引言 

      隨著數(shù)字化、智能化時(shí)代的到來(lái)，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(cè)儀器的高精度、高 穩(wěn)定性、測(cè)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(duì)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(hào)的高精度多功能校驗(yàn)儀的信號(hào)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(hào)輸出單元 

      多功能校驗(yàn)儀的信號(hào)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(jí)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(hào)后進(jìn)行數(shù)模轉(zhuǎn)換，得到相應(yīng)范圍的模 擬電壓信號(hào)，再經(jīng)過(guò)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 采用非常高 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(duì)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(jù) AD5791 數(shù)據(jù)手冊(cè)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(shí)，AD5791 可以通過(guò)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(shí)，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)非常高為 0.6ppm/℃，具有低噪聲、長(zhǎng)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(duì)該信號(hào)進(jìn)行增益變換，再通 過(guò)末級(jí)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(dòng)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(jiàn)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(shí)，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(kāi)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(jí)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(duì) 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(guò)電流與 R9 上流過(guò)電流的誤差較小。根據(jù)“虛短虛斷” 原理，模擬開(kāi)關(guān) DB 輸出端的電壓與第二個(gè)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^(guò) R10 的電流大小為 0~1mA，所以流過(guò) 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(kāi) 關(guān) ADG509A 可以通過(guò)的非常大電流為 20mA，因此 0 ~100mA 大電流通過(guò)外置繼電器SW2 輸出。輸出電路由三個(gè)場(chǎng)效應(yīng)管 MMBFJ112 并聯(lián)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(wú)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(hào)。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(guò)開(kāi)關(guān) SW3 選擇接入。為減少繼電器上的 觸點(diǎn)熱電勢(shì)對(duì)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(lái)切換量程，該繼電器具有極低的熱 電勢(shì)（≈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/2）k·UREF/IS=m·（D/2）k·I·S Rf/IS=m·（D/2）k·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(guò)改變電阻 Rf 的值來(lái)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(shí)，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(shí)，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(shí)，AD5791 的參考電壓過(guò)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(guò)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(lái)的誤差。當(dāng) 溫度變化±20℃時(shí)，分壓電阻帶來(lái)的溫漂誤差均為：

      u 溫=20×0.2×10-6=0.0004%

      則