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一種高精度多功能校驗儀信號輸出部分電路設計

來源: 四川大學機械工程學院 作者:趙豇瑤;黃偉 發布日期:2020-05-11

 摘要: 本文選用 AD5791 數模轉換器、VRE3050 基準電壓源和 OPA177 運算放大器來設計高精度多功能校驗儀信號輸出部分電 路,并對所設計的電路進行誤差了分析。

 
引言 
      隨著數字化、智能化時代的到來,精密智能儀表技術逐漸滲透到各行各業,為了配合被檢測儀器的高精度、高 穩定性、測量環境復雜、功能多樣的需求,高精度校驗儀 的設計一直備受關注[1-2]。本文針對可以輸出擁有正負量 程的電壓、電流、電阻三種標準電學信號的高精度多功能校驗儀的信號輸出部分設計了硬件電路,并給出可靠的 精度分析。
 
 1 信號輸出單元 
      多功能校驗儀的信號輸出單元的硬件部分主要由DAC 數字模擬轉換電路、基準電壓電路、電壓輸出前置增 益控制電路,末級緩沖放大電路、電壓電流轉換電路、模擬 電阻發生電路和切換電路構成[3]。其工作方式為 DAC 接收 前端輸入的數字信號后進行數模轉換,得到相應范圍的模 擬電壓信號,再經過電路處理變換,實現相應的目標輸出。
 
 2 硬件電路設計
2.1 DAC 數模轉換器選型 
      根據設計要求,并考慮到各環節噪聲的引入,數模轉 換器選擇了 ADI 公司生產的高精度 20 位數字模擬轉換器 AD5791。AD5791 采用非常高 33V 的雙極型電源供電,正 基準電壓 VREFP 輸入范圍為 5V~VDD-2.5V,負基準電壓 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。相對精度非常大值為±1LSB,微分非線 性非常大值為±1LSB,溫度漂移非常大值為 0.05ppm/℃[4]。 
 
      根據 AD5791 數據手冊推薦,AD5791 的正負基準輸 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現從單端基準輸 入參考電壓產生雙極性電壓輸出[5],在此工作模式下,電壓 輸出范圍從 2×VREFN-VREFP 到 VREFP,當 VREFN 為 0V 時,輸出 范圍即從-VREFP 到 VREFP。
 
2.2 基準電壓電路 
      本設計選用了 Cirrus Logic 公司生產的+5V 精密基 準電壓源 VRE3050 作為系統電壓基準。VRE3050 是一種 低成本、高精度、超穩定的+5V 電壓基準,工作溫度范圍為-40°C 至+85°C,初始精度為±0.5mV(0.01%),溫度系數非常高為 0.6ppm/℃,具有低噪聲、長期穩定性好等優點。 
 
      基準電壓源電路如圖 1 所示,采用+15V 電源供點,其 中 CN 采用 1uF 電容以減少輸出噪聲,可調電阻 RN 采用 10KΩ 用于補償初始誤差。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。
VRE3050 基準電壓電路
2.3 直流電壓輸出電路
      5V 基準電壓經 DA 轉換后輸出范圍為-5V~+5V,需 經前置增益衰減/放大電路對該信號進行增益變換,再通 過末級緩沖放大電路進行電流和功率放大以改善電流的 驅動帶載能力,另外也可以減少系統輸出阻抗,使實際輸 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。
直流電流輸出電路原理圖
      電路中運算放大器選用 TI 公司生產的 OPA177,該運 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 公司生產的電阻網絡 LT5400 為分 壓電阻以及為放大電路提供相應阻值的電阻配置[7]。
 
      其工作原理為:DAC 輸出的-5V~+5V 電壓由電阻 R1 和 R2 進行分壓,再由開關 SW1 選擇后輸入到 2 倍增益同相放大器,從而實現±1V 和±10V 電壓輸出量程的轉換[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 輸出電壓進行 V/I 轉換得到的。
 
      其工作原理為:DAC 輸出的 0~5V 電壓經標準電阻 R9 后轉換為 0~1mA 的基準電流,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“虛短虛斷” 原理,模擬開關 DB 輸出端的電壓與第二個運放同相輸 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。因為流過 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 ADG509A 可以通過的非常大電流為 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管 MMBFJ112 并聯組成,以保證非常大 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 轉換電路、D/A 轉換 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
模擬電阻輸出電路原理圖
      外部輸入電流 IS 進行 I/V 轉換后,作為 DAC 的基準 電壓信號。由圖 3 可得,輸入 DAC 的基準電壓值為:
      UREF=IS×Rf
 
      其中,Rf 為反饋回路中接入的精密標準電阻 R16 或 R17 的阻值,通過開關 SW3 選擇接入。為減少繼電器上的 觸點熱電勢對輸出電壓值的影響,選用日本松下電器生產的 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,根據公式:
      R=UO/IS=m·(D/2)k·UREF/IS=m·(D/2)k·I·S Rf/IS=m·(D/2)k·Rf
 
      這里 k 為 DAC 位數,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 的值來實現電流源選擇的廣泛性,使 UREF 的值接近 5V。當外部輸入電流約為 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 非常小值 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℃作為標準溫度,以下所有誤差分析均在此條件下進行。
 
3.1 LT5400 誤差分析 
      本次設計采用 Linear 公司生產的 LT5400 四電阻網 絡為放大電路提供相應阻值的電阻配置,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,因此計算該電路中 LT5400 帶來的誤差。當 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20200511173807.jpg
 
      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QQ截圖20200511174306.jpg
 
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 壓引起的系統誤差可以通過標定來消除,所以誤差計算時 主要考慮溫漂引起的誤差。OPA177 的溫漂<0.3μV/℃,當 溫度變化±20℃時,由溫漂帶來的放大器電壓變化為 6μV, 則 OPA177 帶來的非常大溫漂誤差均為:
       u 溫=ΔU/Uo=6×10-6V/1V=0.0006%
      整合后可得單個 OPA177 帶來的非常大溫漂誤差為:
      整合后可得單個 OPA177 帶來的非常大溫漂誤差
      則由運放 OPA177 的溫漂帶來的誤差可整合為:
      由運放 OPA177 的溫漂帶來的誤差可整合
 
3.3 DAC 部分誤差分析
      DAC 部分的誤差主要來源于數模轉換器 AD5791、精 密 運 放 AD8676 和 AD8675、 以 及 外 接 基 準 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:
      由 AD5791 的溫漂影響帶來誤差可整合
      精密運放 AD8676 和 AD8675 的溫度漂移均<0.6μV/℃。 當溫度變化±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%。
      則由精密運放 AD8676 和 AD8675 的溫漂影響帶來誤差可整合為:
       精密運放 AD8676 和 AD8675 的溫漂影響帶來誤 差可整合
      精密基準電壓源 VRE3050 的溫度漂移<0.6ppm/℃,當 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:
      的溫漂影響帶來的誤差可整合
 DAC 模塊對系統造成的誤差影響為:
3.4 電壓輸出部分總誤差
QQ截圖20200511174432.jpg
 
      由于本系統采用的是 TXS2 繼電器,其熱電勢造成的 輸出電壓誤差非常大為 0.3μV/1V=0.00003%<<0.0023%,因此繼電器的熱電勢可忽略不計。 電流和電阻輸出部分的誤差分析與上述步驟類似。 
 
4 結束語 
      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儀信號輸出部分電路設計,并對其精度分進行了分析計算。該電路可以實現高精度、高分辨率的標準信 號輸出。
 

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