周松斌 林創(chuàng)魯 劉洋 黃可嘉

（1.華南理工大學(xué)機(jī)械與汽車工程學(xué)院 2.廣東省科學(xué)院自動化工程研制中心）

1 引言

直流標(biāo)準(zhǔn)電壓源可輸出精密的直流電壓信號，作為直流電壓的計(jì)量檢定、精密測量和校驗(yàn)的基準(zhǔn)[1,2]，在工礦企事業(yè)、科研、國防軍工、儀表生產(chǎn)制造、質(zhì)監(jiān)等部門廣泛使用，具有廣闊的開發(fā)與應(yīng)用前景，成為人們長期關(guān)注和努力的研究熱點(diǎn)。

標(biāo)準(zhǔn)電壓源生產(chǎn)廠家主要有美國福祿克公司、日本橫河、上海蘇特等。輸出精度在 20×10-6以下的產(chǎn)品，多數(shù)是電壓固定型。為了高穩(wěn)定度和高精度，這些產(chǎn)品缺乏電壓可調(diào)、可控功能，產(chǎn)品性價比不高，使用范圍受限。

近年來，集成電路迅猛發(fā)展，各種基于新技術(shù)的數(shù)模變換器（Digital-to-Analog Converter，DAC）芯片陸續(xù)出現(xiàn)，為電壓可調(diào)、可控的高精度標(biāo)準(zhǔn)電壓源的實(shí)現(xiàn)提供了新的解決方法。本文提出一種高精度可調(diào)標(biāo)準(zhǔn)電壓源方案，并通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證方案的可行性。

2 原理設(shè)計(jì)

高精度可調(diào)標(biāo)準(zhǔn)電壓源主要設(shè)計(jì)指標(biāo)：電壓輸出范圍 0V～10V，分辨率 1μV，輸出精度為±(10×10-6+10μV）。

整機(jī)原理框圖如圖1所示，包含高穩(wěn)定度基準(zhǔn)電壓模塊、雙通道PWM 閉環(huán)電壓調(diào)節(jié)模塊、雙DAC可編程電壓輸出模塊、低噪聲電源模塊和中央處理模塊。為實(shí)現(xiàn)高精度可調(diào)、可控標(biāo)準(zhǔn)電壓輸出，主要思路是：先由高穩(wěn)定度基準(zhǔn)電壓模塊輸出穩(wěn)定的7V固定電壓，接著雙通道脈寬調(diào)制（Pulse Width Modulation，PWM）閉環(huán)電壓調(diào)節(jié)模塊通過兩路的PWM 調(diào)制把電壓提升到高穩(wěn)定的 10V，由雙 DAC實(shí)現(xiàn)可編程20位數(shù)模轉(zhuǎn)換輸出0V到10V的高穩(wěn)定度電壓。低噪聲電源模塊用于提供各模塊所需直流電壓，中央處理模塊包含CPU及各類接口。

圖1 整機(jī)原理框圖

3 方案設(shè)計(jì)

3.1 低噪聲直流電源模塊

為了實(shí)現(xiàn)高精度輸出及測量性能，必須為其工作電路提供低噪聲電源。采用交流濾波→環(huán)形變壓→RC-∏濾波→線性調(diào)節(jié)器的方法設(shè)計(jì)直流電壓電路，為主板提供直流+13V、-13V和5V三種低噪聲直流電壓電源。

3.2 中央處理模塊

CPU采用ST公司的系列處理器STM32處理器stm32f103。該處理器是一款高性能、低成本、低功耗、外設(shè)豐富的嵌入式芯片，最高工作頻率可達(dá)72MHz，完全能夠滿足系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求[3]。除了LCD顯示接口、鍵盤接口、輸入接口外，還設(shè)計(jì)了USB和網(wǎng)絡(luò)接口，結(jié)合這些接口可實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)源的在線可調(diào)、可控功能。

CPU負(fù)責(zé)恒溫控制、PWM調(diào)制、DAC編程輸出以及各類接口控制及通訊。上位機(jī)設(shè)定輸出電壓值，通過接口與 CPU通訊，實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)電壓源的電壓可調(diào)、可控。

3.3 高穩(wěn)定度基準(zhǔn)電壓模塊

基準(zhǔn)電壓源是高精度標(biāo)準(zhǔn)電壓源的“心臟”，直接影響整機(jī)的性能及精度。普通基準(zhǔn)源存在較大的漂移誤差和隨機(jī)誤差，如何減少這兩種誤差，是研制高精度標(biāo)準(zhǔn)電壓源的關(guān)鍵之一。電壓基準(zhǔn)主要有齊納、隱埋式齊納和帶隙三種結(jié)構(gòu)形式[4,5]，其中隱埋式齊納的長期穩(wěn)定性、噪聲、負(fù)載調(diào)制率等性能參數(shù)均優(yōu)于其它基準(zhǔn)源。為得到高穩(wěn)定度基準(zhǔn)電壓源，本文采用了恒溫控制的隱埋式齊納基準(zhǔn)源。

基準(zhǔn)源采用 LTZ1000芯片，片內(nèi)集成了溫度傳感器和加熱器，溫度系數(shù)達(dá)到 0.05×10-6/℃；齊納管采用了深埋技術(shù)，電壓穩(wěn)定度1×10-6/年。通過采集溫度傳感器的測量值來控制加熱器的加熱電流，從而實(shí)現(xiàn)低溫漂。另外為降低外圍元件的噪聲并提高恒流控制和溫度補(bǔ)償精度，采用穩(wěn)壓管恒電流驅(qū)動實(shí)現(xiàn)低噪聲；選用低溫漂、低噪聲采樣電阻；失調(diào)電壓漂移小的差分運(yùn)放。為減小電路的熱噪聲，采用局部恒溫技術(shù)。為得到好的電氣性能，電路板采用4層沉金、2盎司銅箔工藝。實(shí)測所用恒溫控制的隱埋齊納管基準(zhǔn)電壓模塊提供的電壓為固定的7.191051V。

3.4 雙通道PWM閉環(huán)控制電壓調(diào)節(jié)模塊

為了克服基準(zhǔn)電壓源電壓較低、負(fù)載能力弱的缺點(diǎn)，需要對其進(jìn)行調(diào)節(jié)以提高電壓和擴(kuò)大驅(qū)動負(fù)載能力。傳統(tǒng)采用高精度、低溫漂電阻網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)的方案，其輸出端溫漂和精度受電阻網(wǎng)絡(luò)的影響較大，特別是運(yùn)放增益大時，輸出端精度難于保證。本標(biāo)準(zhǔn)源采用基于雙通道PWM的閉環(huán)控制調(diào)節(jié)技術(shù)，在普通電阻、運(yùn)放元件基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)基準(zhǔn)電壓的等精度放大。

雙通道PWM的閉環(huán)控制調(diào)節(jié)技術(shù)原理圖如圖2 所示。

圖2 雙通道PWM的閉環(huán)控制調(diào)節(jié)技術(shù)原理圖

主要包括電壓放大反饋回路和斬波穩(wěn)零反饋電路兩部分。電壓放大反饋回路主要由低噪放大、輸出驅(qū)動和分壓網(wǎng)絡(luò)組成，實(shí)現(xiàn)電壓升壓和提高輸出驅(qū)動能力；斬波穩(wěn)零反饋電路主要包括主半H橋、次半H橋、高階低通濾波器、二階低通濾波器和斬波穩(wěn)零放大器組成。雙PWM輸出用于控制半H橋和次半H橋，輸出調(diào)制波；高階低通濾波器的輸出輸入到斬波穩(wěn)零放大器的正相端，二階低通濾波器的輸出與7.1V基準(zhǔn)源求和后輸入到斬波穩(wěn)零放大器的反相端。閉環(huán)調(diào)節(jié)降低了電路元件老化、環(huán)境噪聲，特別是電阻網(wǎng)絡(luò)變化等對輸出穩(wěn)定性的影響，大大降低了電路的成本。

該調(diào)節(jié)模塊將恒溫控制的隱埋齊納管基準(zhǔn)電壓模塊提供的電壓調(diào)節(jié)到10.00000V。

3.5 雙DAC可編程電壓輸出模塊

為實(shí)現(xiàn)1μV的分辨率，電壓輸出需要20位高精度數(shù)模轉(zhuǎn)換器DAC。為克服現(xiàn)有DAC輸出分辨率不足的問題，采用基于權(quán)電壓控制法的雙 DAC可編程電壓輸出技術(shù)，即雙16位分辨率DAC實(shí)現(xiàn)20位DAC高精度可編程電壓源輸出。

基于權(quán)重法的雙DAC可編程電壓輸出原理圖如圖3 所示。

圖3 雙DAC可編程電壓輸出原理圖

可編程電參量輸出閉環(huán)反饋控制模塊主要包括編碼器、雙16位DAC、V/I轉(zhuǎn)換電路和輸出放大電路。編碼器將期望的輸出電壓轉(zhuǎn)換成數(shù)字編碼傳送給高16位DAC和低16位DAC控制輸出電壓；輸出量高16位DAC和低16位DAC的輸出電壓經(jīng)過電流/電壓轉(zhuǎn)換、求和運(yùn)算、輸出放大后得到期望電壓。輸出模塊電壓設(shè)定由CPU負(fù)責(zé)處理。

DAC芯片采用LTC1599，16位高精度數(shù)模轉(zhuǎn)換器精度為8×10-6[6]。在10V量程下，模塊輸出實(shí)現(xiàn)了1μV的分辨率。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

按照直流標(biāo)準(zhǔn)電壓源檢定規(guī)程[2]，誤差檢定方法采用標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字電壓表法。采用誤差少于被檢標(biāo)準(zhǔn)源的數(shù)字電壓表，直接檢定標(biāo)準(zhǔn)源，接線如圖4所示。

圖4 標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字電壓表法接線圖

設(shè)標(biāo)準(zhǔn)源輸出值為XU ，數(shù)字電壓表顯示為NU ，則被檢標(biāo)準(zhǔn)源的相對誤差用百分?jǐn)?shù)表示：

標(biāo)準(zhǔn)電壓源主板如圖5所示。

圖5 高精度可調(diào)標(biāo)準(zhǔn)電壓源主板圖

電壓輸出范圍0V～10V，分辨率1μV。為驗(yàn)證輸出電壓的精度，采用FLUKE8508A八位半精密數(shù)字表實(shí)測標(biāo)準(zhǔn)電壓源的輸出，采用 20V量程，該量程下24小時輸出誤差為±（0.5×10-6+4μV）。實(shí)測結(jié)果如圖6所示。分別對標(biāo)準(zhǔn)電壓源設(shè)定10V、7V、2.5V、1V、0.1V，測量結(jié)果標(biāo)準(zhǔn)源輸出誤差都低于±(10×10-6+10μV），符合設(shè)計(jì)要求。

圖6 FLUKE8508A八位半精密數(shù)字表

5 結(jié)論

針對高精度標(biāo)準(zhǔn)電壓源缺乏電壓可調(diào)、可控功能，本文提出一種高精度可調(diào)基準(zhǔn)電壓源方案。通過采用高穩(wěn)定度基準(zhǔn)電壓源技術(shù)、雙通道PWM閉環(huán)電壓調(diào)節(jié)技術(shù)、雙DAC可編程電壓輸出技術(shù)實(shí)現(xiàn)高精度標(biāo)準(zhǔn)電壓源可調(diào)節(jié)輸出。實(shí)測結(jié)果表明輸出誤差低于±(10×10-6+10μV）。

如何進(jìn)一步降低標(biāo)準(zhǔn)電壓源噪聲，提高長期電壓穩(wěn)定度，是下一階段研究重點(diǎn)。

[1]馮占嶺.DC標(biāo)準(zhǔn)電壓源校準(zhǔn)系統(tǒng)[J].現(xiàn)代科學(xué)儀器,1996,2:18-21.

[2]GJB.2659-96.直流電壓標(biāo)準(zhǔn)檢定規(guī)程[S].中國計(jì)量出版社,1996.

[3]STM32F10xxx Cortex-M3 programming manual.

[4]吳蓉,鄒偉.一種輸出可調(diào)的高性能帶隙基準(zhǔn)電壓源的設(shè)計(jì)[J].蘭州交通大學(xué)學(xué)報(bào),2011,12(6):59-63.

[5]馬克.皮爾森,金國峰.電壓基準(zhǔn)源的合理選擇[J].電測與儀表,2001,38(4):52-54.

[6]http://cds.linear.com/docs/Datasheet/1599fs.pdf.