摘 要: 基于16 bit高精度D/A轉換器AD5422和高精度放大器LM2902設計了以AT89S51單片機為主控芯片的0~100 mV精密電壓源。輸出電壓的反饋控制采用16 bit A/D轉換器LTC1865，顯示器為1602LCD;系統的控制軟件采用C語言設計。結果表明，系統的輸出信號偏移量ΔUomax≤0.02 mV，最大輸出驅動電流可達20 mA，設計成本和體積相比傳統設計顯著降低，可很好地滿足使用要求。
關鍵詞： 精密電壓源； AD5422； LTC1865； Proteus仿真
0~100 mV精密電壓源是航空發動機溫度控制盒等重要控制系統定檢時必不可少的激勵信號源，設計時要求該精密信號源的輸出信號偏移量ΔUomax≤0.02 mV,最大輸出驅動電流Iomax=20mA,輸出范圍：0≤Uo≤100 mV，對系統的穩定性要求非常高。對此要求，傳統的精密電壓源一般采用模擬電路，由精密電位器調節生成，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扇等輔助措施，大大增加了定檢設備的體積和成本，而且輸出精度和驅動能力也難以滿足要求。
針對上述問題，本文提出了一種新的設計方案。為確保系統軟硬件設計的正確性和縮短開發周期，本文基于Proteus平臺對系統的軟硬件設計進行了仿真。Protues具有強大的電路仿真功能,獨一無二地支持外圍數電/模電與處理器的協同仿真[2]，真正實現了虛擬物理原型功能，在目標板還沒有制作前，就可以對軟硬件系統的功能和性能指標進行充分調整，極大地增加了設計的準確性，并顯著縮短了開發時間。
1 系統的工作原理
該系統的組成框圖如圖1所示。系統的工作原理是：上位機將需要輸出的精密電壓對應的控制碼通過RS232串口發送給單片機，單片機再控制D/A轉換芯片將數字信號轉換為模擬電壓信號；為減小系統控制誤差以及溫度、電源電壓波動等因素對輸出電壓的干擾，還需對D/A轉換后的模擬電壓進行衰減,其衰減倍數由以下分析確定。
電壓再衰減100倍。考慮到環境溫度的變化和元器件自身的溫度漂移特性,系統增設了A/D轉換模塊和微型液晶顯示模塊用以輸出監控。
2 系統硬件選擇與仿真設計
2.1 硬件選擇
系統主控單片機選用Atmel公司的AT89S51單片機;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轉換器AD5422,其輸出量程設置為0~10 V;A/D芯片選擇Linear公司推出的16 bit逐次逼近型A/D轉換器LTC1865,若將LTC1865的參考電壓設定為1 V，則該芯片的分辨率為1 000 mV/216=0.015 mV,可以滿足系統輸出信號偏移量ΔUomax≤0.02 mV的要求;顯示器件采用1602LCD微型液晶顯示器。
2.2 系統仿真設計
系統的仿真原理圖可分為圖2(a)所示的D/A轉換電路和圖2(b)所示的A/D采集與顯示電路兩部分。
D/A轉換電路的工作原理是：AD5422在單片機的3個I/O口（P1.0、P1.1、P1.2）的控制下，將轉換后的模擬電壓由Vout引腳輸出。為確保輸出電壓穩定，在Vout引腳和+Vsense引腳之間通過電阻R1引入負反饋。輸出電壓經電阻R3、R4串聯分壓(衰減)后，再送入高精密放大器LM2902進行放大，可得精密電壓輸出信號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Vout送入16 bit A/D芯片LTC1865的CH0通道,該芯片在單片機的3個I/O口(P1.4、P1.5、P1.6)的控制下，可將模擬電壓轉換為數字信號，并將轉換結果通過SDO引腳送入單片機的P1.7引腳。單片機通過對A/D采集結果的分析，即可實現對輸出信號的反饋控制。同時，還可利用A/D采集結果計算出輸出電壓Vout，并通過單片機P0口送入LCD1602微型液晶顯示器進行實時顯示。
3 系統軟件設計
本文采用上位機（PC）向單片機串口發送數字的方式來控制精密電壓的輸出，從而替代傳統的調節電位器的模擬電壓控制方式。為保證單片機能對上位機發送來的數字進行實時處理，需利用單片機的串口中斷服務程序控制D/A轉換。系統軟件設計包括4個模塊：（1）串口中斷模塊，用于接收上位機發來的數字信號；（2）D/A轉換驅動模塊,用于驅動AD5422將串口接收的數字信號轉換為模擬電壓；（3）A/D采集模塊，用于驅動LTC1865將輸出的精密電壓轉換為數字信號,實現對輸出電壓的修正；（4）LCD顯示模塊，用于實時顯示輸出電壓。系統的軟件流程圖如圖3所示。系統軟件采用C語言設計，在 Keil μVision3環境下編譯調試。
（1）16 bit D/A轉換芯片AD5422輸出電壓的控制誤差及溫度偏移誤差經后級精密電阻衰減網絡衰減100倍后，完全可以滿足設計要求。
（2）將16 bit A/D芯片的參考電壓選定為1 V，可以實現分辨率為0.015 mV的輸出電壓反饋控制,從而對輸出誤差進行實時修正。
（3）本文設計的0~100 mV精密電壓源的輸出信號偏移量ΔUomax≤0.02 mV，最大輸出驅動電流為20 mA，可很好地滿足定檢要求。
參考文獻
[1] 樂千榿, 徐靜. 高精密程控電壓源的設計與實現[J].現代電子技術, 2008,12（1）:25-26.
[2] 張靖武,周靈彬. 單片機系統的Proteus設計與仿真[M]. 北京: 電子工業出版社,2008.