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一种高精度多功效校验仪旌旗灯号输入局部电路设想

由来: 重庆专科大学机设备建设项目高校 小说作家:赵豇瑶;黄伟 回应时间:2019-05-11

 择要: 本文选用 AD5791 数模转换器、VRE3050 基准电压源和 OPA177 运算缩小器来设想高精度多功效校验仪旌旗灯号输入局部电 路,并对所设想的电路停止偏差了阐发。

 
弁言 
      跟着数字化、智能化期间的到来,紧密智能仪表手艺逐步渗入到各行各业,为了配合被检测仪器的高精度、高 不变性、丈量环境庞杂、功效多样的须要,高精度校验仪 的设想一向备受存眷[1-2]。本文针对能够输入具备正负量 程的电压、电流、电阻三种规范电学旌旗灯号的高精度多功效校验仪的旌旗灯号输入局部设想了硬件电路,并给出靠得住的 精度阐发。
 
 1 旌旗灯号输入单位 
      多功效校验仪的旌旗灯号输入单位的硬件局部首要由DAC 数字摹拟转换电路、基准电压电路、电压输入前置增 益节制电路,末级缓冲缩小电路、电压电流转换电路、摹拟 电阻发生电路和切换电路构成[3]。其任务体例为 DAC 领受 前端输入的数字旌旗灯号后停止数模转换,获得响应规模的模 拟电压旌旗灯号,再颠末电路处置变更,完成响应的方针输入。
 
 2 硬件电路设想
2.1 DAC 数模转换器选型 
      按照设想请求,并斟酌到各关键噪声的引入,数模转 换器挑选了 ADI 公司出产的高精度 20 位数字摹拟转换器 AD5791。AD5791 接纳很是高 33V 的双极型电源供电,正 基准电压 VREFP 输入规模为 5V~VDD-2.5V,负基准电压 VREFN 输入规模为 VSS+2.5V~0V,此中 VDD 和 VSS 的典范值 别离为+15V 和-15V。绝对精度很是大值为±1LSB,微分非线 性很是大值为±1LSB,温度漂移很是大值为 0.05ppm/℃[4]。 
 
      按照 AD5791 数据手册保举,AD5791 的正负基准输 入端和输入端别离接纳 AD8676 和 AD8675 缓冲缩小。同 时,AD5791 能够经由进程双倍增益的体例完成从单端基准输 入参考电压发生双极性电压输入[5],在此任务形式下,电压 输入规模从 2×VREFN-VREFP 到 VREFP,当 VREFN 为 0V 时,输入 规模即从-VREFP 到 VREFP。
 
2.2 基准电压电路 
      本设想选用了 Cirrus Logic 公司出产的+5V 紧密基 准电压源 VRE3050 作为体系电压基准。VRE3050 是一种 低本钱、高精度、超不变的+5V 电压基准,任务温度规模为-40°C 至+85°C,初始精度为±0.5mV(0.01%),温度系数很是高为 0.6ppm/℃,具备低噪声、持久不变性好等长处。 
 
      基准电压源电路如图 1 所示,接纳+15V 电源供点,其 中 CN 接纳 1uF 电容以削减输入噪声,可调电阻 RN 接纳 10KΩ 用于弥补初始偏差。在不须要外接其余内部器件的环境下可间接输入高精度的+5V 参考电压。
VRE3050 基准电压电路
2.3 直流电压输入电路
      5V 基准电压经 DA 转换后输入规模为-5V~+5V,需 经前置增益衰减/缩小电路对该旌旗灯号停止增益变更,再通 过末级缓冲缩小电路停止电流和功率缩小以改良电流的 驱动带载才能,别的也能够削减体系输入阻抗,使现实输 出电压更切确。电路道理图见图 2 的直流电压输入电路局部。
直流电流输入电路道理图
      电路中运算缩小器选用 TI 公司出产的 OPA177,该运 放具备极低的偏置电压、温度漂移,噪声低、机能高、本钱低[6]。同时,接纳 Linear 公司出产的电阻收集 LT5400 为分 压电阻和为缩小电路供给响应阻值的电阻设置装备摆设[7]。
 
      其任务道理为:DAC 输入的-5V~+5V 电压由电阻 R1 和 R2 停止分压,再由开关 SW1 挑选后输入到 2 倍增益同相缩小器,从而完成±1V 和±10V 电压输入量程的转换[8]。 此中电阻 R1、R2 接纳 的 是 LT5400 -8;R3、R4 采 用 的 是LT5400-1。末级缓冲缩小电路接纳 2N3904 和 2N3906 以 推挽的体例毗连,以保障正负量程电压的输入。
 
2.4 直流电流输入电路 
      直流电流输入的电路道理图如图 2 所示。电流的输入是对 DAC 输入电压停止 V/I 转换获得的。
 
      其任务道理为:DAC 输入的 0~5V 电压经规范电阻 R9 后转换为 0~1mA 的基准电流,Q3 接纳 JFET 使 R10 上 流过电流与 R9 下流过电流的偏差较小。按照“虚短虚断” 道理,摹拟开关 DB 输入真个电压与第二个运放同相输 入端电压不异,并且 DB 真个输入电流为 0,电阻 R11、R12 和 R13 两真个压降值与 R10 两头压降值相称。因为流过 R10 的电流巨细为 0~1mA,以是流过 R11、R12 和 R13 上的电 流巨细别离为 0~100mA、0~10mA 和 0~1mA。因为摹拟开 关 ADG509A 能够经由进程的很是大电流为 20mA,是以 0 ~100mA 大电流经由进程外置继电器SW2 输入。输入电路由三个场效应管 MMBFJ112 并联构成,以保障很是大 100mA 的 电流输入。
 
2.5 摹拟电阻输入电路 
 
      等效无源电阻的输入电路由 I/V 转换电路、D/A 转换 器和电压输入电路配合构成,电阻的输入端与电压输入 端共用。摹拟电阻输入电路道理图如图 3 所示
摹拟电阻输入电路道理图
      内部输入电流 IS 停止 I/V 转换后,作为 DAC 的基准 电压旌旗灯号。由图 3 可得,输入 DAC 的基准电压值为:
      UREF=IS×Rf
 
      此中,Rf 为反应回路中接入的紧密规范电阻 R16 或 R17 的阻值,经由进程开关 SW3 挑选接入。为削减继电器上的 触点热电势对输入电压值的影响,选用日本松下电器出产的 TXS2 继电器来切换量程,该继电器具备极低的热 电势(≈0.3μV)、高活络度和高打仗靠得住性。在本体系中, 电流源输入端和电压输入端之间的阻值 R 就看做为输入 电阻,按照公式:
      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 电压输入电路前置缩小电路的增益,m=1/5。则输入电阻 R 为 Rf 的(D/220)/5 倍,经由进程转变电阻 Rf 的值来完成电流源挑选的普遍性,使 UREF 的值靠近 5V。当内部输入电流约为 1mA 时,Rf 取 6kΩ,可输入满量程约±1.2kΩ 的摹拟电阻值;当内部输入 电流约为 100μA 时,Rf 取 60kΩ,可输入满量程约±12kΩ 的摹拟电阻值,因为 AD5791 的参考电压 VREFP 很是小值 为 5V,Rf 挑选 6kΩ 或 60kΩ 可防止内部输入电流偏小时,AD5791 的参考电压太低。
 
3 精度阐发
       以电压输入电路为例给出具体的精度阐发进程,电 流、电阻输入电路的精度阐发步骤近似。
       仪器的任务温度规模凡是在 0℃~40℃之间,以 20℃作为规范温度,以下一切偏差阐发均在此前提下停止。
 
3.1 LT5400 偏差阐发 
      本次设想接纳 Linear 公司出产的 LT5400 四电阻网 络为缩小电路供给响应阻值的电阻设置装备摆设,其婚配温度漂 移<0.2ppm/℃。因为±1V 量程电压输入电路所用到的LT5400 较多,是以计较该电路中 LT5400 带来的偏差。当 温度变更±20℃时,分压电阻带来的温漂偏差均为:
      u 温=20×0.2×10-6=0.0004%
      则20200511173807.jpg
 
      同理,同相缩小器中的增益电阻带来的温漂偏差为 ua≈0.00057%
      综上,LT5400 带来的温漂偏差可整合为:
      即QQ截图20200511174306.jpg
 
3.2 缩小器偏差阐发
      OPA177 具备极低的偏置电压和漂移。此中由偏置电 压引发的体系偏差能够经由进程标定来消弭,以是偏差计较时 首要斟酌温漂引发的偏差。OPA177 的温漂<0.3μV/℃,当 温度变更±20℃时,由温漂带来的缩小器电压变更为 6μV, 则 OPA177 带来的很是大温漂偏差均为:
       u 温=ΔU/Uo=6×10-6V/1V=0.0006%
      整合后可得单个 OPA177 带来的很是大温漂偏差为:
      整合后可得单个 OPA177 带来的很是大温漂偏差
      则由运放 OPA177 的温漂带来的偏差可整合为:
      由运放 OPA177 的温漂带来的偏差可整合
 
3.3 DAC 局部偏差阐发
      DAC 局部的偏差首要来历于数模转换器 AD5791、精 密 运 放 AD8676 和 AD8675、 以 及 外 接 基 准 电 压 源VRE3050。因为该模块用到的芯片和器件的初始偏差都可 以经由进程标定来消弭,这里首要斟酌温漂引入的偏差。
      AD5791 温度漂移<0.05ppm/℃。当温度变更±20℃时,
      AD5791 温漂带来偏差为: u 温= 0.05×10-6×20=0.0001%
      则由 AD5791 的温漂影响带来偏差可整合为:
      由 AD5791 的温漂影响带来偏差可整合
      紧密运放 AD8676 和 AD8675 的温度漂移均<0.6μV/℃。 当温度变更±20℃时,AD8676 和 AD8675 的温漂带来偏差 均为:
      u 温=20℃× 0.6×10-6μV/℃/5V=0.00024%
      则单个 AD8676 或 AD8675 的温漂偏差为 0.00034%。
      则由紧密运放 AD8676 和 AD8675 的温漂影响带来偏差可整合为:
       紧密运放 AD8676 和 AD8675 的温漂影响带来误 差可整合
      紧密基准电压源 VRE3050 的温度漂移<0.6ppm/℃,当 温度变更±20℃时,VRE3050 的温漂偏差均为 0.0012%。则 由 VRE3050 的温漂影响带来的偏差可整合为:
      的温漂影响带来的偏差可整合
 DAC 模块对体系形成的偏差影响为:
3.4 电压输入局部总偏差
QQ截图20200511174432.jpg
 
      因为本体系接纳的是 TXS2 继电器,其热电势形成的 输入电压偏差很是大为 0.3μV/1V=0.00003%<<0.0023%,是以继电器的热电势可疏忽不计。 电流和电阻输入局部的偏差阐发与上述步骤近似。 
 
4 竣事语 
      本文完成了具备电压、电流及电阻输入的高精度多功效校验仪旌旗灯号输入局部电路设想,并对其精度分停止了阐发计较。该电路能够完成高精度、高分辩率的规范信 号输入。
 
征求意见函电话 0517-86998326
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