基于20位DAC--AD5791的高精度电压源的设计

摘要：为设计出高精度的标准电压源，本文通过标准电压源的生成过程来分析基准电压源对数模转换器的要求从而选择AD5791。并通过AD5791的硬件特性和软件特性来克服以往数模转换器作为基准源偏置电流中的失调现象，以及应用其特殊优越性能在设计高精度电压源系统中输出0.00000V到10.00000V的电压。并通过试验校验其准确性。

0 引言

数模转换器的常见用途之一是提供可控精密电压，它可以广泛的应用于医疗系统中的梯度线圈控制、测试和计量中的精密直流源、科学应用中的光束检测，工业控制以及高端科学和航空航天的仪器校验。

随着时间的推移，集成电路对数模转换器的精度要求也在不断变化。控制系统和仪器仪表系统对数模转换器的分辨率和精度要求也越来越高。在我国目前所使用的数模转换器已经可以达到20位了，但是其线性度最高只能达到20ppm。随着科技的进步，仪器仪表对数模转换器精度的要求不断提升，特别的标准源中的电压源基准对数模转换器的要求更

是严格，而且设计温度漂移问题，噪声干扰问题，线性稳定性问题以及电路构成中的失调问题都需要方方面面的考虑，这种数模转换器逐渐达不到设计者的要求。此时一款新的高精度数模转换器AD5791应运而生。它不仅分辨率高达20位，线性度为1ppm，可以提供高质量的精度的直流基准从而提高电压源的输出线性度。而且有效的克服了温度漂移，偏置电流失调等现象。本文将通过标准电压源的生成来分析阐述其直流电压基准对于其精度的作用，结合AD5791的特性来设计一款高精度电压源并借用安捷伦3458A高精度数字万用表来检验其准确性，使其输出误差小于2ppm。[!--empirenews.page--]

1 标准电压源的生成及分析

一个高精度的标准电压源是一个自动反馈控制系统如图1所示，直流电压基准产生可调直流电压基准VREF，经过直流电压功放(放大倍数为A)和功率放大器(大倍数为片B)放大到所需功率接到输出端子上，输出信号经过取样电路衰减(衰减系数为N)后与直流电压基准信号进行求差计算，计算出误差经放大后(放大倍数为K)加到直流基准上，经过反馈调节，使输出信号稳定在设定值上。当电路进入稳态后输出电压Vo为标准电压源输出。

通过图1系统可以得到标准电压源Vo的计算公式如式1所示。

取样电路衰减系数N和误差放大倍数K可以通过选配电阻来调节，VREF使其对误差不会产成太大影响。综上所述标准电压源Vo的准确度和线性度直接受基准电压的影响。[!--empirenews.page--]

设计产生这种高精度的直流基准电压对数模转换器的要求非常高，综合考虑分辨率，线性度，稳定性，温度漂移等因素，本文选用美国AD公司最新出产的高精度数模转换器，AD5791来进行设计和分析。

2 AD5791的优越特性

AD5791是一款高精度、单通道、20位、串行输入、无缓冲电压输出数模转换器，采用最高33V的双极性电源供电。拥有7.5V至16.5V的正基准电压，和-16.5V至-2.5V的负基准电压。最大相对精度值为±1 LSB。除此之外它的显著参数特点如下：

如图2和所示为AD5791的引脚配置。它的三线式串行接口，最高可以用35MHz的时钟速率工作，并且与标准SPI、OSPI、MICROWIRE、DSP接口标准兼容。它内部的上电复位电路，可以使它上电后输出仍为0V。直到对该器件执行一次有效的写操作之前都可以保持已知输出阻抗状态。

3 在高精度电压源中的应用

AD5791除了参数上的特性外，其硬件结构和软件特性也使其优越与其他数模转换器。本文的高精度电压源设计充分利用了这些特性。

3.1 硬件设计

设计高精度电压源首先需要将AD5791上电至0V。前文已述AD5791的内置上电复位路，可以控制上电期间的输出电压。并且将所有寄存器复位至默认值。上电时，AD5791处于的基准输入断开，输出通过约6kΩ电阻箝位至接地。它将保持此状态，直到通过控制寄存器地设置来改变它状态。为确保AD5791获得额定性能并保持稳定，基准输入还需要利用外部放大器来进行检测。AD5791优越的特性使其在外部放大器的连接也有着独特的方式，为了克服出现偏置电流失调的现象，AD5791通过两种方式与输出放大器连接，即单位增益配置和双倍增益配置。本文选用单位增益配置方式，即输出放大器的单位增益配置，输出范围从VREFN到VREFP。由于AD5791输出电阻为3.4k，为使其在片内获得一个与其电阻相等的电阻，我们通过在反馈路径中并联连接R1(6.8K)和RFB(6.8K)来实现。这样就能在其输入偏置电流中消除了失调现象。为使其温度系数彼此匹配，这些电阻全部位于一个硅片上。图3给出了单位增益配置输出放大器在AD5791中的连接方式。[!--empirenews.page--]

在此配置中，为了提高其动态性能，单位增益配置需要在放大器反馈路径中放置一个电容。

由于AD5791的正|负基准驱动|检测输入端都需放置单位增益放大器，综合考虑噪声，温度漂移和速度的等原因本文选用这以下两款双通道放大器作AD5791在高精度精密标准电压源配套器件，它们是AD8675和AD8676。

AD5791的积分非线性(INL)会随着所施加的基准电压范围不同而改变，式4为AD5791的积分非线性(INL)计算公式。其中IBIAS为输入偏置电流;VREFP正基准电压;VREFN为负基准电压。由公式可以看出过大的偏置电流和过小的基准电压都会导致积分非线性度的降低，因此为了保证良好的积分非线性度，我们选用±10V作为基准输入范围，输入偏置电流设置为100nA。这样会使INL提高0.05ppm。

如图4所示，为用AD5791数模转换器的1ppm进度系统在高精度电压源中的应用系统，AD5791由单电源提供3.3V的电源。以AD5791(U1)作为精密数控电压源它的输出电压范围为±10V，增量为20μV;基准输入端必须使用强制检测缓冲器，来达到额定线性度。本文的基准电压输入缓冲器选用AD8676(U2);除此之外本系统还需要一个输出缓冲器来驱动低电阻、高电容负载，由于AD5791的输出阻抗为3.4 k所以用AD8675(U3)作为输出缓冲器。为了进一步消除偏置电流中的失调现象选用单倍增益的配置方式与之连接。AD5791的SC LK，SDIN和 [!--empirenews.page--]分别通过6N137高速光耦合器与单片机的P1.0，P1.1和P1.2相连。P1.0给AD5791送入串行时钟信号，再由AD5791在串行时钟输入的上升沿输出，送入串行数据单片机通过P1.1送出，数据00000H对应0v，数据FFFFFH对应10v。同时 通过单片机的P1.2控制DAC寄存器的更新方式，完成与单片机之间的通讯。这样AD5791就可以输出0.00000到10.00000v之间的电压作为高精度基准电压源了。

3. 2 软件设计

本文通过AD5791的软硬件协调配合来实现高精度电压源的输出。为了确定和设置好AD5791的工作方式、首先对其控制寄存器进行如下设置。

上电之后，需对控制寄存器进行编程将AD5791置于正常工作模式。DACTRI位置0使DAC脱离三态，OPGND位置0消除输出箝位。[!--empirenews.page--]

AD5791与外部放大器两种工作模式需要控制寄存器的RBUF位来设置，单位增益配置时设置为逻辑1，双倍增益配置时设置为逻辑0。本文使用的是单倍增益配置所以需将控制寄存器的RBUF位设置为逻辑1。

SDODIS为SDO引脚置为0使引脚正常使用，BIN/2SC为置为0使DAC寄存器正常编码。

综上所述在本设计中AD5791的控制寄存器各位如表2配置

此外由式5，DAC的传递函数公式中可以看出写入DAC的20位代码可以对输出电压产生影响。

式中，VREFN是输入负基准电压;VREFP是输入正基准电压;D为写入DAC的20位代码。

前文的硬件设置中已经将正l负基准电压设置为±10V，而写入AD5791的20位代码则需要根据我们我需要的电压源来设定。其系统流程图如图5所示。完成初始化和芯片功能设置后，我们依靠外接键盘来确定所需要的电压源数值，并将其有十进制转换为十六进制，该十六进制数值和DAC寄存器其他内置位共同构成写入DAC的20位代码。完成对AD5791的送数。并通过单片机系统生成我们所需要的电压源。[!--empirenews.page--]

4 实验分析

为了验证本设计的准确度，我们借用安捷伦3458A高精度数字万用表来对其输出电压进行校验。我们分别取1 V，2.5V，5V，10V四组数据分别进行四次实验。实验结果如表3所示。

通过实验数据我们可以看出其输出误差均小于2ppm(百万分之二)，从而可以证明AD5791这款高精度数模转换器在高精度电压源设计中可以大幅度的提高其输出精度。

5 结语

将高精度数模转换器AD5791的优越特性应用到精密校验仪中作为基准电压源，克服了以往传统DAC偏置电流中的失调现象。AD5791的硬件配置特性及其软件寄存器特性显著的提高了其作为电压源的精度。并通过实验校验了其准确性，可以达到目标精度。这对精密测量技术和社会科学的进步和发展起到了推动作用。[!--empirenews.page--]