一种高精度可调标准电压源的设计*

2012-07-05周松斌林创鲁刘洋黄可嘉

自动化与信息工程 2012年2期

关键词：双通道稳定度高精度

周松斌林创鲁刘洋黄可嘉

（1.华南理工大学机械与汽车工程学院 2.广东省科学院自动化工程研制中心）

1 引言

直流标准电压源可输出精密的直流电压信号，作为直流电压的计量检定、精密测量和校验的基准[1,2]，在工矿企事业、科研、国防军工、仪表生产制造、质监等部门广泛使用，具有广阔的开发与应用前景，成为人们长期关注和努力的研究热点。

标准电压源生产厂家主要有美国福禄克公司、日本横河、上海苏特等。输出精度在 20×10-6以下的产品，多数是电压固定型。为了高稳定度和高精度，这些产品缺乏电压可调、可控功能，产品性价比不高，使用范围受限。

近年来，集成电路迅猛发展，各种基于新技术的数模变换器（Digital-to-Analog Converter，DAC）芯片陆续出现，为电压可调、可控的高精度标准电压源的实现提供了新的解决方法。本文提出一种高精度可调标准电压源方案，并通过实验验证方案的可行性。

2 原理设计

高精度可调标准电压源主要设计指标：电压输出范围 0V～10V，分辨率 1μV，输出精度为±(10×10-6+10μV）。

整机原理框图如图1所示，包含高稳定度基准电压模块、双通道PWM 闭环电压调节模块、双DAC可编程电压输出模块、低噪声电源模块和中央处理模块。为实现高精度可调、可控标准电压输出，主要思路是：先由高稳定度基准电压模块输出稳定的7V固定电压，接着双通道脉宽调制（Pulse Width Modulation，PWM）闭环电压调节模块通过两路的PWM 调制把电压提升到高稳定的 10V，由双 DAC实现可编程20位数模转换输出0V到10V的高稳定度电压。低噪声电源模块用于提供各模块所需直流电压，中央处理模块包含CPU及各类接口。

图1 整机原理框图

3 方案设计

3.1 低噪声直流电源模块

为了实现高精度输出及测量性能，必须为其工作电路提供低噪声电源。采用交流滤波→环形变压→RC-∏滤波→线性调节器的方法设计直流电压电路，为主板提供直流+13V、-13V和5V三种低噪声直流电压电源。

3.2 中央处理模块

CPU采用ST公司的系列处理器STM32处理器stm32f103。该处理器是一款高性能、低成本、低功耗、外设丰富的嵌入式芯片，最高工作频率可达72MHz，完全能够满足系统设计要求[3]。除了LCD显示接口、键盘接口、输入接口外，还设计了USB和网络接口，结合这些接口可实现标准源的在线可调、可控功能。

CPU负责恒温控制、PWM调制、DAC编程输出以及各类接口控制及通讯。上位机设定输出电压值，通过接口与 CPU通讯，实现标准电压源的电压可调、可控。

3.3 高稳定度基准电压模块

基准电压源是高精度标准电压源的“心脏”，直接影响整机的性能及精度。普通基准源存在较大的漂移误差和随机误差，如何减少这两种误差，是研制高精度标准电压源的关键之一。电压基准主要有齐纳、隐埋式齐纳和带隙三种结构形式[4,5]，其中隐埋式齐纳的长期稳定性、噪声、负载调制率等性能参数均优于其它基准源。为得到高稳定度基准电压源，本文采用了恒温控制的隐埋式齐纳基准源。

基准源采用 LTZ1000芯片，片内集成了温度传感器和加热器，温度系数达到 0.05×10-6/℃；齐纳管采用了深埋技术，电压稳定度1×10-6/年。通过采集温度传感器的测量值来控制加热器的加热电流，从而实现低温漂。另外为降低外围元件的噪声并提高恒流控制和温度补偿精度，采用稳压管恒电流驱动实现低噪声；选用低温漂、低噪声采样电阻；失调电压漂移小的差分运放。为减小电路的热噪声，采用局部恒温技术。为得到好的电气性能，电路板采用4层沉金、2盎司铜箔工艺。实测所用恒温控制的隐埋齐纳管基准电压模块提供的电压为固定的7.191051V。

3.4 双通道PWM闭环控制电压调节模块

为了克服基准电压源电压较低、负载能力弱的缺点，需要对其进行调节以提高电压和扩大驱动负载能力。传统采用高精度、低温漂电阻网络实现调节的方案，其输出端温漂和精度受电阻网络的影响较大，特别是运放增益大时，输出端精度难于保证。本标准源采用基于双通道PWM的闭环控制调节技术，在普通电阻、运放元件基础上，实现基准电压的等精度放大。

双通道PWM的闭环控制调节技术原理图如图2 所示。

图2 双通道PWM的闭环控制调节技术原理图

主要包括电压放大反馈回路和斩波稳零反馈电路两部分。电压放大反馈回路主要由低噪放大、输出驱动和分压网络组成，实现电压升压和提高输出驱动能力；斩波稳零反馈电路主要包括主半H桥、次半H桥、高阶低通滤波器、二阶低通滤波器和斩波稳零放大器组成。双PWM输出用于控制半H桥和次半H桥，输出调制波；高阶低通滤波器的输出输入到斩波稳零放大器的正相端，二阶低通滤波器的输出与7.1V基准源求和后输入到斩波稳零放大器的反相端。闭环调节降低了电路元件老化、环境噪声，特别是电阻网络变化等对输出稳定性的影响，大大降低了电路的成本。

该调节模块将恒温控制的隐埋齐纳管基准电压模块提供的电压调节到10.00000V。

3.5 双DAC可编程电压输出模块

为实现1μV的分辨率，电压输出需要20位高精度数模转换器DAC。为克服现有DAC输出分辨率不足的问题，采用基于权电压控制法的双 DAC可编程电压输出技术，即双16位分辨率DAC实现20位DAC高精度可编程电压源输出。

基于权重法的双DAC可编程电压输出原理图如图3 所示。

图3 双DAC可编程电压输出原理图

可编程电参量输出闭环反馈控制模块主要包括编码器、双16位DAC、V/I转换电路和输出放大电路。编码器将期望的输出电压转换成数字编码传送给高16位DAC和低16位DAC控制输出电压；输出量高16位DAC和低16位DAC的输出电压经过电流/电压转换、求和运算、输出放大后得到期望电压。输出模块电压设定由CPU负责处理。

DAC芯片采用LTC1599，16位高精度数模转换器精度为8×10-6[6]。在10V量程下，模块输出实现了1μV的分辨率。

4 实验结果

按照直流标准电压源检定规程[2]，误差检定方法采用标准数字电压表法。采用误差少于被检标准源的数字电压表，直接检定标准源，接线如图4所示。

图4 标准数字电压表法接线图

设标准源输出值为XU ，数字电压表显示为NU ，则被检标准源的相对误差用百分数表示：

标准电压源主板如图5所示。

图5 高精度可调标准电压源主板图

电压输出范围0V～10V，分辨率1μV。为验证输出电压的精度，采用FLUKE8508A八位半精密数字表实测标准电压源的输出，采用 20V量程，该量程下24小时输出误差为±（0.5×10-6+4μV）。实测结果如图6所示。分别对标准电压源设定10V、7V、2.5V、1V、0.1V，测量结果标准源输出误差都低于±(10×10-6+10μV），符合设计要求。