和差分非线性误差DNL、增益误差、输出单调性误差，以及反馈DAC的各种误差。模拟误差主要是DAC的温漂，衰减器的温漂，滤波器的增益误差，以及缓冲器的精度和温漂等。 3系统精度和温漂的保证 31精密衰减器 从DAC输出的满量程信号为5V，经过100倍的衰减后变为50mV，满足了测试的需求。如果衰减器的电阻选择为高精度、低漂移的电阻，且匹配为相同的温漂，它本身又是无源器件，所以经过衰减器的衰减后，此电压的性能指标基本不变。原来DAC输出若在1mV以内变化，则经过衰减器以后，其变化范围缩小到0.01mV以内，完全满足测试需求。 为了在确保温漂指标的前提下精确调整衰减值，衰减电阻可以采用精度优于1％的高精密电阻器，然后并联一个比其阻值大200倍的多圈电位器，构成电阻网络来精确调整。原来温漂性能略差的多圈电位器（如3296型电位器的温漂为10－4/℃），由于其阻值在并联电路中只占1％，所以其温漂也被衰减100倍。这样既保证了精度指标又满足了温漂要求。 32精密有源低通滤波器 由于DAC产生一定的量化噪声和其它噪声，所以在将精密电压信号输出之前，先通过一个精密直流单位增益有源低通滤波器，设定非常低的滤波器截止频率，滤除信号电压中的干扰和噪声，可进一步提高输出电压的性能指标。 这里强调精密直流单位增益是为了防止增加新的误差。采用SallenKey结构的Butterworth单位增益有源低通滤波器结构，如图2所示。它具有直流响应等效于单位增益缓冲器的特点，所以其直流增益为1。利用BurrBrown公司的FILTER2低通滤波器设计程序，可以快捷地计算出所需的电阻和电容值。可将相同的电路级连，进一步提高阻带衰减率。 33精密缓冲器 在经过了精密衰减后，输出电压已基本满足测试对电压信号的要求。但因为衰减器的负载能力非常小，负载的接入将严重影响输出电压值。为此采用缓冲器提高输出的负载能力。用BB公司的OPA111低噪声精密运放构成输出缓冲器基本不会降低输入电压信号的性能指标，其输出负载电流可达10mA，且具有输出端持续短路保护功能，单位增益时的电容负载能力可达1nF,保证了精密电压输出的带负载能力。 34环境温度的采集 为了自动生成随传感器实际工作环境温度而变化的精密电压，需要测量环境温度，以便于单片机系统自动调整输出电压值。采用Dallas公司的iButtonBus标准产品DS1820集成温度传感器。它只需要一根I/O口线即可获得串行的温度数据，精度可达0.5℃。 35简易自动恒温控制电路 环境温度变化是产生温漂的根本原因，所以采用恒温电路将系统的工作温度限定在一个较小的温差范围，可以减小温漂的影响。 通常环境温度低于35℃，所以设定恒温控制系统的中心控制温度为35℃，即总是高于环境温度。恒温电路大部分时间里只需要给系统加温，使得恒温控制比较简单。若系统的工作温度过高，只需用风扇抽取外部的冷空气来降温，不需要制冷降温。 4软件温度补偿 采用一个接口简单、使用方便的24Bit高分辨率、ΔΣ型ADC，与前边介绍的电路构成一个闭环的自动电压调整电路。当ADC的输入范围为5V，考虑各种误差的影响，其的性能即使降低到21Bit有效位时，ADC的可靠分辨率仍可达： VLSB=5V/(221－1）≈2μV 因而可准确获得系统的输出电压值VO。程序根据前述公式计算K值、修正VL、得到修正后的输出电压VO。当测得环境温度发生变化时，重复上述过程。电压输出的软件补偿的程序流程图如图3所示。程序运行时要调用浮点计算子程序、DAC和A/D转换子程序。 5结语 针对输出电压的高精度低温漂的要求，通过构成等效23Bit的DAC，再经过软、硬件的综合温度补偿，最终使输出的电压符合测试要求。从理论上提出一种通过压缩DAC动态范围提高分辨率的方法，可采用低成本、低分辨率的DAC实现高精度、高分辨率的D/A转换效果。 作者简介：刘平（1955），男，工程师，毕业于北京钢铁学院自动化系，现在湘潭工学院机械系工作，从事机械与制造、工业自动化设计与应用的教学和研究工作。 |
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