崔海朋（青島傑瑞工控技術有限公司 青島266071）
本文引用地址：http://www.eepw.com.cn/article/202005/413601.htm摘 要：現在很多智能儀表中，要求有超高精度的電壓信號輸出，而且要求刷新率高、噪聲低，常規的處理電路比較複雜，難以實現自動校準。為了解決該問題，採用了20位的高精度數模轉換器（DAC）AD5791，並應用於基於STM32的測量儀表中。本文詳細介紹了軟硬體設計。此系統實現了超高精度的單路可調電壓輸出，精度高和噪聲低。
關鍵詞：數模轉換器；STM32；AD5791
0 引言
現在很多智能測量儀表要求具有超高精度的電壓信號，同時要求高穩定性、高線形度和低噪聲、低溫度漂移。這樣的模擬系統設計面臨複雜的工程技術挑戰，常規的方法是採用多個較低解析度的DAC和大量分立元件與支持IC整合在一起，同時伴隨著相當大的開發風險和高代價的修改時間，才能優化電路參數、減小誤差和設計出複雜的自動校準電路，這樣不僅增加了硬體設計的複雜性，通常達到的精度也不是很高。本系統設計的基於STM32微處理器和AD5791的20位超高精度測量系統中，實現了單路超高精度可調電壓信號的輸出，輸出電壓信號的幅值可以通過軟體來設置。該系統可靠性高，不需要校準電路。
AD5791是美國ADI公司推出的一款高性能的單路20位電壓輸出數模轉換器, 它是業界首款具有真正1 ppm(百萬分之一)解析度和精度的DAC器件 [1-2] 。雙極工作電壓高達33 V。同時AD5791具有1 ppm的解析度和精度、低噪聲(l ppm以下)、快速刷新率(1 us)和非常低的輸出漂移(在l ppm以下)。該器件採用了多功能三線串行接口，並與SPI、QSPI TM 、MICROWIRE TM 和DSP接口標準兼容。該器件集成了一個上電復位電路，以確保DAC輸出能達到0V，並保持在已知輸出阻抗狀態，直到有效寫入為止。該器件還提供了一個輸出鉗位功能，這使得其輸出在一個限定的負載狀態。綜上知，採用該款晶片，減少了複雜校準算法的必要性，能極大地簡化設計任務、減少開發和維護成本，同時降低風險。國內相關學者在精密電壓源和醫療儀器中也得到了應用 [3-4] 。
本系統的 Cortex-M3處理器為意法半導體公司推出的32位RISC處理器 STM32F103VCT6，主頻最高可達72 MHz，應用也比較廣泛 [5] 。該處理器具有256KB的程序存儲器，48 KB的RAM，同時它有8個定時器、5路串口、3路SPI、2路I2C，具有獨立看門狗和窗口看門狗，非常適合於與AD5791構成高精度的測量系統。
1 硬體電路設計
數模轉換電路中採用了1片參考電壓基準產生晶片REF02AZ、1片超高精度雙路軌至軌輸出運算放大器AD8676、1片高精度單路軌至軌輸出運算放大器AD8675和20位超高精度數模轉換晶片AD5791構成。該電路性能穩定，運行效果非常好。下面對電路進行詳細分析。
AD5791中，VDD為+15 V，VSS為-15 V。VREFPS和VREFPF用以提供AD5791的正參考電壓輸入，輸入範圍5V到VDD-2.5 V，本測試系統中使用了+5 V的參考電壓。VREFNS和VREFNF用以提供AD5791的負參考電壓輸入，輸入範圍VSS+2.5到0 V，本測試系統中使用了-5 V的參考電壓。AD5791的工作電壓為3.3 V。+5 V參考電壓由參考電壓產生晶片REF02AZ產生，負電壓是通過由OP177構成的單位增益反向放大器來實現。±5 V電壓產生電路如圖1所示。
AD5791有7個用於與STM32處理器進行通訊的引腳，下面逐一作詳細介紹：
RESET/：復位引腳，可以實現AD5791的復位；
CLR/：清零引腳，可以將AD5791內部DAC寄存器的值恢復到用戶定義的值，並更新DAC的輸出；
LDAC/：用於更新AD5791內部DAC寄存器的值，並更新DAC的輸出；
SDO：串行數據輸出引腳；
SDIN：串行數據輸入引腳；
SCLK：串行通訊時鐘信號輸入引腳，最高頻率可高達35 MHz；
SYNC/：串行輸入數據的幀同步信號；
由於STM32處理器採用了I/O口模擬SPI通訊的方式，所以通訊控制引腳可以連接到空餘的STM32處理器的任何一個I/O引腳上，只要做相應配置就可以。AD5791的應用電路圖如圖2所示。其中，AD8675構成電壓跟隨器，作為AD5791的輸出緩衝。硬體電路上模擬地和數字地分開，並在一點接地，同時各個電源都加有濾波電容，以消除幹擾。
2 軟體設計
系統採用模擬SPI總線通信，軟體的關鍵是STM32處理器和 AD5791之間的時序匹配，輸出電壓值到AD5791的DAC寄存器的值的計算，下面分別進行詳細介紹。
2.1 AD5791晶片配置
AD5791的配置，主要在於AD5791的控制寄存器的配置。為了使得AD5791和STM32處理器匹配使用，需要做如下配置，具體控制寄存器相關介紹和操作參見手冊。DBn（n=1…9）代表控制寄存器的第n位。
DB1 RBUF=1 內部運算放大器關閉
DB2 OPGND=0 將DAC輸出下拉到地的功能切換掉，使得DAC處於正常模式
DB3 DACTRI=0 使DAC處於正常操作模式
DB4 BIN/2sC=1 使用直接二進位編碼，不使用二進位補碼編碼的形式
DB5 SDODIS=0 SDO數據輸出使能
DB6-DB9 LIN_COMP=0 參考電壓輸入範圍選擇為10 V
按照上述的配置，將相應配置字寫入到AD5791的控制寄存器內部，AD5791就可以正常工作了。此處值得注意的是DB4位，一定要選擇好相應的編碼形式，否則輸出電壓會和計算值不符合。
2.2 ST M 32接口配置
STM32處理器的SPI 發送和接收都採用的是I/O口模擬的方式，因此I/O的初始化比較簡單，除了DAC1_SDO網絡標號的引腳設置為輸入模式外，其他通訊用的引腳都設置為輸出模式。
2.3 數模轉換輸出
數模轉換輸出，主要涉及3個子程序，晶片上電初始化子程序，晶片控制寄存器初始化子程序和電壓輸出子程序3個部分。下面給出AD5791讀寫函數和測試的例子。
u32 AD5791_Read(void)//讀取的24bit的數據
{
unsigned int i,j;
u32 data,c;
data=0;
AD5791_sync_0();
AD5791_sclk_0();
for(i=0;i<24;i++)
{
j=3;
data=data<<1;
AD5791_sclk_1();
while(j--);
c=GET_AD5791_SO();
AD5791_sclk_0();
data=data|c;
}
AD5791_sclk_0();
AD5791_sync_1();
return(data);
}
void AD5791_Write(unsigned long OutData) //寫一
個24 bit的數值
{
unsigned char i;
unsigned long value;
value = OutData & 0x00ffffff; //取低24bit
value = value<<8; //左移8位,ok
AD5791_ldac_1();
AD5791_sclk_1();
AD5791_sync_1();
AD5791_sync_0();
for ( i = 0; i < 24; i ++ )
{
AD5791_sclk_1();
ad5791delay();
if((value & 0x80000000) == 0x80000000)
{
AD5791_sdin_1();
}
else
{
AD5791_
sdin_0();
}
ad5791delay();
AD5791_sclk_0();
ad5791delay();
value = value << 1;
}
AD5791_sync_1();
ad5791delay();
AD5791_ldac_0();
ad5791delay();
AD5791_ldac_1();
ad5791delay();
}
/*入口參數：outvalue 輸出的電
壓的值*/
void test_ad5791(double outvalue)
{
double temp=0.0;
long temp1=0;
Ad5791_gpio_init(); //AD5791 I/O口初始化
Ad5791_clr_init();//AD5791 清零
Reset_ad5791(); //AD5791 復位
Write_ad5791_control_register();//寫AD5791的控
制寄存器
temp=（（outvalue+5.0）*1048575.0）/10.0;//計
算DAC輸出值
temp1=(long)temp | 0x00100000;
Write_ad5791_dac_register(temp1);//寫AD5791的
dac寄存器,同時輸出相應電壓
}
程序中對AD5791晶片進行相應初始化以及寫AD5791的相應寄存器都採用I/O模擬相應時序的方法。其中寫模式的時序如圖3所示。寫數據時，注意先寫高位，再寫低位，必須嚴格按照時序來寫入。
3 結束語
本系統成功實現了基於STM32處理器和AD5791的20位高精度電壓輸出系統，給出了全新實用的硬體和軟體設計，適用於對輸出高精度模擬電壓有需要的智能儀表場合中。該系統精度高，漂移低，可靠性高，可以應用於醫療儀器、測試測量儀表、工業控制以及高端科學和航空航天儀器中，具有很好的應用前景。
參考文獻：
[1]AD5791 Datasheet Rev.E[EB]. Analog Devices, Inc,2018.
[2]AD5791:20位電壓輸出數模轉換解決方案[J].世界電子元器件,2011(2 ):15-16.
[3]薛巨峰,李壯,魯志軍.基於20位DAC—AD5791的高精度電壓源的設計[J].電子技術,2015,44(09):59-62.
[4]Jan-Hein Broeders.採用ADI 20位DAC設計醫療成像系統[J].電子設計技術,2011(7):58.
[5]王永虹,徐煒,郝立平.STM32系列ARMCortex-M3微控制器原理及實踐[M].北京:北京航空航天大學出版社,2008.
（註：本文來源於科技期刊《電子產品世界》2020年第06期第39頁，歡迎您寫論文時引用，並註明出處。）