用低成本数模转换器实现高精密电压输出

1、4/4用低成本数模变换器实现高精巧电压输出前言检查电压型精巧传感器的配套系统时，常常要使用可调精巧电压源。其精度要达到微伏级，温度坚固性要求也特别高，需要对环境温度进行赔偿和修正。为此，需要DAC分辨率特别高，抗搅乱能力特别强。本系统考虑到实质动向范围不大的特色，设计了采纳低分辨率DAC实现高分辨率精巧电压输出的电路。电路原理依据被检核对象的工作特色，要求输出电压范围为050mV，精度达到10V。假如采用输出为5V的数模变换器生成此电压，则D/A变换器的位数应为N=Log2(5000000/10)19Bit考虑DAC的非线性偏差、电路噪声和温漂等要素的影响，必然选择22Bit以上的DAC。在宽

2、泛查找资料后，未找到分辨率这样高的芯片，因此直接生成此电压信号很困难。但是，注意到实质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这就说明采纳13Bit的DAC相同能生成所需要的输出电压。假定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050mV，步长为10V，可知足测试信号的要求。假定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，相当于提升了原芯片的性能指标，使一个一般芯片变为了一个高精度、超低温漂的芯片。需要解决的问题是怎样实现高性能的衰减器，怎样在输出电压值知足要求

3、时，温漂也能知足要求，并实现输出电压的自动温度赔偿。为此，采纳串行接口、16位DAC714HC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，单片机依据收集到的环境温度，自动计算理论的输出电压数据。经过DAC、衰减器、有源低通滤波器缓和冲器后生成输出电压。单片机同时经过高分辨率的反应A/D变换器将此电压收集回来。设K=VL/VO式中：VL为理论的输出电压VO为实质的输出电压即K能够经过反应收集的实质输出电压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VL=KVL，保证输出电压符合要求。整个系统的偏差分为数字偏差和模拟偏差两部分，数字偏差主假如DAC的积分非线性

4、误差INL和差分非线性偏差DNL、增益偏差、输出单一性偏差，以及反应DAC的各样偏差。模拟偏差主假如DAC的温漂，衰减器的温漂，滤波器的增益偏差，以及缓冲器的精度和温漂等。系统精度和温漂的保证3.1精巧衰减器从DAC输出的满量程信号为5V，经过100倍的衰减后变为50mV，知足了测试的需求。假如衰减器的电阻选择为高精度、低漂移的电阻，且般配为相同的温漂，它自己又是无源器件，因此经过衰减器的衰减后，此电压的性能指标基本不变。本来DAC输出若在1mV之内变化，则经过衰减器此后，其变化范围减小到0.01mV之内，完满知足测试需求。为了在保证温漂指标的前提下精准调整衰减值，衰减电阻能够采纳精度优于1的

5、高精密电阻器，此后并联一个比其阻值大200倍的多圈电位器，组成电阻网络来精准调整。本来温漂性能略差的多圈电位器（如3296型电位器的温漂为104/），因为其阻值在并联电路中只占1，因此其温漂也被衰减100倍。这样既保证了精度指标又知足了温漂要求。3.2精巧有源低通滤波器因为DAC产生必然的量化噪声和其余噪声，因此在将精巧电压信号输出以前，先经过一个精巧直流单位增益有源低通滤波器，设定特别低的滤波器截止频次，滤除信号电压中的搅乱和噪声，可进一步提升输出电压的性能指标。这里重申精巧直流单位增益是为了防备增添新的偏差。采纳SallenKey构造的Butterworth单位增益有源低通滤波器构造，如图

6、2所示。它拥有直流响应等效于单位增益缓冲器的特色，因此其直流增益为1。利用Brown企业的FILTER2低通滤波器设计程序，能够快捷地计算出所需的电阻和电容值。可将相同的电路级连，进一步提升阻带衰减率。3.3精巧缓冲器在经过了精巧衰减后，输出电压已基本知足测试对电压信号的要求。但因为衰减器的负载能力特别小，负载的接入将严重影响输出电压值。为此采纳缓冲器提升输出的负载能力。用BB企业的OPA111低噪声精巧运放组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，且拥有输出端连续短路保护功能，单位增益时的电容负载能力可达1nF,保证了精巧电压输出的带负载能力。3.4环境温

7、度的收集为了自动生成随传感器实质工作环境温度而变化的精巧电压，需要丈量环境温度，以便于单片机系统自动调整输出电压值。采纳Dallas企业的iButtonBus标准产品DS1820集成温度传感器。它只要要一根I/O口线即可获取串行的温度数据，精度可达0.5。3.5简单自动恒温控制电路环境温度变化是产生温漂的根本源因，因此采纳恒温电路将系统的工作温度限制在一个较小的温差范围，能够减小温漂的影响。平常环境温度低于35，因此设定恒温控制系统的中心控制温度为35，即老是高于环境温度。恒温电路大多数时间里只要要给系统加温，使得恒温控制比较简单。若系统的工作温度过高，只要用电扇抽取外面的冷空气来降温，不需要制冷降温。4软件温度赔偿采纳一个接口简单、使用方便的24Bit高分辨率、-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，考虑各样偏差的影响，其的性能即使降低到21Bit有效位时，ADC的靠谱分辨率仍可达：VLSB=5V/(2211）2V因此可正确获取系统的输出电压值VO。程序依据前述公式计算K值、修正VL、获取修正后的输出电压VO。当测得环境温度发生变化时，重复上述过程。电压输出的软件赔偿的程序流程图如图3所示。程序运转时要调用浮点计算子程序、DAC和A/D变换子程序。结语针