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一种高精度多功能校验仪信号输出部分电路设计

来源: 四川大学机械工程学院 作者:赵豇瑶;黄伟 发布日期:2020-05-11

 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。

 
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 的设计一直备受关注[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 采用非常高 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。相对精度非常大值为±1LSB,微分非线 性非常大值为±1LSB,温度漂移非常大值为 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%),温度系数非常高为 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。
VRE3050 基准电压电路
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。
直流电流输出电路原理图
      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 可以通过的非常大电流为 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,以保证非常大 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
模拟电阻输出电路原理图
      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/2)k·UREF/IS=m·(D/2)k·I·S Rf/IS=m·(D/2)k·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 非常小值 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20200511173807.jpg
 
      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QQ截图20200511174306.jpg
 
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 带来的非常大温漂误差均为:
       u 温=ΔU/Uo=6×10-6V/1V=0.0006%
      整合后可得单个 OPA177 带来的非常大温漂误差为:
      整合后可得单个 OPA177 带来的非常大温漂误差
      则由运放 OPA177 的温漂带来的误差可整合为:
      由运放 OPA177 的温漂带来的误差可整合
 
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,这里主要考虑温漂引入的误差。
      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:
      由 AD5791 的温漂影响带来误差可整合
      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:
       精密运放 AD8676 和 AD8675 的温漂影响带来误 差可整合
      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:
      的温漂影响带来的误差可整合
 DAC 模块对系统造成的误差影响为:
3.4 电压输出部分总误差
QQ截图20200511174432.jpg
 
      由于本系统采用的是 TXS2 继电器,其热电势造成的 输出电压误差非常大为 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。
 

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