一種高精度可調標準電壓源的設計*

周松斌 林創魯 劉洋 黃可嘉

（1.華南理工大學機械與汽車工程學院 2.廣東省科學院自動化工程研制中心）

1 引言

直流標準電壓源可輸出精密的直流電壓信號，作為直流電壓的計量檢定、精密測量和校驗的基準[1,2]，在工礦企事業、科研、國防軍工、儀表生產制造、質監等部門廣泛使用，具有廣闊的開發與應用前景，成為人們長期關注和努力的研究熱點。

標準電壓源生產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以下的產品，多數是電壓固定型。為了高穩定度和高精度，這些產品缺乏電壓可調、可控功能，產品性價比不高，使用范圍受限。

近年來，集成電路迅猛發展，各種基于新技術的數模變換器（Digital-to-Analog Converter，DAC）芯片陸續出現，為電壓可調、可控的高精度標準電壓源的實現提供了新的解決方法。本文提出一種高精度可調標準電壓源方案，并通過實驗驗證方案的可行性。

2 原理設計

高精度可調標準電壓源主要設計指標：電壓輸出范圍 0V～10V，分辨率 1μV，輸出精度為±(10×10-6+10μV）。

整機原理框圖如圖1所示，包含高穩定度基準電壓模塊、雙通道PWM 閉環電壓調節模塊、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。為實現高精度可調、可控標準電壓輸出，主要思路是：先由高穩定度基準電壓模塊輸出穩定的7V固定電壓，接著雙通道脈寬調制（Pulse Width Modulation，PWM）閉環電壓調節模塊通過兩路的PWM 調制把電壓提升到高穩定的 10V，由雙 DAC實現可編程20位數模轉換輸出0V到10V的高穩定度電壓。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 整機原理框圖

3 方案設計

3.1 低噪聲直流電源模塊

為了實現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→環形變壓→RC-∏濾波→線性調節器的方法設計直流電壓電路，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、外設豐富的嵌入式芯片，最高工作頻率可達72MHz，完全能夠滿足系統設計要求[3]。除了LCD顯示接口、鍵盤接口、輸入接口外，還設計了USB和網絡接口，結合這些接口可實現標準源的在線可調、可控功能。

CPU負責恒溫控制、PWM調制、DAC編程輸出以及各類接口控制及通訊。上位機設定輸出電壓值，通過接口與 CPU通訊，實現標準電壓源的電壓可調、可控。

3.3 高穩定度基準電壓模塊

基準電壓源是高精度標準電壓源的“心臟”，直接影響整機的性能及精度。普通基準源存在較大的漂移誤差和隨機誤差，如何減少這兩種誤差，是研制高精度標準電壓源的關鍵之一。電壓基準主要有齊納、隱埋式齊納和帶隙三種結構形式[4,5]，其中隱埋式齊納的長期穩定性、噪聲、負載調制率等性能參數均優于其它基準源。為得到高穩定度基準電壓源，本文采用了恒溫控制的隱埋式齊納基準源。

基準源采用 LTZ1000芯片，片內集成了溫度傳感器和加熱器，溫度系數達到 0.05×10-6/℃；齊納管采用了深埋技術，電壓穩定度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，從而實現低溫漂。另外為降低外圍元件的噪聲并提高恒流控制和溫度補償精度，采用穩壓管恒電流驅動實現低噪聲；選用低溫漂、低噪聲采樣電阻；失調電壓漂移小的差分運放。為減小電路的熱噪聲，采用局部恒溫技術。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。實測所用恒溫控制的隱埋齊納管基準電壓模塊提供的電壓為固定的7.191051V。

3.4 雙通道PWM閉環控制電壓調節模塊

為了克服基準電壓源電壓較低、負載能力弱的缺點，需要對其進行調節以提高電壓和擴大驅動負載能力。傳統采用高精度、低溫漂電阻網絡實現調節的方案，其輸出端溫漂和精度受電阻網絡的影響較大，特別是運放增益大時，輸出端精度難于保證。本標準源采用基于雙通道PWM的閉環控制調節技術，在普通電阻、運放元件基礎上，實現基準電壓的等精度放大。

雙通道PWM的閉環控制調節技術原理圖如圖2 所示。

圖2 雙通道PWM的閉環控制調節技術原理圖

主要包括電壓放大反饋回路和斬波穩零反饋電路兩部分。電壓放大反饋回路主要由低噪放大、輸出驅動和分壓網絡組成，實現電壓升壓和提高輸出驅動能力；斬波穩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，輸出調制波；高階低通濾波器的輸出輸入到斬波穩零放大器的正相端，二階低通濾波器的輸出與7.1V基準源求和后輸入到斬波穩零放大器的反相端。閉環調節降低了電路元件老化、環境噪聲，特別是電阻網絡變化等對輸出穩定性的影響，大大降低了電路的成本。

該調節模塊將恒溫控制的隱埋齊納管基準電壓模塊提供的電壓調節到10.00000V。

3.5 雙DAC可編程電壓輸出模塊

為實現1μV的分辨率，電壓輸出需要20位高精度數模轉換器DAC。為克服現有DAC輸出分辨率不足的問題，采用基于權電壓控制法的雙 DAC可編程電壓輸出技術，即雙16位分辨率DAC實現20位DAC高精度可編程電壓源輸出。

基于權重法的雙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反饋控制模塊主要包括編碼器、雙16位DAC、V/I轉換電路和輸出放大電路。編碼器將期望的輸出電壓轉換成數字編碼傳送給高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的輸出電壓經過電流/電壓轉換、求和運算、輸出放大后得到期望電壓。輸出模塊電壓設定由CPU負責處理。

DAC芯片采用LTC1599，16位高精度數模轉換器精度為8×10-6[6]。在10V量程下，模塊輸出實現了1μV的分辨率。

4 實驗結果

按照直流標準電壓源檢定規程[2]，誤差檢定方法采用標準數字電壓表法。采用誤差少于被檢標準源的數字電壓表，直接檢定標準源，接線如圖4所示。

圖4 標準數字電壓表法接線圖

設標準源輸出值為XU ，數字電壓表顯示為NU ，則被檢標準源的相對誤差用百分數表示：

標準電壓源主板如圖5所示。

圖5 高精度可調標準電壓源主板圖

電壓輸出范圍0V～10V，分辨率1μV。為驗證輸出電壓的精度，采用FLUKE8508A八位半精密數字表實測標準電壓源的輸出，采用 20V量程，該量程下24小時輸出誤差為±（0.5×10-6+4μV）。實測結果如圖6所示。分別對標準電壓源設定10V、7V、2.5V、1V、0.1V，測量結果標準源輸出誤差都低于±(10×10-6+10μV），符合設計要求。

圖6 FLUKE8508A八位半精密數字表

5 結論

針對高精度標準電壓源缺乏電壓可調、可控功能，本文提出一種高精度可調基準電壓源方案。通過采用高穩定度基準電壓源技術、雙通道PWM閉環電壓調節技術、雙DAC可編程電壓輸出技術實現高精度標準電壓源可調節輸出。實測結果表明輸出誤差低于±(10×10-6+10μV）。

如何進一步降低標準電壓源噪聲，提高長期電壓穩定度，是下一階段研究重點。

[1]馮占嶺.DC標準電壓源校準系統[J].現代科學儀器,1996,2:18-21.

[2]GJB.2659-96.直流電壓標準檢定規程[S].中國計量出版社,1996.

[3]STM32F10xxx Cortex-M3 programming manual.

[4]吳蓉,鄒偉.一種輸出可調的高性能帶隙基準電壓源的設計[J].蘭州交通大學學報,2011,12(6):59-63.

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

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