摘要：為設(shè)計出高精度的標準電壓源，本文通過標準電壓源的生成過程來分析基準電壓源對數(shù)模轉(zhuǎn)換器的要求從而選擇AD5791。并通過AD5791的硬件特性和軟件特性來克服以往數(shù)模轉(zhuǎn)換器作為基準源偏置電流中的失調(diào)現(xiàn)象，以及應(yīng)用其特殊優(yōu)越性能在設(shè)計高精度電壓源系統(tǒng)中輸出0.00000V到10.00000V的電壓。并通過試驗校驗其準確性。

0 引言

數(shù)模轉(zhuǎn)換器的常見用途之一是提供可控精密電壓，它可以廣泛的應(yīng)用于醫(yī)療系統(tǒng)中的梯度線圈控制、測試和計量中的精密直流源、科學(xué)應(yīng)用中的光束檢測，工業(yè)控制以及高端科學(xué)和航空航天的儀器校驗。

隨著時間的推移，集成電路對數(shù)模轉(zhuǎn)換器的精度要求也在不斷變化?？刂葡到y(tǒng)和儀器儀表系統(tǒng)對數(shù)模轉(zhuǎn)換器的分辨率和精度要求也越來越高。在我國目前所使用的數(shù)模轉(zhuǎn)換器已經(jīng)可以達到20位了，但是其線性度最高只能達到20ppm。隨著科技的進步，儀器儀表對數(shù)模轉(zhuǎn)換器精度的要求不斷提升，特別的標準源中的電壓源基準對數(shù)模轉(zhuǎn)換器的要求更

是嚴格，而且設(shè)計溫度漂移問題，噪聲干擾問題，線性穩(wěn)定性問題以及電路構(gòu)成中的失調(diào)問題都需要方方面面的考慮，這種數(shù)模轉(zhuǎn)換器逐漸達不到設(shè)計者的要求。此時一款新的高精度數(shù)模轉(zhuǎn)換器AD5791應(yīng)運而生。它不僅分辨率高達20位，線性度為1ppm，可以提供高質(zhì)量的精度的直流基準從而提高電壓源的輸出線性度。而且有效的克服了溫度漂移，偏置電流失調(diào)等現(xiàn)象。本文將通過標準電壓源的生成來分析闡述其直流電壓基準對于其精度的作用，結(jié)合AD5791的特性來設(shè)計一款高精度電壓源并借用安捷倫3458A高精度數(shù)字萬用表來檢驗其準確性，使其輸出誤差小于2ppm。[!--empirenews.page--]

1 標準電壓源的生成及分析

一個高精度的標準電壓源是一個自動反饋控制系統(tǒng)如圖1所示，直流電壓基準產(chǎn)生可調(diào)直流電壓基準VREF，經(jīng)過直流電壓功放(放大倍數(shù)為A)和功率放大器(大倍數(shù)為片B)放大到所需功率接到輸出端子上，輸出信號經(jīng)過取樣電路衰減(衰減系數(shù)為N)后與直流電壓基準信號進行求差計算，計算出誤差經(jīng)放大后(放大倍數(shù)為K)加到直流基準上，經(jīng)過反饋調(diào)節(jié)，使輸出信號穩(wěn)定在設(shè)定值上。當電路進入穩(wěn)態(tài)后輸出電壓Vo為標準電壓源輸出。

通過圖1系統(tǒng)可以得到標準電壓源Vo的計算公式如式1所示。

取樣電路衰減系數(shù)N和誤差放大倍數(shù)K可以通過選配電阻來調(diào)節(jié)，VREF使其對誤差不會產(chǎn)成太大影響。綜上所述標準電壓源Vo的準確度和線性度直接受基準電壓的影響。[!--empirenews.page--]

設(shè)計產(chǎn)生這種高精度的直流基準電壓對數(shù)模轉(zhuǎn)換器的要求非常高，綜合考慮分辨率，線性度，穩(wěn)定性，溫度漂移等因素，本文選用美國AD公司最新出產(chǎn)的高精度數(shù)模轉(zhuǎn)換器，AD5791來進行設(shè)計和分析。

2 AD5791的優(yōu)越特性

AD5791是一款高精度、單通道、20位、串行輸入、無緩沖電壓輸出數(shù)模轉(zhuǎn)換器，采用最高33V的雙極性電源供電。擁有7.5V至16.5V的正基準電壓，和-16.5V至-2.5V的負基準電壓。最大相對精度值為±1 LSB。除此之外它的顯著參數(shù)特點如下：

如圖2和所示為AD5791的引腳配置。它的三線式串行接口，最高可以用35MHz的時鐘速率工作，并且與標準SPI、OSPI、MICROWIRE、DSP接口標準兼容。它內(nèi)部的上電復(fù)位電路，可以使它上電后輸出仍為0V。直到對該器件執(zhí)行一次有效的寫操作之前都可以保持已知輸出阻抗狀態(tài)。

3 在高精度電壓源中的應(yīng)用

AD5791除了參數(shù)上的特性外，其硬件結(jié)構(gòu)和軟件特性也使其優(yōu)越與其他數(shù)模轉(zhuǎn)換器。本文的高精度電壓源設(shè)計充分利用了這些特性。

3.1 硬件設(shè)計

設(shè)計高精度電壓源首先需要將AD5791上電至0V。前文已述AD5791的內(nèi)置上電復(fù)位路，可以控制上電期間的輸出電壓。并且將所有寄存器復(fù)位至默認值。上電時，AD5791處于的基準輸入斷開，輸出通過約6kΩ電阻箝位至接地。它將保持此狀態(tài)，直到通過控制寄存器地設(shè)置來改變它狀態(tài)。為確保AD5791獲得額定性能并保持穩(wěn)定，基準輸入還需要利用外部放大器來進行檢測。AD5791優(yōu)越的特性使其在外部放大器的連接也有著獨特的方式，為了克服出現(xiàn)偏置電流失調(diào)的現(xiàn)象，AD5791通過兩種方式與輸出放大器連接，即單位增益配置和雙倍增益配置。本文選用單位增益配置方式，即輸出放大器的單位增益配置，輸出范圍從VREFN到VREFP。由于AD5791輸出電阻為3.4k，為使其在片內(nèi)獲得一個與其電阻相等的電阻，我們通過在反饋路徑中并聯(lián)連接R1(6.8K)和RFB(6.8K)來實現(xiàn)。這樣就能在其輸入偏置電流中消除了失調(diào)現(xiàn)象。為使其溫度系數(shù)彼此匹配，這些電阻全部位于一個硅片上。圖3給出了單位增益配置輸出放大器在AD5791中的連接方式。[!--empirenews.page--]

在此配置中，為了提高其動態(tài)性能，單位增益配置需要在放大器反饋路徑中放置一個電容。

由于AD5791的正|負基準驅(qū)動|檢測輸入端都需放置單位增益放大器，綜合考慮噪聲，溫度漂移和速度的等原因本文選用這以下兩款雙通道放大器作AD5791在高精度精密標準電壓源配套器件，它們是AD8675和AD8676。

AD5791的積分非線性(INL)會隨著所施加的基準電壓范圍不同而改變，式4為AD5791的積分非線性(INL)計算公式。其中IBIAS為輸入偏置電流;VREFP正基準電壓;VREFN為負基準電壓。由公式可以看出過大的偏置電流和過小的基準電壓都會導(dǎo)致積分非線性度的降低，因此為了保證良好的積分非線性度，我們選用±10V作為基準輸入范圍，輸入偏置電流設(shè)置為100nA。這樣會使INL提高0.05ppm。

如圖4所示，為用AD5791數(shù)模轉(zhuǎn)換器的1ppm進度系統(tǒng)在高精度電壓源中的應(yīng)用系統(tǒng)，AD5791由單電源提供3.3V的電源。以AD5791(U1)作為精密數(shù)控電壓源它的輸出電壓范圍為±10V，增量為20μV;基準輸入端必須使用強制檢測緩沖器，來達到額定線性度。本文的基準電壓輸入緩沖器選用AD8676(U2);除此之外本系統(tǒng)還需要一個輸出緩沖器來驅(qū)動低電阻、高電容負載，由于AD5791的輸出阻抗為3.4 k所以用AD8675(U3)作為輸出緩沖器。為了進一步消除偏置電流中的失調(diào)現(xiàn)象選用單倍增益的配置方式與之連接。AD5791的SC LK，SDIN和 [!--empirenews.page--]分別通過6N137高速光耦合器與單片機的P1.0，P1.1和P1.2相連。P1.0給AD5791送入串行時鐘信號，再由AD5791在串行時鐘輸入的上升沿輸出，送入串行數(shù)據(jù)單片機通過P1.1送出，數(shù)據(jù)00000H對應(yīng)0v，數(shù)據(jù)FFFFFH對應(yīng)10v。同時 通過單片機的P1.2控制DAC寄存器的更新方式，完成與單片機之間的通訊。這樣AD5791就可以輸出0.00000到10.00000v之間的電壓作為高精度基準電壓源了。

3. 2 軟件設(shè)計

本文通過AD5791的軟硬件協(xié)調(diào)配合來實現(xiàn)高精度電壓源的輸出。為了確定和設(shè)置好AD5791的工作方式、首先對其控制寄存器進行如下設(shè)置。

上電之后，需對控制寄存器進行編程將AD5791置于正常工作模式。DACTRI位置0使DAC脫離三態(tài)，OPGND位置0消除輸出箝位。[!--empirenews.page--]

AD5791與外部放大器兩種工作模式需要控制寄存器的RBUF位來設(shè)置，單位增益配置時設(shè)置為邏輯1，雙倍增益配置時設(shè)置為邏輯0。本文使用的是單倍增益配置所以需將控制寄存器的RBUF位設(shè)置為邏輯1。

SDODIS為SDO引腳置為0使引腳正常使用，BIN/2SC為置為0使DAC寄存器正常編碼。

綜上所述在本設(shè)計中AD5791的控制寄存器各位如表2配置

此外由式5，DAC的傳遞函數(shù)公式中可以看出寫入DAC的20位代碼可以對輸出電壓產(chǎn)生影響。

式中，VREFN是輸入負基準電壓;VREFP是輸入正基準電壓;D為寫入DAC的20位代碼。

前文的硬件設(shè)置中已經(jīng)將正l負基準電壓設(shè)置為±10V，而寫入AD5791的20位代碼則需要根據(jù)我們我需要的電壓源來設(shè)定。其系統(tǒng)流程圖如圖5所示。完成初始化和芯片功能設(shè)置后，我們依靠外接鍵盤來確定所需要的電壓源數(shù)值，并將其有十進制轉(zhuǎn)換為十六進制，該十六進制數(shù)值和DAC寄存器其他內(nèi)置位共同構(gòu)成寫入DAC的20位代碼。完成對AD5791的送數(shù)。并通過單片機系統(tǒng)生成我們所需要的電壓源。[!--empirenews.page--]

4 實驗分析

為了驗證本設(shè)計的準確度，我們借用安捷倫3458A高精度數(shù)字萬用表來對其輸出電壓進行校驗。我們分別取1 V，2.5V，5V，10V四組數(shù)據(jù)分別進行四次實驗。實驗結(jié)果如表3所示。

通過實驗數(shù)據(jù)我們可以看出其輸出誤差均小于2ppm(百萬分之二)，從而可以證明AD5791這款高精度數(shù)模轉(zhuǎn)換器在高精度電壓源設(shè)計中可以大幅度的提高其輸出精度。

5 結(jié)語

將高精度數(shù)模轉(zhuǎn)換器AD5791的優(yōu)越特性應(yīng)用到精密校驗儀中作為基準電壓源，克服了以往傳統(tǒng)DAC偏置電流中的失調(diào)現(xiàn)象。AD5791的硬件配置特性及其軟件寄存器特性顯著的提高了其作為電壓源的精度。并通過實驗校驗了其準確性，可以達到目標精度。這對精密測量技術(shù)和社會科學(xué)的進步和發(fā)展起到了推動作用。[!--empirenews.page--]