－10～100 mV精密電壓源設(shè)計(jì)

阮子喆

(北京航空航天大學(xué)，北京100191)

－10～100 mV精密電壓源是航空發(fā)動(dòng)機(jī)溫度控制盒等重要控制系統(tǒng)定檢時(shí)必不可少的激勵(lì)信號(hào)源，設(shè)計(jì)時(shí)要求輸出電壓范圍優(yōu)于－10.000～100.000 mV，最大輸出電流為20 mA，分辨率1 μV，24 h穩(wěn)定性優(yōu)于10 μV，對(duì)系統(tǒng)的穩(wěn)定性要求非常高。針對(duì)此要求，傳統(tǒng)的模擬電路精密電壓源需要很高的D/A分辨率和抗干擾能力[1]。這種電壓源不但精度難以滿足要求，而且隨溫度等外界條件影響較大，因而還要加上恒溫箱和冷卻風(fēng)扇等輔助措施，大大增加了定檢設(shè)備的體積和成本，而且輸出精度和驅(qū)動(dòng)能力也難以滿足要求。本設(shè)計(jì)采用純模擬的方法在保證電壓源高分辨率、高精度的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)輸出電壓穩(wěn)定性高，隨溫度變化小，可以以1 μV為單位進(jìn)行調(diào)節(jié)。

指標(biāo)分析：滿量程為100.000+10.000=110.000 mV，分辨率為1 μV，如果由D/A實(shí)現(xiàn)，則需要17位DA，另外運(yùn)算過(guò)程中會(huì)有1～2位的損失，所以至少需要19位的DA，另外如果輸出負(fù)電壓，用DA輸出負(fù)電壓也比較困難，因此本設(shè)計(jì)采用純模擬的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)。

1 電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

采用運(yùn)放跟隨和反向放大相結(jié)合的方式完成，輸出電壓調(diào)節(jié)由粗調(diào)和細(xì)調(diào)電位器P2和P1完成，電路如圖1所示，當(dāng)Vn點(diǎn)的電壓固定不變時(shí)，輸出電壓近似跟隨Vp點(diǎn)的電壓變化，所以電位器P2完成輸出粗調(diào)功能；當(dāng)Vp點(diǎn)的電壓固定不變時(shí)，Vn點(diǎn)電壓的變化值衰減至原來(lái)的1%后反映到輸出電壓，所以電位器P1完成細(xì)調(diào)的功能。當(dāng)Vp電壓為零時(shí)，輸出電壓為負(fù)值，以滿足設(shè)計(jì)要求，Vn和Vp分別接電位器P1和P2的中間抽頭；三極管Q1完成功率輸出級(jí)電流放大的功能，以保證當(dāng)輸出電流比較大時(shí)，輸出電壓能夠穩(wěn)定；電阻R9為電路提供旁路電流，當(dāng)輸出無(wú)負(fù)載時(shí)，經(jīng)過(guò)二極管的電流近似為1 mA，以使電路工作在正常狀態(tài)。

2 硬件設(shè)計(jì)

2.1 敏感性分析

敏感性分析：分析電路中每個(gè)元器件參數(shù)變化對(duì)輸出測(cè)量的影響。通過(guò)圖2相對(duì)敏感性分析結(jié)果，可以看出P2和R4對(duì)電路輸出電壓影響最大，其次是R7和R8，最后是R1和R10。因?yàn)镻2和R4對(duì)電路的輸出電壓最敏感，所以可以通過(guò)改變P2和R4的參數(shù)來(lái)快速改變輸出電壓。P1對(duì)輸出電壓不敏感，可以通過(guò)改變P1的參數(shù)，微量地改變輸出電壓，以達(dá)到1 μV的變化目的。R7和R8對(duì)輸出電壓影響比較大，所以應(yīng)選用高精度、高穩(wěn)定性、低溫漂的電阻，以達(dá)到輸出電壓穩(wěn)定的目的。

圖1 電路拓?fù)?/p>

圖2 敏感性分析結(jié)果

2.2 優(yōu)化分析

優(yōu)化分析：設(shè)定好元件參數(shù)的范圍和目標(biāo)參數(shù)，由軟件仿真來(lái)確定準(zhǔn)確的元件參數(shù)，以滿足目標(biāo)參數(shù)。

本設(shè)計(jì)的目標(biāo)參數(shù)為最大輸出電壓，設(shè)定范圍為最小99 mV，最大101 mV，由敏感性分析可知，R4對(duì)電路的影響最大，所以修改R4的參數(shù)來(lái)滿足輸出目標(biāo)，仿真結(jié)果如圖3所示，當(dāng)電阻R4=21.560 6 kΩ時(shí)輸出電壓為100.073 mV，滿足要求。圖4為使用優(yōu)化參數(shù)R4=21.560 6 kΩ的實(shí)際電路仿真結(jié)果，與優(yōu)化分析結(jié)果一致。實(shí)際應(yīng)用中R4選用20 kΩ精密電阻，最大輸出電壓為108.390 mV。

圖3 優(yōu)化分析結(jié)果

圖4 使用優(yōu)化參數(shù)后的電路仿真結(jié)果

2.3 Monte carlo分析

Monte carlo分析：當(dāng)電路的元器件參數(shù)在容差范圍內(nèi)變化時(shí)，電路輸出指標(biāo)相應(yīng)變化，非常適用于大批量生產(chǎn)。

本設(shè)計(jì)的電阻容差為1%，運(yùn)行40次的輸出電壓范圍如下：最小值為106.408 mV，最大電壓為110.442 mV，分布如圖5所示。

3 負(fù)載和溫度變化時(shí)輸出電壓的穩(wěn)定性測(cè)試

3.1 負(fù)載變化時(shí)輸出電壓的穩(wěn)定性測(cè)試

圖5 Monte carlo分析仿真結(jié)果

負(fù)載電阻為U2，當(dāng)負(fù)載電阻在10～1 kΩ變化時(shí)輸出電壓保持基本穩(wěn)定是設(shè)計(jì)目標(biāo)之一。圖6為負(fù)載變化時(shí)輸出電壓的仿真結(jié)果，從仿真結(jié)果看，當(dāng)負(fù)載變化時(shí)，輸出電壓變化量?jī)?yōu)于1 μV，負(fù)載穩(wěn)定性良好。

圖6 負(fù)載變化時(shí)的仿真結(jié)果

3.2 溫度變化時(shí)輸出電壓的穩(wěn)定性測(cè)試

當(dāng)電阻的溫度系數(shù)為10－4時(shí)，即溫度每變化1℃，電阻值變化萬(wàn)分之一，電路輸出電壓隨溫度而變化，RTMPL=100 μV/℃為溫度系數(shù)值，所有電阻的溫度系數(shù)都一樣，初始環(huán)境溫度設(shè)定為30℃，當(dāng)環(huán)境溫度從0℃變化到60℃時(shí)，輸出電壓的變化如圖7所示，輸出電壓的變化優(yōu)于2 μV，非常穩(wěn)定。

當(dāng)R10和P2的溫度系數(shù)為10－6時(shí)輸出電壓隨溫度的變化如圖7所示：電壓從108.7 mV變化到108 mV，變化量為700 μV，所以在選取電阻時(shí)，一定要保持電阻的溫度系數(shù)一致，以保證輸出電壓的穩(wěn)定性。

圖7 溫度系數(shù)相同時(shí)輸出電壓隨溫度變化

4 實(shí)際電路設(shè)計(jì)

該電路中電位器型號(hào)為7276，20圈。粗調(diào)電位器電阻值為1 kΩ，滿量程調(diào)節(jié)范圍為110 mV，即110 mV—20圈，5.5 mV—1圈，5 500 μV—360度，550 μV—36度；細(xì)調(diào)電位器電阻值為100 Ω，滿量程調(diào)節(jié)范圍為 600 μV，即 600 μV—20圈，30 μV—1圈—360度，1 μV—12 度。

運(yùn)放為精密運(yùn)放，型號(hào)為L(zhǎng)TC1150。電阻為精密電阻，溫度系數(shù)為10－4，精度為千分之一，功率為0.25 W。REF03GPZ為2.5 V電壓基準(zhǔn)，精度和穩(wěn)定性都非常優(yōu)良。精密電壓源實(shí)際電路和電路板如圖8、圖9所示。

圖8 精密電壓源實(shí)際電路

圖9 精密電壓源電路板

實(shí)際電路測(cè)試結(jié)果如表1所示。

表1 實(shí)際電路電壓輸出

由實(shí)際電路測(cè)試結(jié)果可見，滿足設(shè)計(jì)要求，精度和穩(wěn)定性優(yōu)良。

[1]王東鋒，黎映相.0～100 mV精密電壓源的設(shè)計(jì)與仿真[J].微型機(jī)與應(yīng)用，2012，10：31-33.