高分辨率電壓測量系統(tǒng)

曾經(jīng)想過要DIY一個比較精確的電壓測量系統(tǒng)，其精度比市面上的3位半萬用表要高，可以測量到0.0001V，用來DIY一個高精度電源。

查了部分高位萬用表使用的專用IC后，發(fā)現(xiàn)其中的ICL7135效果還不錯，于是做了幾塊板來測試。
在選擇了大量的積分電容做實驗后，最終找到了一種可以達(dá)到所謂的9999的電容，經(jīng)測試基本符合要求，但這個電容體積相當(dāng)大，不方便做成表頭的形式。偶然一個機(jī)會發(fā)現(xiàn)了一片高位的ADC，其性能超過ICL7135并不需要很多元件，于是向凌特公司申請了兩片LTC2400回來測試。
LTC2400，24位ADC。5V供電，輸入電壓為-0.3V-5V，串型數(shù)據(jù)流，比并行ADC更節(jié)省走線，做了塊實驗板，效果好不錯，完全超過ICL7135。

完成后錄了個視頻。原理圖見附件內(nèi)容

擴(kuò)展1：原理圖見附件

在運行中考慮到AD586的溫飄有2PPM，在天熱或天冷的時候電壓會有偏差，所以后來打算打算使用更高精度的恒溫基準(zhǔn)來為電路提供基準(zhǔn)電壓，看了很久，發(fā)現(xiàn)性價比較高的只有LM399。
而LM399的輸出電壓為7V，高于LTC2400的5V。如果用精密電阻做分壓，其效果還不如直接用AD586。因為AD586使用的是晶圓電阻，其比值穩(wěn)定度要比一般的精密電阻還要好。
另外LTC2400的輸入電壓只有5V，想擴(kuò)展到10V如果使用精密電阻的話，其穩(wěn)定度也就無法得到了保證。
為了能使用到LM399的高穩(wěn)定電壓，最終做了一個想到了一個設(shè)計方案：
使用電阻將LM399的電壓降到5V給LTC2400做基準(zhǔn)使用。
另外使用另一對電阻將LM399的電壓降到5V內(nèi)，而將這對電阻分別用模擬開關(guān)進(jìn)行切換LM399的電壓和待測電壓。由于電阻受溫度的影響變化是一個較長的過程，而短時間（幾秒）內(nèi)電阻的變化非常小。這樣，待測電壓和LM399的電壓就成了一個比值內(nèi)的關(guān)系。首先將LM399的電壓÷測量到的LM399分壓=目前分壓電阻的比值，這個比值在幾秒內(nèi)的時間是微忽其微的，再用這個比值×測到的輸入電壓分壓，則獲得了準(zhǔn)確的輸入電壓。
更方便的就是，這樣可以很好的將量程擴(kuò)展到了10V。
在每一個測量周期，LTC2400分別測量0V 7V 被測電壓。然后根據(jù)0V的誤差（歸0誤差）和基準(zhǔn)電壓，得到當(dāng)前系統(tǒng)中的誤差和電阻的比值，再用這兩個值算出輸入的電壓。LTC2400的測量速度約為6次/秒，這樣，不需要1秒就可以完成一個比較周期。

擴(kuò)展2：原理圖見附件

在添加了LM399做為基準(zhǔn)后，經(jīng)過了一段時間的測試，發(fā)現(xiàn)測量的電壓值要比原AD586要準(zhǔn)確，而且增加了運放做LTC2400的緩沖，測量輸入阻抗也提高了，后覺得四路模擬開關(guān)還空出一路，就打算再添點東西，把這路也使用上。于是就有了在這個基礎(chǔ)上增加DAC部分的打算。
LTC2400是一個24位的ADC，要想滿足它的性能，就必須使用18位以上的DAC。但18位的DAC太貴，所以打算用兩個12位便宜的DAC聯(lián)合輸出24位。
由于DAC輸出的電壓為0-5V，所以決定用一個2.5倍電壓放大電路升到12.5V左右。
其實升壓電路也有一定的誤差，并隨溫度的變化而變化。為了消除這個誤差，決定用主DAC先產(chǎn)聲一個電壓，測量后用副DAC產(chǎn)生一個電壓并降至1/4000做為誤差的微調(diào)。
之后還考慮到單片機(jī)對模擬電路的干擾問題，所以決定使用光藕進(jìn)行數(shù)模隔離。

基本電路圖。
這個已經(jīng)算是有點復(fù)雜了。
其流程如下：
設(shè)置10.00000V
指定主DAC輸出4V
4V被放大到10V（電路中設(shè)計放大倍數(shù)約2.5倍）
ADC測量基準(zhǔn)電壓
ADC測量接地電壓
ADC測量DAC輸出后放大的電壓
將DAC輸出后放大的電壓與10.00000V做比較，得出一個電壓差
命令副DAC輸出相應(yīng)的電壓糾正電壓差
ADC測量輸入點電壓。
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如此循環(huán)，ADC都將測出輸出電壓與設(shè)定電壓的差值并通過副DAC糾正，逐步逼近設(shè)定電壓。
畫完圖后已經(jīng)不打算再自己做電路板，便到工廠開樣板。
經(jīng)測試很成功。但測試時臨近年末，部分商家已放假，所以只能在垃圾堆里翻出一個壞的顯示屏臨時調(diào)試使用。
使用電腦232接口控制單片機(jī)，使系統(tǒng)分別輸出0-11V。并用6位半萬用表測量。
精確到0.0001V算是沒有問題，由于線性度的關(guān)系，暫時還無法精確到0.00001V