HardwareTechnique
0~100mV精密电压源的设计与仿真
王东锋1,黎映相2
（1.空军第一航空学院，河南信阳464000;2.天利航空科技公司，广东深圳518172）
摘要:基于16bit高精度D/A转换器AD5422和高精度放大器LM2902设计了以AT89S51单片机为主控芯片的0~100mV精密电压源。输出电压的反馈控制采用16bitA/D转换器LTC1865，显示器为
1602LCD;系统的控制软件采用C语言设计。结果表明，系统的输出信号偏移量ΔUomax≤0.02mV，最大输出驱动电流可达20mA，设计成本和体积相比传统设计显著降低，可很好地满足使用要求。
关键词：精密电压源；AD5422；LTC1865；Proteus仿真
中图分类号：TP346.1；TP391.9
文献标识码：A
文章编号：1674-7720(2012)10-0031-03
Designandsimulationof0~100mVprecisionvoltagesource
WangDongfeng1,LiYingxiang2
(1.TheFirstAeronauticInstituteofAirForce,Xinyang464000,China;2.TianLiAeronauticTechnolgyCompany,Shenzhen518172,China)
Abstract:Onthebasisof16bithighprecisionD/AconverterpartandhighprecisionamplifierLM2902,theprecisionvoltagesource(0~100mV)whosemaincontrolsinglechipisAT89S51isdesigned.The16bitA/Dchipisusedtoconductfeedbackcon-trolandthesystem’sdisplayis1602LCD.Meanwhile,thesystem’scontrolsoftisdesignedbyClanguage.Resultsshowthat,thesystem’soutputprecisionis±10μVanditsmaximusoutputdrivingcurrentis20mA.Bycontrastwithtraditionaldesign,thede-signcostandthevolumeofthissystemdecreasesevidently,sothatitcansatisfytherequirementwell.
Keywords:precisionvoltagesource;AD5422;LTC1865;proteussimulation
0~100mV精密电压源是航空发动机温度控制盒等
重要控制系统定检时必不可少的激励信号源，设计时要求该精密信号源的输出信号偏移量ΔUomax≤0.02mV,最大输出驱动电流Iomax=20mA,输出范围：0≤Uo≤100mV，对系统的稳定性要求非常高。对此要求，传统的精密电压源一般采用模拟电路，由精密电位器调节生成，需要很高的D/A分辨率和抗干扰能力[1]。这种电压源不但操作不方便，而且随温度等外界条件影响较大，因而还要加上恒温箱和冷却风扇等辅助措施，大大增加了定检设备的体积和成本，而且输出精度和驱动能力也难以满足要求。
针对上述问题，本文提出了一种新的设计方案。为确保系统软硬件设计的正确性和缩短开发周期，本文基于Proteus平台对系统的软硬件设计进行了仿真。Protues具有强大的电路仿真功能,独一无二地支持外围数电/模电与处理器的协同仿真[2]，真正实现了虚拟物理原型功能，在目标板还
没有制作前，就可以对软硬件系统的功能和性能指标进行充分调整，极大地增加了设计的准确性，并显著缩短了开发时间。
1系统的工作原理
该系统的组成框图如图1所示。系统的工作原理是：上位机将需要输出的精密电压对应的控制码通过
RS232串口发送给单片机，单片机再控制D/A转换芯片
将数字信号转换为模拟电压信号；为减小系统控制误差
电阻衰减
网络
输出电压控制码
单片机D/A转换A/D转换(反馈)
放大、输出
液晶显示
图1系统的组成框图
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硬件纵横
析确定。
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电压再衰减100倍。考虑到环境温度的变化和元器件自身的温度漂移特性,系统增设了A/D转换模块和微型液晶显示模块用以输出监控。
以及温度、电源电压波动等因素对输出电压的干扰，还需对
D/A转换后的模拟电压进行衰减,其衰减倍数由以下分
假定采用的D/A转换芯片的参考电压Vref=5V=5×
2系统硬件选择与仿真设计
2.1硬件选择
系统主控单片机选用Atmel公司的AT89S51单片机;D/A芯片选用ADI公司的高精度、完全集成的低成本16bitD/A转换器AD5422,其输出量程设置为0~10V;
106μV,则转换输出的模拟电压Uo与输入数字D之间的
计算公式如下：
Uo=Vref×DN(1)
2
式中，N为D/A转换芯片的位数。如果采用16bitD/A
转换芯片(N=16),则即使当输入数字变动一个最小单位：
A/D芯片选择Linear公司推出的16bit逐次逼近型A/D
转换器LTC1865,若将LTC1865的参考电压设定为1V，则该芯片的分辨率为1000mV/216=0.015mV,可以满足系统输出信号偏移量ΔUomax≤0.02mV的要求;显示器件采用1602LCD微型液晶显示器。
ΔD=1,由式(1)计算可得输出电压增量ΔU=76.29μV。该结果远远超出了电压源的输出信号偏移量ΔUomax≤0.02mV的精度要求，为此，系统增设了电阻衰减网络将输出
2.2系统仿真设计
系统的仿真原理图可分为图2(a)所示的D/A转换电路和图2(b)所示的A/D采集与显示电路两部分。
D/A转换电路的工作原理是：AD5422在单片机的3
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=0.049504V=49.504mV
图4即为输入数字D=0x8000时系统软硬件的Pro-
个I/O口（P1.0、P1.1、P1.2）的控制下，将转换后的模拟电压由Vout引脚输出。为确保输出电压稳定，在Vout引脚和+Vsense引脚之间通过电阻R1引入负反馈。输出电压经电阻R3、R4串联分压(衰减)后，再送入高精密放大器
teus仿真结果，结果表明系统软硬件设计正确。
LM2902进行放大，可得精密电压输出信号Vout。
A/D采集与显示电路的工作原理是：图2(a)输出的精密电压信号Vout送入16bitA/D芯片LTC1865的CH0
通道,该芯片在单片机的3个I/O口(P1.4、P1.5、P1.6)的控制下，可将模拟电压转换为数字信号，并将转换结果通过SDO引脚送入单片机的P1.7引脚。单片机通过对
A/D采集结果的分析，即可实现对输出信号的反馈控
制。同时，还可利用A/D采集结果计算出输出电压Vout，并通过单片机P0口送入LCD1602微型液晶显示器进行实时显示。
图4系统的仿真结果
（1）16bitD/A转换芯片AD5422输出电压的控制误差及温度偏移误差经后级精密电阻衰减网络衰减100倍后，完全可以满足设计要求。
（2）将16bitA/D芯片的参考电压选定为1V，可以实现分辨率为0.015mV的输出电压反馈控制,从而对输出误差进行实时修正。
（3）本文设计的0~100mV精密电压源的输出信号偏移量ΔUomax≤0.02mV，最大输出驱动电流为20mA，可很好地满足定检要求。参考文献
[1]乐千桤,徐静.高精密程控电压源的设计与实现[J].现
代电子技术,2008,12（1）:25-26.
3系统软件设计
本文采用上位机（PC）向单片机串口发送数字的方式来控制精密电压的输出，从而替代传统的调节电位器的模拟电压控制方式。为保证单片机能对上位机发送来的数字进行实时处理，需利用单片机的串口中断服务程序控制D/A转换。系统软件设计包括4个模块：（1）串口中断模块，用于接收上位机发来的数字信号；（2）D/A转换驱动模块,用于驱动AD5422将串口接收的数字信号转换为模拟电压；（3）A/D采集模块，用于驱动LTC1865将输出的精密电压转换为数字信号,实现对输出电压的修正；（4）LCD显示模块，用于实时显示输出电压。系统的软件流程图如图3所示。系统软件采用C语言设计，在KeilμVision3环境下编译调试。
[2]张靖武,周灵彬.单片机系统的Proteus设计与仿真[M].
北京:电子工业出版社,2008.
4系统的仿真与试验
取AD5422的输入数字D=0x8000、增益系数Gain=2,由于R12=1kΩ,R11=100kΩ,则其对应输出电压：
(收稿日期：2012-03-21)
Vout=D×Gain×Vref×R12=0x8000×2×5×11616
1012R11+R122
开始
作者简介：
王东锋，男，1974年生，讲师，主要研究方向：航空装备维修的教学与研究。
串口中断初始化、A/D、D/A初始化
串口接收中断？
N
欢迎订阅Y
将接收的数据写入AD5422，启动D/A转换
对输出电压进行A/D转换
需要调整输出电压？
Y
N
输出电压显示图3系统软件流程图
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