1 引言

　　在自動測試領域，為了檢測電壓型精密傳感器的配套系統，需要可調精密電壓源，其輸入范圍為0～50 mV，精度為10 μV，穩定性要求非常高。傳統的精密電壓源一般采用精密電位器調節生成，需要高的D／A分辨率和抗干擾能力。這種電壓源操作不方便，而且隨著溫度等外界條件的變化而變化，其波動范圍很難控制在10μV內。本文提出一種新的實現方案，采用閉環反饋控制方式，實時監控電壓輸出端并根據實際情況進行調整；對配置電壓值和多組實際測試結果進行最小二乘擬合，得到配置電壓值與理想輸出值之間的函數關系，并通過軟件修正了系統的非線性引起的誤差，輸出精度達到了±1.5μV，提高了輸出電壓的穩定性。

　　2 硬件設計

　　2.1 工作原理

　　該系統硬件由高性能單片機、數／模轉換器、高精密電阻衰減網絡、儀用放大器和A／D轉換器組成，其系統硬件結構如圖1所示。

　　利用PC機輸入一個設定值，通過串口將數據送到單片機；單片機根據PC機與單片機的通信協議解析串口數據，當檢測接收到有效數據后，啟動D／A轉換器配置部分的軟件，將設定值轉化為數字量輸出到D／A轉換器；D／A轉換器將單片機輸出的數字量轉化為模擬量輸出到精密電阻衰減網絡，衰減系數可通過可調電位器調整，衰減后的信號通過儀用放大器INA114穩壓輸出；同時A／D轉換器開始工作，連續采集運放輸出端的電壓值，以串行方式送到單片機中，單片機根據A／D轉換器采集的數據實時控制D／A轉換器的數字輸入端，修正環境溫度等外界因素引起的誤差，確保輸出電壓值滿足設計要求。

　　2.2 單片機模塊

　　單片機是系統的核心部分：通過RS 232串口和自擬的通信協議完成遠程控制、控制系統工作流程、初始化D／A和A／D并驅動、檢測輸出電壓質量并根據實時采樣值進行修正。單片機采用程控高精密電壓源的核心。它通過軟件的運行控制整個儀器的工作，從而完成設定的功能。

　　本設計中采用Atmel公司的低電壓、高性能8位CMOS單片機AT89C52。通過異步串口與主控計算機聯機通信，檢測并接收配置信息，并對信息進行處理，轉換成串行信號通過I／O模擬串口控制D／A的CS，Clock和Data引腳，將數據寫入到D／A，同時接收A／D采樣數據檢測運放輸出端電壓值，當電壓值因環境或溫度等外界條件影響而偏離誤差允許的范圍時，系統會自動調節電壓值，使之滿足輸出要求。

　　2.3 D／A轉換和精密電阻衰減網絡

　　D／A轉換電路以美國A／D公司的數／模轉換芯片AD5551為核心構成，AD5551是單極電源、14位分辨率、串行輸入、電壓輸出的高精度低溫漂的D／A轉換器，它們采用多功能3線接口技術，能與SPI，QSPI，MICROWIRE和DSP接口兼容。

　　該D／A的無緩沖輸出減少了輸出緩沖所引起的功耗和偏離誤差。D／A參考電壓采用外部參考電壓模式，參考電壓為2.5 V，則D／A轉換器的輸出范圍為0～2.5 V，其1個LSB為。這個輸出精度不能滿足測量要求。

　　通過精密電阻衰減網絡把D／A轉換器輸出的電壓值衰減了150倍，則衰減后的信號范圍在0～50 mV，精度為，遠小于10μV，滿足了設計要求。同時，精密電阻衰減網絡將信號噪聲信號強度衰減原來的1／50，經過儀用放大器INA114驅動后，輸出電壓十分穩定，具有很好的負載和抗干擾能力。

　　2.4 A／D轉換電路

　　考慮到外界環境因素和元器件自身的的溫漂和非線性，采用A／D轉換電路實時監測D／A輸出端電壓值，并傳送到單片機中，形成一個閉環系統。A／D轉換器使用美國A／D公司24 b低功耗、高精度的∑-△模／數轉換器AD7791。AD7791的電壓噪聲有效值僅1.5 μV，利用片內的時鐘電路工作。通過單片機I／O口模擬片選信號、串行時鐘信號和數據信號與AD7791通信，配置各個寄存器以適應相應的工作模式和狀態。

　　當環境溫度等外界條件發生改變時，電路參數隨之改變，對于高精密輸出端電壓值會有十分明顯的影響。A／DC用來監測D／A經運放的輸出電壓值，并將采集的數據實時送到MCU。MCU取8次A／D采樣值平均后，根據實際情況做出相應的調整和修正，很好地補償了系統的非線性誤差。

　　3 軟件設計

　　系統程序軟件使用C語言設計，在Keil C51環境下編譯調試，采用模塊化結構，完成電壓輸出、電壓檢測、電壓補償和校準的閉環控制，其流程圖如圖2所示。

　　4 結 語

　　本文介紹的高精度程控電壓源結構緊湊、可控性高、成本較低，已成功應用于某機型發動機地面綜合檢測設備。

　　其在實際應用中取得了很好的效果，取代了傳統的模擬電路構建的高精密電壓源，降低了成本，提高了精密電壓輸出精度，體現了程控的靈活性。