摘要：為實(shí)現(xiàn)恒電位儀給定電壓低速掃描時(shí)電壓高精度、線性好及降低設(shè)計(jì)成本，設(shè)計(jì)了一種簡單可行的電壓掃描系統(tǒng)。該系統(tǒng)以STC89C51為主控器件，通過單片機(jī)IO口模擬SPI通信接口來控制16位數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片DAC8831，DAC8831根據(jù)預(yù)先輸入的D／A控制字將數(shù)字信號轉(zhuǎn)換成模擬電壓，借助于外部運(yùn)放實(shí)現(xiàn)雙極性電壓輸出。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該系統(tǒng)輸出電壓范圍為-4～+4 V、電壓分辨率可達(dá)0．125 mV，低速電壓掃描線性度好，具有應(yīng)用靈活、外圍電路簡單，可靠性高的特點(diǎn)。
關(guān)鍵詞：DAC8831；單片機(jī)；恒電位儀；OPA277

    恒電位儀是電化學(xué)測試中的重要儀器，用它可以控制電極電位為指定值，以達(dá)到恒電位極化的目的。通過改變恒電位儀的輸入給定電壓，以改變電極上的電位值，即電壓掃描電路。傳統(tǒng)的電壓掃描電路采用手動(dòng)逐點(diǎn)調(diào)節(jié)、機(jī)械傳動(dòng)調(diào)節(jié)或是由計(jì)數(shù)器及運(yùn)算放大器組成的簡易數(shù)模轉(zhuǎn)換電路來實(shí)現(xiàn)掃描電壓的調(diào)整，控制精度低、穩(wěn)定性較差、線性度差、電路復(fù)雜，且受溫度影響較大。16位數(shù)模轉(zhuǎn)換器DAC8831具有
高精度、高穩(wěn)定性等優(yōu)點(diǎn)。將其與STC89C51單片機(jī)構(gòu)成電壓掃描電路應(yīng)用于恒電位儀中，電路結(jié)構(gòu)簡單、成本低，具有高精確度、高穩(wěn)定性、高線性度，完全能夠滿足恒電位儀低速掃描要求，且通過編程還可實(shí)現(xiàn)多種波形的輸出，擴(kuò)展能力強(qiáng)。

1 16位數(shù)模轉(zhuǎn)換器DAC8831
1．1 DAC8831概述
    DAC8831是TI公司的一款16位電壓輸出型數(shù)模轉(zhuǎn)換器，具有轉(zhuǎn)換速度快、超低功耗(最低15μW)、高精度(DAC8831ICD最大線性誤差不超過±1 LSB)、低輸出噪聲、高速SPI接口(最高可達(dá)50MHz)、上電自動(dòng)校零等優(yōu)勢，非常適用于小型儀器、手持移動(dòng)設(shè)備。
1．2 DAC8831引腳排列
    DAC8831引腳排列如圖1所示。

    各引腳功能如下：
    RFB：反饋電阻接入端，在雙極性輸出時(shí)連接到外部運(yùn)放的輸出端：
    Vout：數(shù)模轉(zhuǎn)換器模擬電壓輸出端；
    AGNDF、AGNDS：模擬地；
    VREF-S、VREF-F：參考電壓輸入端，連接到外部參考電壓；
    ：片選端，當(dāng)為低電平時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)入SDI端口；
    SCLK：串行時(shí)鐘輸入端：
    NC：無內(nèi)部連接；
    SDI：串行數(shù)據(jù)輸入端，在SCLK的上升沿?cái)?shù)據(jù)被鎖存到輸入寄存器；
    ：DA轉(zhuǎn)換器加載輸入端，低電平有效。當(dāng)為低電平時(shí)，DAC鎖存器同步更新輸入寄存器的內(nèi)容；
    DGND：數(shù)字地；
    INV：內(nèi)部比例電阻連接端。在雙極性輸出時(shí)連接到外部運(yùn)放的反向輸入端；
    VDD：模擬電源端，+3～+5V。
1．3 DAC8831使用方法
1. 3．1 基準(zhǔn)源電路
    為了使數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片的輸出更加穩(wěn)定，對DA芯片的基準(zhǔn)源就要有一定要求，基準(zhǔn)源必須是低溫溧、高精度、高穩(wěn)定性，通用基準(zhǔn)源芯片有TL431、LM336等，溫漂系數(shù)基本可以達(dá)到20～30 ppm／℃，綜合易用性、計(jì)算方便性等因素，本系統(tǒng)采用的是TI公司生產(chǎn)的REF5040I精密基準(zhǔn)源芯片，該芯片具有最大為3 ppm／℃極低溫漂系數(shù)、最大誤差為0．05％的高精度值以及極低的噪聲3 μVPP／V，且具有高達(dá)10 mA的輸出電流，輸出電壓為4．096 V，最小步進(jìn)正好是0,125mV，完全適合作為16位高精度數(shù)模轉(zhuǎn)換器的基準(zhǔn)源。該芯片電路結(jié)構(gòu)簡單，外圍元件少，應(yīng)用電路如圖2所示。

1．3. 2 DAC8831兩種輸出模式
    DAC8831可以結(jié)合外部運(yùn)放實(shí)現(xiàn)單極性(0～VREF)和雙極性(-VREF～+VREF)兩種輸出模式，恒電位儀中必須使用正負(fù)電壓掃描，故采用雙極性輸出，電路如圖3所示。雙極性輸出模式下DAC輸入控制數(shù)字量與模擬輸出值之間的對應(yīng)關(guān)系表1所示。

1．3．3 DAC8831工作時(shí)序及其接口電路
    根據(jù)的狀態(tài)，DAC8831可以呈現(xiàn)出兩種時(shí)序，但是工作方式基本一致。在此僅討論為低電平時(shí)的工作時(shí)序。
    數(shù)據(jù)傳輸由芯片選擇信號(片選信號)來構(gòu)成，DA轉(zhuǎn)換器以總線從設(shè)備進(jìn)行工作?？偩€主控產(chǎn)生同步時(shí)鐘信號SCLK并啟動(dòng)傳輸過程。當(dāng)為高電平時(shí)，DA轉(zhuǎn)換器不進(jìn)入轉(zhuǎn)換工作，SCLK和SDI都不作用。當(dāng)總線主控將變成低電平時(shí)，DA轉(zhuǎn)換器緊隨的高低躍變開始轉(zhuǎn)換工作。SD I端的串行輸入數(shù)據(jù)同步地從總線主控SCLK的下降沿移出，在SCLK的上升沿鎖存到輸入移位寄存器，MSB高位在先。低到高的轉(zhuǎn)變使得輸入移位寄存器的內(nèi)容傳送到輸入寄存器，所有數(shù)據(jù)寄存器都是16位，通過16個(gè)SCLK時(shí)鐘周期將效據(jù)字一位一位傳送出來。當(dāng)16個(gè)數(shù)據(jù)字傳送完畢，緊接著第16個(gè)時(shí)鐘周期后必須變?yōu)楦唠娖?。工作時(shí)序如圖4示。

    DAC8831采用標(biāo)準(zhǔn)的3線制SPI串行接口，所以可以方便的與DSP及各種單片機(jī)連接，它與單片機(jī)的接口主要有兩種工作方式：一是與CPU的串行口相連，單片機(jī)的串行口以同步方式工作，但是會(huì)占用串口資源；二是利用普通I／O口來模擬SH的工作方式，方便擴(kuò)展。大多數(shù)51單片機(jī)沒有SPI接口，在此選用第二種工作方式，用51單片機(jī)進(jìn)行通訊時(shí)把DAC8831的通訊口SDI、SCLK、CS分別與51單片機(jī)的P1.0、P1.1、P1.2口連接，按照工作時(shí)序模擬SPI工作過程即可。

2 DAC8831的軟件編程
    用51單片機(jī)IO口模擬SPI，用Keil C51編寫的DA轉(zhuǎn)換子程序及注解如下所示：

    通過以上轉(zhuǎn)換子程序，再通過編程即可實(shí)現(xiàn)恒電位儀掃描初始電壓的設(shè)定及掃描速度的設(shè)定，從而使恒電位儀的電壓掃描實(shí)現(xiàn)智能化。

3 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)
    在進(jìn)行電壓測試時(shí)，為減小輸出誤差，外部運(yùn)放應(yīng)選擇低噪聲低溫漂的高精度運(yùn)放(OPA277等)及高精度低溫漂的基準(zhǔn)源(REF5020、REF5 040等)，對外部運(yùn)放要進(jìn)行調(diào)零或直接采用斬波穩(wěn)零運(yùn)放(如LTC1052等)，本文系統(tǒng)使用OPA277和REF5040。通過調(diào)整電壓數(shù)字量來改變模擬輸出電壓值，使用Thurlby 1905a數(shù)字表對系統(tǒng)電壓輸出端進(jìn)行監(jiān)測，預(yù)設(shè)電壓和實(shí)測電壓數(shù)據(jù)對比如表2所示。

    由表2分析可知，系統(tǒng)輸出電壓可實(shí)現(xiàn)-4～+4 V連續(xù)變化，且實(shí)際誤差小于0．15％，分辨率也達(dá)到了0．125 mV，完全滿足恒電位儀中低速掃描對線性度、穩(wěn)定度及分辨率的要求。

4 誤差分析
    對誤差的來源作如下分析，在雙極性輸出模式下，輸出電壓V0-BIP計(jì)算公式如下：
   
    式(1)中V0-UNI為單極性下的輸出電壓，VOS為外部運(yùn)放的輸入失調(diào)電壓，RD為圖3中RFB與RINV的匹配誤差，A為放大器的開環(huán)增益。
    V0-UNI表達(dá)式如下：
   
    式(2)中D為DAC輸入電壓數(shù)字量，VREF為基準(zhǔn)源電壓，VGE為電壓增益誤差，VZSE為電壓零刻度誤差，INL為電壓整體非線性失真。
    以上兩式中，D是由使用者根據(jù)需要輸入的該項(xiàng)不會(huì)帶來誤差，最終誤差主要來自以下兩個(gè)方面：1)VZSE、INL、RD是由DAC8831自身參數(shù)決定的，這是固有誤差，由于DAC8831本身性能優(yōu)異，因此該誤差控制的較好；2)VOS、A、VREF、VGE均是由外部運(yùn)放及基準(zhǔn)源性能指標(biāo)決定的，也就是說外部運(yùn)放及基準(zhǔn)源性能好壞直接影響整體的輸出誤差，這也是影響誤差的主要因素。
    不同的運(yùn)放及基準(zhǔn)源性能差異較大，由以上分析可得，要想提高整機(jī)性能，必須采用高精度基準(zhǔn)源及低放大失真、低輸入偏置電壓、高開環(huán)增益的高性能運(yùn)放，因此選擇REF5040及OPA277來改善性能，如果能使用比OPA277性能更加優(yōu)越的運(yùn)放如斬波穩(wěn)零放大器，輸出誤差可進(jìn)一步減小。

5 結(jié)論
    恒電位儀在使用外部掃描信號輸入時(shí)可以測量多種電壓變化場合下合金的性能。傳統(tǒng)恒電位儀實(shí)現(xiàn)電壓掃描電路復(fù)雜、穩(wěn)定性差、體積功耗大，而采用DAC8831芯片及圖3中的輸出模式可以實(shí)現(xiàn)雙極性電壓的連續(xù)變化、高線性度和高穩(wěn)定性，且外圍元件少、功耗低、性價(jià)比高，并可通過編程實(shí)現(xiàn)各種輸出波形。
    在實(shí)際使用中還需注意，由于DA轉(zhuǎn)換器精度高，容易受外部干擾，所以在布線時(shí)必須注意數(shù)字地和模擬地要盡量分開，可采用一點(diǎn)接地，電源端和參考電壓端需加旁路電容。應(yīng)用DAC8831數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片制作的電壓線性掃描電路已成功應(yīng)用在恒電位儀中，實(shí)現(xiàn)了掃描電壓的智能化設(shè)置。