摘 要：提出一種基于MCU的高精密程控電壓源實(shí)現(xiàn)方法。PC機(jī)通過異步串口與MCU通信，遠(yuǎn)程控制D/A輸出，同時(shí)使用精密電阻衰減網(wǎng)絡(luò)壓縮電壓幅度，提高輸出電壓精度，輸出電壓經(jīng)放大器驅(qū)動(dòng)輸出，增強(qiáng)了負(fù)載能力。根據(jù)大量的測試數(shù)據(jù)，創(chuàng)造性地?cái)M合輸出電壓與配置電壓值的函數(shù)關(guān)系，并通過軟件修正系統(tǒng)誤差和非線性誤差，精度可達(dá)±1.5 μV，完全滿足設(shè)計(jì)要求。

關(guān)鍵詞：精密電壓源；精密電阻衰減網(wǎng)絡(luò)；D/A轉(zhuǎn)換器；A/D轉(zhuǎn)換器

Design and Implementation of High Precision and Programmable Power Supply

LE Qianqi，XU Jing

(Chengdu University of Technology，Chengdu，610059，China

Abstract：The paper proposes an implementation of high precise and programmable power supply.PC controls DA output by communicating with MCU through UART.The output voltage is attenuated by precise resistors network.The precision of the source is improved at the same time.OPA is used to drive the load capability of the output voltage.Creatively the design fits the function relationship between the configuration voltage and the output supply according to a lot of trial data，and it adjusts the system and non-linear error with software according to the fitted curve.The precision of the supply can be in the range from -1.5 μV to +1.5 μV.It meets the needs of the requirement of design completely.

eywords：precise power supply;precise resistor network converter;D/A converter;A/D converter

1 引 言

在自動(dòng)測試領(lǐng)域，為了檢測電壓型精密傳感器的配套系統(tǒng)，需要可調(diào)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(diào)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(dòng)范圍很難控制在10 μV內(nèi)。本文提出一種新的實(shí)現(xiàn)方案，采用閉環(huán)反饋控制方式，實(shí)時(shí)監(jiān)控電壓輸出端并根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行調(diào)整；對配置電壓值和多組實(shí)際測試結(jié)果進(jìn)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(guān)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(dá)到了±1.5 μV，提高了輸出電壓的穩(wěn)定性。

2 硬件設(shè)計(jì)

2.1 工作原理

該系統(tǒng)硬件由高性能單片機(jī)、數(shù)/模轉(zhuǎn)換器、高精密電阻衰減網(wǎng)絡(luò)、儀用放大器和A/D轉(zhuǎn)換器組成，其系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 高精密程控電壓源系統(tǒng)硬件框圖

利用PC機(jī)輸入一個(gè)設(shè)定值，通過串口將數(shù)據(jù)送到單片機(jī)；單片機(jī)根據(jù)PC機(jī)與單片機(jī)的通信協(xié)議解析串口數(shù)據(jù)，當(dāng)檢測接收到有效數(shù)據(jù)后，啟動(dòng)D/A轉(zhuǎn)換器配置部分的軟件，將設(shè)定值轉(zhuǎn)化為數(shù)字量輸出到D/A轉(zhuǎn)換器；D/A轉(zhuǎn)換器將單片機(jī)輸出的數(shù)字量轉(zhuǎn)化為模擬量輸出到精密電阻衰減網(wǎng)絡(luò)^［1］，衰減系數(shù)可通過可調(diào)電位器調(diào)整，衰減后的信號(hào)通過儀用放大器INA114穩(wěn)壓輸出；同時(shí)A/D轉(zhuǎn)換器開始工作，連續(xù)采集運(yùn)放輸出端的電壓值，以串行方式送到單片機(jī)中，單片機(jī)根據(jù)A/D轉(zhuǎn)換器采集的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)控制D/A轉(zhuǎn)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(shè)計(jì)要求。

2.2 單片機(jī)模塊

單片機(jī)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(yuǎn)程控制^［2］、控制系統(tǒng)工作流程、初始化D/A和A/D并驅(qū)動(dòng)、檢測輸出電壓質(zhì)量并根據(jù)實(shí)時(shí)采樣值進(jìn)行修正。單片機(jī)采用程控高精密電壓源的核心。它通過軟件的運(yùn)行控制整個(gè)儀器的工作，從而完成設(shè)定的功能。

本設(shè)計(jì)中采用Atmel公司的低電壓、高性能8位CMOS單片機(jī)AT89C52。通過異步串口與主控計(jì)算機(jī)聯(lián)機(jī)通信，檢測并接收配置信息，并對信息進(jìn)行處理，轉(zhuǎn)換成串行信號(hào)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(shí)接收A/D采樣數(shù)據(jù)檢測運(yùn)放輸出端電壓值，當(dāng)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(shí)，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)調(diào)節(jié)電壓值，使之滿足輸出要求。

2.3 D/A轉(zhuǎn)換和精密電阻衰減網(wǎng)絡(luò)

D/A轉(zhuǎn)換電路以美國A/D公司的數(shù)/模轉(zhuǎn)換芯片AD5551為核心構(gòu)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(zhuǎn)換器，它們采用多功能3線接口技術(shù)，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(zhuǎn)換器的輸出范圍為0~2.5 V，其1個(gè)LSB為1214-1×2.5 V152 μV。這個(gè)輸出精度不能滿足測量要求。

通過精密電阻衰減網(wǎng)絡(luò)把D/A轉(zhuǎn)換器輸出的電壓值衰減了150倍，則衰減后的信號(hào)范圍在0~50 mV，精度為152150 μV1.01 μV，遠(yuǎn)小于10 μV，滿足了設(shè)計(jì)要求。同時(shí)，精密電阻衰減網(wǎng)絡(luò)將信號(hào)噪聲信號(hào)強(qiáng)度衰減原來的1/50，經(jīng)過儀用放大器INA114驅(qū)動(dòng)后，輸出電壓十分穩(wěn)定，具有很好的負(fù)載和抗干擾能力。

2.4 A/D轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換電路實(shí)時(shí)監(jiān)測D/A輸出端電壓值，并傳送到單片機(jī)中，形成一個(gè)閉環(huán)系統(tǒng)^［3］。A/D轉(zhuǎn)換器使用美國A/D公司24 b低功耗、高精度的Σ-Δ模/數(shù)轉(zhuǎn)換器AD7791。AD7791的電壓噪聲有效值僅1.5 μV，利用片內(nèi)的時(shí)鐘電路工作。通過單片機(jī)I/O口模擬片選信號(hào)、串行時(shí)鐘信號(hào)和數(shù)據(jù)信號(hào)與AD7791通信，配置各個(gè)寄存器以適應(yīng)相應(yīng)的工作模式和狀態(tài)。[LL]

當(dāng)環(huán)境溫度等外界條件發(fā)生改變時(shí)，電路參數(shù)隨之改變，對于高精密輸出端電壓值會(huì)有十分明顯的影響。A/DC用來監(jiān)測D/A經(jīng)運(yùn)放的輸出電壓值，并將采集的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)送到MCU。MCU取8次A/D采樣值平均后，根據(jù)實(shí)際情況做出相應(yīng)的調(diào)整和修正，很好地補(bǔ)償了系統(tǒng)的非線性誤差。

3 軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)程序軟件使用C語言設(shè)計(jì)，在eil C51環(huán)境下編譯調(diào)試，采用模塊化結(jié)構(gòu)，完成電壓輸出、電壓檢測、電壓補(bǔ)償和校準(zhǔn)的閉環(huán)控制，其流程圖如圖2所示。

4 結(jié) 語

本文介紹的高精度程控電壓源結(jié)構(gòu)緊湊、可控性高、成本較低，已成功應(yīng)用于某機(jī)型發(fā)動(dòng)機(jī)地面綜合檢測設(shè)備。其在實(shí)際應(yīng)用中取得了很好的效果，取代了傳統(tǒng)的模擬電路構(gòu)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。

參 考 文 獻(xiàn)

［1］趙少波.用低成本D/A轉(zhuǎn)換器實(shí)現(xiàn)精密電壓輸出［J］.電子技術(shù)，2002(10:59-61.

［2］何立民.單片機(jī)應(yīng)用技術(shù)選編［M］.北京:北京航空航天大學(xué)出版社，1993.

［3］武杰，董娟.用AVR MCU實(shí)現(xiàn)的程控電源的設(shè)計(jì)［J］.電測與儀表，2005(7:12-15.