一种高精度多功能校验仪信号输出部分电路设计

赵豇瑶　黄伟

摘要：本文选用AD5791数模转换器、VRE3050基准电压源和OPA177运算放大器来设计高精度多功能校验仪信号输出部分电路，并对所设计的电路进行误差了分析。

关键词：多功能校验仪;硬件电路;误差分析

0  引言

随着数字化、智能化时代的到来，精密智能仪表技术逐渐渗透到各行各业，为了配合被检测仪器的高精度、高稳定性、测量环境复杂、功能多样的需求，高精度校验仪的設计一直备受关注[1-2]。本文针对可以输出拥有正负量程的电压、电流、电阻三种标准电学信号的高精度多功能校验仪的信号输出部分设计了硬件电路，并给出可靠的精度分析。

1  信号输出单元

多功能校验仪的信号输出单元的硬件部分主要由DAC数字模拟转换电路、基准电压电路、电压输出前置增益控制电路，末级缓冲放大电路、电压电流转换电路、模拟电阻发生电路和切换电路构成[3]。其工作方式为DAC接收前端输入的数字信号后进行数模转换，得到相应范围的模拟电压信号，再经过电路处理变换，实现相应的目标输出。

2  硬件电路设计

2.1 DAC数模转换器选型

根据设计要求，并考虑到各环节噪声的引入，数模转换器选择了ADI公司生产的高精度20位数字模拟转换器AD5791。AD5791采用最高33V的双极型电源供电，正基准电压VREFP输入范围为5V～VDD-2.5V，负基准电压VREFN输入范围为VSS+2.5V～0V，其中VDD和VSS的典型值分别为+15V和-15V。相对精度最大值为±1LSB，微分非线性最大值为±1LSB，温度漂移最大值为0.05ppm/℃[4]。

根据AD5791数据手册推荐，AD5791的正负基准输入端和输出端分别采用AD8676和AD8675缓冲放大。同时，AD5791可以通过双倍增益的方式实现从单端基准输入参考电压产生双极性电压输出[5]，在此工作模式下，电压输出范围从2×VREFN-VREFP到VREFP，当VREFN为0V时，输出范围即从-VREFP到VREFP。

2.2 基准电压电路

本设计选用了Cirrus Logic公司生产的+5V精密基准电压源VRE3050作为系统电压基准。VRE3050是一种低成本、高精度、超稳定的+5V电压基准，工作温度范围为-40°C至+85°C，初始精度为±0.5mV（0.01%），温度系数最高为0.6ppm/℃，具有低噪声、长期稳定性好等优点。

基准电压源电路如图1所示，采用+15V电源供点，其中CN采用1uF电容以减少输出噪声，可调电阻RN采用10KΩ用于补偿初始误差。在不需要外接其他外部器件的情况下可直接输出高精度的+5V参考电压。

2.3 直流电压输出电路

5V基准电压经DA转换后输出范围为-5V～+5V，需经前置增益衰减/放大电路对该信号进行增益变换，再通过末级缓冲放大电路进行电流和功率放大以改善电流的驱动带载能力，另外也可以减少系统输出阻抗，使实际输出电压更精确。电路原理图见图2的直流电压输出电路部分。

电路中运算放大器选用TI公司生产的OPA177，该运放具有极低的偏置电压、温度漂移，噪声低、性能高、成本低[6]。同时，采用Linear公司生产的电阻网络LT5400为分压电阻以及为放大电路提供相应阻值的电阻配置[7]。

其工作原理为：DAC输出的-5V～+5V电压由电阻R1和R2进行分压，再由开关SW1选择后输入到2倍增益同相放大器，从而实现±1V和±10V电压输出量程的转换[8]。其中电阻R1、R2采用的是LT5400-8;R3、R4采用的是LT5400-1。末级缓冲放大电路采用2N3904和2N3906以推挽的方式连接，以保证正负量程电压的输出。

2.4 直流电流输出电路

直流电流输出的电路原理图如图2所示。电流的输出是对DAC输出电压进行V/I转换得到的。

其工作原理为：DAC输出的0～5V电压经标准电阻R9后转换为0～1mA的基准电流，Q3采用JFET使R10上流过电流与R9上流过电流的误差较小。根据“虚短虚断”原理，模拟开关DB输出端的电压与第二个运放同相输入端电压相同，并且DB端的输出电流为0，电阻R11、R12和R13两端的压降值与R10两端压降值相等。因为流过R10的电流大小为0～1mA，所以流过R11、R12和R13上的电流大小分别为0～100mA、0～10mA和0～1mA。由于模拟开关ADG509A可以通过的最大电流为20mA，因此0～100mA大电流通过外置继电器SW2输出。输出电路由三个场效应管MMBFJ112并联组成，以保证最大100mA的电流输出。

2.5 模拟电阻输出电路

等效无源电阻的输出电路由I/V转换电路、D/A转换器以及电压输出电路共同组成，电阻的输出端与电压输出端共用。

模拟电阻输出电路原理图如图3所示。

外部输入电流IS进行I/V转换后，作为DAC的基准电压信号。由图3可得，输入DAC的基准电压值为：

UREF=IS×Rf

其中，Rf为反馈回路中接入的精密标准电阻R16或R17的阻值，通过开关SW3选择接入。为减少继电器上的触点热电势对输出电压值的影响，选用日本松下电器生产的TXS2继电器来切换量程，该继电器具有极低的热电势（≈0.3μV）、高灵敏度和高接触可靠性。在本系统中，电流源输入端和电压输出端之间的阻值R就看作为输出电阻，根据公式：

R=UO/IS=m·（D/2k）·UREF/IS=m·（D/2k）·IS·Rf/IS=m·（D/2k）·Rf

这里k为DAC位数，k=20;m为±1V电压输出电路前置放大电路的增益，m=1/5。则输出电阻R为Rf的 （D/220）/5倍，通过改变电阻Rf的值来实现电流源选择的广泛性，使UREF的值接近5V。当外部输入电流约为1mA时，Rf取6kΩ，可输出满量程约±1.2kΩ的模拟电阻值;当外部输入电流约为100μA时，Rf取60kΩ，可输出满量程约±12kΩ的模拟电阻值，由于AD5791的参考电压VREFP最小值为5V，Rf选择6kΩ或60kΩ可避免外部输入电流偏小时，AD5791的参考电压过低。

3  精度分析

以电压输出电路为例给出详细的精度分析过程，电流、电阻输出电路的精度分析步骤类似。

仪器的工作温度范围通常在0℃～40℃之间，以20℃作为标准温度，以下所有误差分析均在此条件下进行。

3.1 LT5400误差分析

本次设计采用Linear公司生产的LT5400四电阻网络为放大电路提供相应阻值的电阻配置，其匹配温度漂移<0.2ppm/℃。由于±1V量程电压输出电路所用到的LT5400较多，因此计算该电路中LT5400带来的误差。当温度变化±20℃时，分压电阻带来的温漂误差均为：

u温=20×0.2×10-6=0.0004%

则ua1=≈0.00057%

同理，同相放大器中的增益电阻带来的温漂误差为ua≈0.00057%

综上，LT5400带来的温漂误差可整合为：

即u1==≈0.00081%

3.2 放大器误差分析

OPA177具有极低的偏置电压和漂移。其中由偏置电压引起的系统误差可以通过标定来消除，所以误差计算时主要考虑温漂引起的误差。OPA177的温漂<0.3μV/℃，当温度变化±20℃时，由温漂带来的放大器电压变化为6μV，则OPA177带来的最大温漂误差均为：

u温=ΔU/Uo=6×10-6V/1V=0.0006%

整合后可得单个OPA177带来的最大温漂误差为：

ub1=≈0.00085%

则由运放OPA177的温漂带来的误差可整合为：

u2==≈0.0012%

3.3 DAC部分误差分析

DAC部分的误差主要来源于数模转换器AD5791、精密运放AD8676和AD8675、以及外接基准电压源VRE3050。由于该模块用到的芯片和器件的初始误差均可以通过标定来消除，这里主要考慮温漂引入的误差。

AD5791温度漂移<0.05ppm/℃。当温度变化±20℃时，AD5791温漂带来误差为：

u温= 0.05×10-6×20=0.0001%

则由AD5791的温漂影响带来误差可整合为：

uc1=≈0.00014%

精密运放AD8676和AD8675的温度漂移均<0.6μV/℃。当温度变化±20℃时，AD8676和AD8675的温漂带来误差均为：

u温=20℃× 0.6×10-6μV/℃/5V=0.00024%

则单个AD8676或AD8675的温漂误差为0.00034%

则由精密运放AD8676和AD8675的温漂影响带来误差可整合为：

uc2=≈0.00059%

精密基准电压源VRE3050的温度漂移<0.6ppm/℃，当温度变化±20℃时，VRE3050的温漂误差均为0.0012%。则由VRE3050的温漂影响带来的误差可整合为：

uc3=≈0.0017%

则DAC模块对系统造成的误差影响为：

u3==≈0.0018%

3.4 电压输出部分总误差

u==≈0.0023%

由于本系统采用的是TXS2继电器，其热电势造成的输出电压误差最大为0.3μV/1V=0.00003%<<0.0023%，因此继电器的热电势可忽略不计。

电流和电阻输出部分的误差分析与上述步骤类似。

4  结束语

本文完成了具有电压、电流及电阻输出的高精度多功能校验仪信号输出部分电路设计，并对其精度分进行了分析计算。该电路可以实现高精度、高分辨率的标准信号输出。

参考文献：

[1]姜增晖.智能电能表校验仪的研究与设计[D].重庆理工大学，2017.

[2]潘浩，马秋芳，鄢志丹.低成本精密仪表电流源的设计[J].自动化与仪表，2013，11.

[3]周新征.基于DSP互感器校验仪软硬件设计[D].武汉理工大学，2004.

[4]ADI公司.20bit线性低噪声精密单极性+10V直流电压源[J].电子技术应用，2012，03.

[5]薛巨峰，李壮，鲁志军.基于20位DAC-AD5791的高精度电压源的设计[J].电子技术，2015，09.

[6]赵军卫.采用三个放大器芯片组成的光功率自动控制电路[J].国外电子元器件，2000，10.

[7]万方数据.LT5400：电阻器[J].世界电子元器件，2011，06.

[8]王金萍，吴熙文.运放电路在测试系统中的应用[J].电子与封装，2017，12.