一種高精度多功能校驗(yàn)儀信號輸出部分電路設(shè)計(jì)

趙豇瑤　黃偉

摘要：本文選用AD5791數(shù)模轉(zhuǎn)換器、VRE3050基準(zhǔn)電壓源和OPA177運(yùn)算放大器來設(shè)計(jì)高精度多功能校驗(yàn)儀信號輸出部分電路，并對所設(shè)計(jì)的電路進(jìn)行誤差了分析。

關(guān)鍵詞：多功能校驗(yàn)儀;硬件電路;誤差分析

0? 引言

隨著數(shù)字化、智能化時代的到來，精密智能儀表技術(shù)逐漸滲透到各行各業(yè)，為了配合被檢測儀器的高精度、高穩(wěn)定性、測量環(huán)境復(fù)雜、功能多樣的需求，高精度校驗(yàn)儀的設(shè)計(jì)一直備受關(guān)注[1-2]。本文針對可以輸出擁有正負(fù)量程的電壓、電流、電阻三種標(biāo)準(zhǔn)電學(xué)信號的高精度多功能校驗(yàn)儀的信號輸出部分設(shè)計(jì)了硬件電路，并給出可靠的精度分析。

1? 信號輸出單元

多功能校驗(yàn)儀的信號輸出單元的硬件部分主要由DAC數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換電路、基準(zhǔn)電壓電路、電壓輸出前置增益控制電路，末級緩沖放大電路、電壓電流轉(zhuǎn)換電路、模擬電阻發(fā)生電路和切換電路構(gòu)成[3]。其工作方式為DAC接收前端輸入的數(shù)字信號后進(jìn)行數(shù)模轉(zhuǎn)換，得到相應(yīng)范圍的模擬電壓信號，再經(jīng)過電路處理變換，實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的目標(biāo)輸出。

2? 硬件電路設(shè)計(jì)

2.1 DAC數(shù)模轉(zhuǎn)換器選型

根據(jù)設(shè)計(jì)要求，并考慮到各環(huán)節(jié)噪聲的引入，數(shù)模轉(zhuǎn)換器選擇了ADI公司生產(chǎn)的高精度20位數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換器AD5791。AD5791采用最高33V的雙極型電源供電，正基準(zhǔn)電壓VREFP輸入范圍為5V～VDD-2.5V，負(fù)基準(zhǔn)電壓VREFN輸入范圍為VSS+2.5V～0V，其中VDD和VSS的典型值分別為+15V和-15V。相對精度最大值為±1LSB，微分非線性最大值為±1LSB，溫度漂移最大值為0.05ppm/℃[4]。

根據(jù)AD5791數(shù)據(jù)手冊推薦，AD5791的正負(fù)基準(zhǔn)輸入端和輸出端分別采用AD8676和AD8675緩沖放大。同時，AD5791可以通過雙倍增益的方式實(shí)現(xiàn)從單端基準(zhǔn)輸入?yún)⒖茧妷寒a(chǎn)生雙極性電壓輸出[5]，在此工作模式下，電壓輸出范圍從2×VREFN-VREFP到VREFP，當(dāng)VREFN為0V時，輸出范圍即從-VREFP到VREFP。

2.2 基準(zhǔn)電壓電路

本設(shè)計(jì)選用了Cirrus Logic公司生產(chǎn)的+5V精密基準(zhǔn)電壓源VRE3050作為系統(tǒng)電壓基準(zhǔn)。VRE3050是一種低成本、高精度、超穩(wěn)定的+5V電壓基準(zhǔn)，工作溫度范圍為-40°C至+85°C，初始精度為±0.5mV（0.01%），溫度系數(shù)最高為0.6ppm/℃，具有低噪聲、長期穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)。

基準(zhǔn)電壓源電路如圖1所示，采用+15V電源供點(diǎn)，其中CN采用1uF電容以減少輸出噪聲，可調(diào)電阻RN采用10KΩ用于補(bǔ)償初始誤差。在不需要外接其他外部器件的情況下可直接輸出高精度的+5V參考電壓。

2.3 直流電壓輸出電路

5V基準(zhǔn)電壓經(jīng)DA轉(zhuǎn)換后輸出范圍為-5V～+5V，需經(jīng)前置增益衰減/放大電路對該信號進(jìn)行增益變換，再通過末級緩沖放大電路進(jìn)行電流和功率放大以改善電流的驅(qū)動帶載能力，另外也可以減少系統(tǒng)輸出阻抗，使實(shí)際輸出電壓更精確。電路原理圖見圖2的直流電壓輸出電路部分。

電路中運(yùn)算放大器選用TI公司生產(chǎn)的OPA177，該運(yùn)放具有極低的偏置電壓、溫度漂移，噪聲低、性能高、成本低[6]。同時，采用Linear公司生產(chǎn)的電阻網(wǎng)絡(luò)LT5400為分壓電阻以及為放大電路提供相應(yīng)阻值的電阻配置[7]。

其工作原理為：DAC輸出的-5V～+5V電壓由電阻R1和R2進(jìn)行分壓，再由開關(guān)SW1選擇后輸入到2倍增益同相放大器，從而實(shí)現(xiàn)±1V和±10V電壓輸出量程的轉(zhuǎn)換[8]。其中電阻R1、R2采用的是LT5400-8;R3、R4采用的是LT5400-1。末級緩沖放大電路采用2N3904和2N3906以推挽的方式連接，以保證正負(fù)量程電壓的輸出。

2.4 直流電流輸出電路

直流電流輸出的電路原理圖如圖2所示。電流的輸出是對DAC輸出電壓進(jìn)行V/I轉(zhuǎn)換得到的。

其工作原理為：DAC輸出的0～5V電壓經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)電阻R9后轉(zhuǎn)換為0～1mA的基準(zhǔn)電流，Q3采用JFET使R10上流過電流與R9上流過電流的誤差較小。根據(jù)“虛短虛斷”原理，模擬開關(guān)DB輸出端的電壓與第二個運(yùn)放同相輸入端電壓相同，并且DB端的輸出電流為0，電阻R11、R12和R13兩端的壓降值與R10兩端壓降值相等。因?yàn)榱鬟^R10的電流大小為0～1mA，所以流過R11、R12和R13上的電流大小分別為0～100mA、0～10mA和0～1mA。由于模擬開關(guān)ADG509A可以通過的最大電流為20mA，因此0～100mA大電流通過外置繼電器SW2輸出。輸出電路由三個場效應(yīng)管MMBFJ112并聯(lián)組成，以保證最大100mA的電流輸出。

2.5 模擬電阻輸出電路

等效無源電阻的輸出電路由I/V轉(zhuǎn)換電路、D/A轉(zhuǎn)換器以及電壓輸出電路共同組成，電阻的輸出端與電壓輸出端共用。

模擬電阻輸出電路原理圖如圖3所示。

外部輸入電流IS進(jìn)行I/V轉(zhuǎn)換后，作為DAC的基準(zhǔn)電壓信號。由圖3可得，輸入DAC的基準(zhǔn)電壓值為：

UREF=IS×Rf

其中，Rf為反饋回路中接入的精密標(biāo)準(zhǔn)電阻R16或R17的阻值，通過開關(guān)SW3選擇接入。為減少繼電器上的觸點(diǎn)熱電勢對輸出電壓值的影響，選用日本松下電器生產(chǎn)的TXS2繼電器來切換量程，該繼電器具有極低的熱電勢（≈0.3μV）、高靈敏度和高接觸可靠性。在本系統(tǒng)中，電流源輸入端和電壓輸出端之間的阻值R就看作為輸出電阻，根據(jù)公式：

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

這里k為DAC位數(shù)，k=20;m為±1V電壓輸出電路前置放大電路的增益，m=1/5。則輸出電阻R為Rf的 （D/220）/5倍，通過改變電阻Rf的值來實(shí)現(xiàn)電流源選擇的廣泛性，使UREF的值接近5V。當(dāng)外部輸入電流約為1mA時，Rf取6kΩ，可輸出滿量程約±1.2kΩ的模擬電阻值;當(dāng)外部輸入電流約為100μA時，Rf取60kΩ，可輸出滿量程約±12kΩ的模擬電阻值，由于AD5791的參考電壓VREFP最小值為5V，Rf選擇6kΩ或60kΩ可避免外部輸入電流偏小時，AD5791的參考電壓過低。

3? 精度分析

以電壓輸出電路為例給出詳細(xì)的精度分析過程，電流、電阻輸出電路的精度分析步驟類似。

儀器的工作溫度范圍通常在0℃～40℃之間，以20℃作為標(biāo)準(zhǔn)溫度，以下所有誤差分析均在此條件下進(jìn)行。

3.1 LT5400誤差分析

本次設(shè)計(jì)采用Linear公司生產(chǎn)的LT5400四電阻網(wǎng)絡(luò)為放大電路提供相應(yīng)阻值的電阻配置，其匹配溫度漂移<0.2ppm/℃。由于±1V量程電壓輸出電路所用到的LT5400較多，因此計(jì)算該電路中LT5400帶來的誤差。當(dāng)溫度變化±20℃時，分壓電阻帶來的溫漂誤差均為：

u溫=20×0.2×10-6=0.0004%

則ua1=≈0.00057%

同理，同相放大器中的增益電阻帶來的溫漂誤差為ua≈0.00057%

綜上，LT5400帶來的溫漂誤差可整合為：

即u1==≈0.00081%

3.2 放大器誤差分析

OPA177具有極低的偏置電壓和漂移。其中由偏置電壓引起的系統(tǒng)誤差可以通過標(biāo)定來消除，所以誤差計(jì)算時主要考慮溫漂引起的誤差。OPA177的溫漂<0.3μV/℃，當(dāng)溫度變化±20℃時，由溫漂帶來的放大器電壓變化為6μV，則OPA177帶來的最大溫漂誤差均為：

u溫=ΔU/Uo=6×10-6V/1V=0.0006%

整合后可得單個OPA177帶來的最大溫漂誤差為：

ub1=≈0.00085%

則由運(yùn)放OPA177的溫漂帶來的誤差可整合為：

u2==≈0.0012%

3.3 DAC部分誤差分析

DAC部分的誤差主要來源于數(shù)模轉(zhuǎn)換器AD5791、精密運(yùn)放AD8676和AD8675、以及外接基準(zhǔn)電壓源VRE3050。由于該模塊用到的芯片和器件的初始誤差均可以通過標(biāo)定來消除，這里主要考慮溫漂引入的誤差。

AD5791溫度漂移<0.05ppm/℃。當(dāng)溫度變化±20℃時，AD5791溫漂帶來誤差為：

u溫= 0.05×10-6×20=0.0001%

則由AD5791的溫漂影響帶來誤差可整合為：

uc1=≈0.00014%

精密運(yùn)放AD8676和AD8675的溫度漂移均<0.6μV/℃。當(dāng)溫度變化±20℃時，AD8676和AD8675的溫漂帶來誤差均為：

u溫=20℃× 0.6×10-6μV/℃/5V=0.00024%

則單個AD8676或AD8675的溫漂誤差為0.00034%

則由精密運(yùn)放AD8676和AD8675的溫漂影響帶來誤差可整合為：

uc2=≈0.00059%

精密基準(zhǔn)電壓源VRE3050的溫度漂移<0.6ppm/℃，當(dāng)溫度變化±20℃時，VRE3050的溫漂誤差均為0.0012%。則由VRE3050的溫漂影響帶來的誤差可整合為：

uc3=≈0.0017%

則DAC模塊對系統(tǒng)造成的誤差影響為：

u3==≈0.0018%

3.4 電壓輸出部分總誤差

u==≈0.0023%

由于本系統(tǒng)采用的是TXS2繼電器，其熱電勢造成的輸出電壓誤差最大為0.3μV/1V=0.00003%<<0.0023%，因此繼電器的熱電勢可忽略不計(jì)。

電流和電阻輸出部分的誤差分析與上述步驟類似。

4? 結(jié)束語

本文完成了具有電壓、電流及電阻輸出的高精度多功能校驗(yàn)儀信號輸出部分電路設(shè)計(jì)，并對其精度分進(jìn)行了分析計(jì)算。該電路可以實(shí)現(xiàn)高精度、高分辨率的標(biāo)準(zhǔn)信號輸出。

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