基于數(shù)字電位器的可編程電壓基準(zhǔn)源設(shè)計(jì)*

黃劍平，穆瑞珍（廈門理工學(xué)院光電與通信工程學(xué)院，福建廈門 361024）

電壓基準(zhǔn)源為電路提供一個已知的恒定不變的電壓值，在模-數(shù)混合信號、電壓調(diào)節(jié)器、電壓檢測、精密電表等電路中有重要的應(yīng)用［1］。

目前，大部分電壓基準(zhǔn)源芯片都是輸出固定電壓值，一部分基準(zhǔn)芯片的輸出值可以通過輸出端和反饋端的分壓電阻設(shè)置，如TL431、LM4121-ADJ、ADP3331 等［2］。當(dāng)設(shè)計(jì)中電壓基準(zhǔn)值需要根據(jù)情況作出改變時，輸出固定值的基準(zhǔn)源就不適用，就算選擇電阻調(diào)壓的基準(zhǔn)源芯片，輸出電壓的精度受到分壓電阻精度的影響且需要用電壓表進(jìn)行校準(zhǔn)，在使用時不方便。本文提出了一種輸出可編程的電壓基準(zhǔn)源設(shè)計(jì)，輸出的電壓值可以通過單片機(jī)設(shè)置，無需手動校準(zhǔn)，輸出精度高。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 硬件框圖

整個電路系統(tǒng)的硬件框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)硬件框圖

圖1中，基準(zhǔn)電壓電路產(chǎn)生10.24 V的精確基準(zhǔn)電壓值，經(jīng)過由單片機(jī)控制的數(shù)字電位器分壓后，送到精準(zhǔn)運(yùn)放的“-”輸入端，經(jīng)過運(yùn)放的信號處理，輸出所設(shè)置的電壓值，為后繼電路提供電壓基準(zhǔn)。

1.2 基準(zhǔn)電壓產(chǎn)生電路

常用的電壓基準(zhǔn)源分為采用兩端并聯(lián)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的齊納基準(zhǔn)源和采用三端串連拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的帶隙基準(zhǔn)源兩種，由于齊納基準(zhǔn)源的電壓精度不高，這里選擇帶隙型基準(zhǔn)源。帶隙基準(zhǔn)源基本原理是利用兩個晶體管基射結(jié)電壓差ΔVBE的正溫漂去補(bǔ)償晶體管基射結(jié)電壓VBE本身的負(fù)溫漂，兩者配合實(shí)現(xiàn)零溫漂［3-5］。

為了能實(shí)現(xiàn)寬范圍內(nèi)的電壓調(diào)節(jié)，這里的基準(zhǔn)電壓選擇10 V左右的基準(zhǔn)源?？紤]兩種方法：一是直接選擇10 V輸出的基準(zhǔn)芯片；二是采用5個2.048 V的串聯(lián)型基準(zhǔn)芯片串聯(lián)連接，使總輸出電壓達(dá)到10.24 V。經(jīng)分析，選擇第2種方法，這種方法雖然用到的元件數(shù)量多，但因?yàn)楹罄^需要用到1024分辨率的數(shù)字電位器，10.24 V的輸出電壓正好能被1024整除，這樣可以使最終電路的最小可調(diào)電壓為整數(shù)，在使用時更方便。

圖2 5片MAX6037B_21串聯(lián)產(chǎn)生10.24 V基準(zhǔn)電壓電路

產(chǎn)生2.048 V基準(zhǔn)電壓的芯片選擇MAX6037B_21，它能輸出穩(wěn)定的2.048 V基準(zhǔn)電壓，精度為±0.3%，溫度系數(shù)最大為50×10-6/°C，輸出噪聲低［6］，適用于精密儀器的設(shè)計(jì)。5個MAX6037B_21芯片串聯(lián)產(chǎn)生10.24 V基準(zhǔn)電壓的電路如圖2所示。每個MAX6037B_21芯片的輸出端連接下一級芯片的輸入端，同時與上一級芯片的GND端連接，這樣5片芯片串聯(lián)起來，從第一級芯片的輸出端就能輸出精確的5×2.048=10.24 V電壓。每一級芯片的輸出端與GND端都并聯(lián)有0.1 μF的去耦電容，用于濾除電路中的噪聲干擾，保證輸出電壓信號的精準(zhǔn)。

1.3 精準(zhǔn)運(yùn)放調(diào)壓電路

精準(zhǔn)運(yùn)放的信號處理電路如圖3所示。電阻R1、R2和運(yùn)算放大器組成對10.24 V基準(zhǔn)電壓信號的處理電路。由數(shù)字電位器構(gòu)成的分壓電路對前一級輸出的10.24 V基準(zhǔn)電壓進(jìn)行分壓，并送到運(yùn)放的“+”輸入端。根據(jù)運(yùn)放“-”輸入端的輸入阻抗無窮大的特性可以列出等式：

其中，UADJ為運(yùn)放最后的輸出電壓，UREF為前一級電路產(chǎn)生的10.24 V基準(zhǔn)電壓，U-為運(yùn)放“-”輸入端的電壓，UW為運(yùn)放“+”輸入端的電壓，即數(shù)字電位器滑動端的電壓。根據(jù)電路圖中R1、R2阻值相等以及運(yùn)放的“+”、“-”輸入端電壓相等，即UW=U-的規(guī)則，上述等式可以化簡為：

從電路圖中可知UW的變化范圍為0～UREF，因此，輸出電壓UADJ的范圍是-UREF～UREF。為了保證電壓信號的精確放大，實(shí)際電路中的電阻R1、R2選取精度為0.1%的金屬膜電阻。

電路中的運(yùn)放芯片選取ADA4077-1高精準(zhǔn)運(yùn)算放大器，它為常用精準(zhǔn)運(yùn)放OP07的升級版芯片。它的最大失調(diào)電壓僅為50 μV，失調(diào)電壓漂移僅為0.55 μV/°C，輸入偏置電流最大僅為1 nA，電壓噪聲密度僅為6.9 nV/Hz［7］。這些參數(shù)使它接近理想運(yùn)放的特征，非常適合于本電路精準(zhǔn)信號處理的場合。

1.4 數(shù)字電位器的控制

圖3的電路采用MSP430F149單片機(jī)來控制數(shù)字電位器。MSP430F149單片機(jī)是TI公司的一款16位超低功耗混合信號處理器，芯片上集成了豐富的模擬和數(shù)字信號處理模塊，處理能力強(qiáng)，運(yùn)算速度快，穩(wěn)定性高，小巧靈活［8］。單片機(jī)工作所需的3.3 V電壓由一片BA033T穩(wěn)壓芯片提供。這里利用了MSP430F149集成的SPI串行接口電路模塊，選取端口P3.1（SIMO0）和P3.3（UCLK0）作為SPI接口的數(shù)據(jù)端和時鐘端，選取P1.1端口作為SPI接口的片選信號端。通過讀寫單片機(jī)相應(yīng)的內(nèi)部寄存器，就可以自動實(shí)現(xiàn)由芯片內(nèi)部的硬件電路模塊向數(shù)字電位器發(fā)送控制指令的操作，簡化了編程工作。

圖3 運(yùn)放調(diào)壓電路

數(shù)字電位器采用數(shù)字控制的方式調(diào)節(jié)電位器的電阻值。和傳統(tǒng)的手動電位器比起來，它的電阻值可以通過單片機(jī)準(zhǔn)確地設(shè)置，設(shè)置精度高，并且具有無觸點(diǎn)、低噪聲、抗振動、抗干擾、體積小、壽命長等優(yōu)點(diǎn)［9］。本設(shè)計(jì)所選取的數(shù)字電位器芯片為AD5293BRUZ-50，它的輸出阻值最大為50 kΩ，通過SPI接口控制，具有1024抽頭的分辨率，用于分壓時的溫度系數(shù)僅為5×10-6/°C，溫度漂移很小。按照電路圖中的連接，數(shù)字電位器的分壓輸出UW為：

式中：D為單片機(jī)向數(shù)字電位器發(fā)送的十進(jìn)制“滑動端”位置值，范圍為0～1023。代入式（2），有：

從式（4）可以得出，輸出電壓的最小分辨力理論值為；10.24÷512=0.02 V=20 mV。

2 性能測試

2.1 電壓輸出特性測試

對所設(shè)計(jì)的電路系統(tǒng)進(jìn)行輸出特性測試。首先，用6位半數(shù)字萬用表Agilent34401A測量5片MAX6037B_21串聯(lián)所產(chǎn)生的基準(zhǔn)電壓值為：10.270 16 V，與10.24 V理論值相比，百分誤差為：（|10.27016-10.24|/10.24）×100%=0.29%。該誤差值與MAX6037B_21芯片說明書說標(biāo)稱的0.3%相比，處于合理范圍內(nèi)。

然后，用單片機(jī)控制數(shù)字電位器改變“滑動端”的位置值，每次步進(jìn)十進(jìn)制值64，測量最后運(yùn)放的輸出電壓，得到如表1所示的測量數(shù)據(jù)。

表1 輸出電壓測量數(shù)據(jù)

從表1可以看出，輸出電壓的測量值與理論值十分吻合。輸出百分誤差最大值僅為“滑動端”位置為448時的0.37%。其他位置的輸出誤差均較小。畫出電壓輸出特性曲線如圖4所示，從圖4中可以看出，輸出電壓隨數(shù)字電位器“滑動端”位置的變化呈很好的線性關(guān)系。造成誤差的原因考慮有：數(shù)字電位器分壓的誤差，精準(zhǔn)運(yùn)放本身的失調(diào)電壓，電路中電阻R1、R2的精度產(chǎn)生的影響等。

圖4 輸出電壓特性圖

2.2 輸出電壓分辨力測量

參照國家標(biāo)準(zhǔn)對分辨力（Resolution）的定義，這里輸出電壓分辨力應(yīng)理解為電路能給出的輸出電壓最小調(diào)定值［10-11］。根據(jù)圖3的電路圖，數(shù)字電位器相鄰兩個“滑動端”位置所產(chǎn)生的運(yùn)放輸出電壓值之差就是輸出電壓的分辨力。為了消除隨機(jī)誤差影響，需要連續(xù)測量數(shù)字電位器“滑動端”在多個位置時運(yùn)放的輸出電壓。這屬于測量的自變量、因變量都作等量變化的情況，若采取逐項(xiàng)相減再取平均，則中間的測量數(shù)據(jù)會被抵消。這里借鑒物理實(shí)驗(yàn)中的逐差法，將連續(xù)測得的電壓值平分成高低兩組，再進(jìn)行等間隔相減［12］。這里選取“滑動端”位置在整個調(diào)節(jié)范圍的起、始及1/4、1/2、3/4附近的各32個數(shù)據(jù)進(jìn)行逐差法測量?！盎瑒佣恕痹?/4附近選取的測量位置值從256到287（對應(yīng)十六進(jìn)制的100到11F），每隔16個數(shù)據(jù)進(jìn)行逐差，數(shù)據(jù)如表2所示。計(jì)算得該范圍內(nèi)輸出電壓分辨力為322.63÷16=20.16 mV。同理，可以測出其他位置的輸出電壓分辨力如表3所示。從中可以看出，各個測量位置輸出電壓分辨力與理論值都十分接近，百分誤差都較小。

表2“滑動端”位置從256到287的逐差法測量數(shù)據(jù)

表3 各個測量位置的電壓分辨力計(jì)算

3 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)了一種輸出電壓可通過編程準(zhǔn)確調(diào)節(jié)的電壓基準(zhǔn)源電路。采用5片2.048 V的帶隙基準(zhǔn)源芯片串聯(lián)，得到精準(zhǔn)的10.24 V基準(zhǔn)電壓，再通過數(shù)字電位器和高精準(zhǔn)運(yùn)放進(jìn)行電壓信號處理，在只有正基準(zhǔn)電壓的情況下，最后可輸出-10.24 V到10.22 V的可編程電壓值，輸出電壓分辨力達(dá)20 mV。該電路創(chuàng)新之處在于利用數(shù)字電位器對基準(zhǔn)信號進(jìn)行準(zhǔn)確分壓，使輸出電壓值可準(zhǔn)確設(shè)置，無需手動校準(zhǔn)。該電路輸出電壓精度高、分辨力小、性能穩(wěn)定、可靠性高，可以在各種應(yīng)用場合靈活地為后繼電路提供電壓基準(zhǔn)。

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黃劍平（1981-），男，漢族，福建廈門人。廈門理工學(xué)院碩士，高級實(shí)驗(yàn)師。主要從事嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究，arrowhuang@163.com；

穆瑞珍（1979-），女，漢族，福建泉州人。廈門理工學(xué)院碩士，實(shí)驗(yàn)師。主要從事光電子技術(shù)方面研究，rzmu@xmut.edu.cn。