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　　崔海朋（青岛杰瑞工控技术有限公司 青岛266071）

　　摘 要：现在很多智能仪表中，要求有超高精度的电压信号输出，而且要求刷新率高、噪声低，常规的处理电路比较复杂，难以实现自动校准。为了解决该问题，采用了20位的高精度数模转换器（DAC）AD5791，并应用于基于STM32的测量仪表中。本文详细介绍了软硬件设计。此系统实现了超高精度的单路可调电压输出，精度高和噪声低。

　　关键词：数模转换器；STM32；AD5791

　　0 引言

　　现在很多智能测量仪表要求具有超高精度的电压信号，同时要求高稳定性、高线形度和低噪声、低温度漂移。这样的模拟系统设计面临复杂的工程技术挑战，常规的方法是采用多个较低分辨率的DAC和大量分立元件与支持IC整合在一起，同时伴随着相当大的开发风险和高代价的修改时间，才能优化电路参数、减小误差和设计出复杂的自动校准电路，这样不仅增加了硬件设计的复杂性，通常达到的精度也不是很高。本系统设计的基于STM32微处理器和AD5791的20位超高精度测量系统中，实现了单路超高精度可调电压信号的输出，输出电压信号的幅值可以通过软件来设置。该系统可靠性高，不需要校准电路。

　　AD5791是美国ADI公司推出的一款高性能的单路20位电压输出数模转换器, 它是业界首款具有真正1 ppm(百万分之一)分辨率和精度的DAC器件 ^[1-2] 。双极工作电压高达33 V。同时AD5791具有1 ppm的分辨率和精度、低噪声(l ppm以下)、快速刷新率(1 us)和非常低的输出漂移(在l ppm以下)。该器件采用了多功能三线串行接口，并与SPI、QSPI ^TM 、MICROWIRE ^TM 和DSP接口标准兼容。该器件集成了一个上电复位电路，以确保DAC输出能达到0V，并保持在已知输出阻抗状态，直到有效写入为止。该器件还提供了一个输出钳位功能，这使得其输出在一个限定的负载状态。综上知，采用该款芯片，减少了复杂校准算法的必要性，能极大地简化设计任务、减少开发和维护成本，同时降低风险。国内相关学者在精密电压源和医疗仪器中也得到了应用 ^[3-4] 。

　　本系统的 Cortex-M3处理器为意法半导体公司推出的32位RISC处理器 STM32F103VCT6，主频最高可达72 MHz，应用也比较广泛 ^[5] 。该处理器具有256KB的程序存储器，48 KB的RAM，同时它有8个定时器、5路串口、3路SPI、2路I2C，具有独立看门狗和窗口看门狗，非常适合于与AD5791构成高精度的测量系统。

　　1 硬件电路设计

　　数模转换电路中采用了1片参考电压基准产生芯片REF02AZ、1片超高精度双路轨至轨输出运算放大器AD8676、1片高精度单路轨至轨输出运算放大器AD8675和20位超高精度数模转换芯片AD5791构成。该电路性能稳定，运行效果非常好。下面对电路进行详细分析。

　　AD5791中，VDD为+15 V，VSS为-15 V。VREFPS和VREFPF用以提供AD5791的正参考电压输入，输入范围5V到VDD-2.5 V，本测试系统中使用了+5 V的参考电压。VREFNS和VREFNF用以提供AD5791的负参考电压输入，输入范围VSS+2.5到0 V，本测试系统中使用了-5 V的参考电压。AD5791的工作电压为3.3 V。+5 V参考电压由参考电压产生芯片REF02AZ产生，负电压是通过由OP177构成的单位增益反向放大器来实现。±5 V电压产生电路如图1所示。

　　AD5791有7个用于与STM32处理器进行通讯的引脚，下面逐一作详细介绍：

　　RESET/：复位引脚，可以实现AD5791的复位；

　　CLR/：清零引脚，可以将AD5791内部DAC寄存器的值恢复到用户定义的值，并更新DAC的输出；

　　LDAC/：用于更新AD5791内部DAC寄存器的值，并更新DAC的输出；

　　SDO：串行数据输出引脚；

　　SDIN：串行数据输入引脚；

　　SCLK：串行通讯时钟信号输入引脚，最高频率可高达35 MHz；

　　SYNC/：串行输入数据的帧同步信号；

　　由于STM32处理器采用了I/O口模拟SPI通讯的方式，所以通讯控制引脚可以连接到空余的STM32处理器的任何一个I/O引脚上，只要做相应配置就可以。AD5791的应用电路图如图2所示。其中，AD8675构成电压跟随器，作为AD5791的输出缓冲。硬件电路上模拟地和数字地分开，并在一点接地，同时各个电源都加有滤波电容，以消除干扰。

　　2 软件设计

　　系统采用模拟SPI总线通信，软件的关键是STM32处理器和 AD5791之间的时序匹配，输出电压值到AD5791的DAC寄存器的值的计算，下面分别进行详细介绍。

　　2.1 AD5791芯片配置

　　AD5791的配置，主要在于AD5791的控制寄存器的配置。为了使得AD5791和STM32处理器匹配使用，需要做如下配置，具体控制寄存器相关介绍和操作参见手册。DBn（n=1…9）代表控制寄存器的第n位。

　　DB1 RBUF=1 内部运算放大器关闭

　　DB2 OPGND=0 将DAC输出下拉到地的功能切换掉，使得DAC处于正常模式

　　DB3 DACTRI=0 使DAC处于正常操作模式

　　DB4 BIN/2sC=1 使用直接二进制编码，不使用二进制补码编码的形式

　　DB5 SDODIS=0 SDO数据输出使能

　　DB6-DB9 LIN_COMP=0 参考电压输入范围选择为10 V

　　按照上述的配置，将相应配置字写入到AD5791的控制寄存器内部，AD5791就可以正常工作了。此处值得注意的是DB4位，一定要选择好相应的编码形式，否则输出电压会和计算值不符合。

　　2.2 ST M 32接口配置

　　STM32处理器的SPI 发送和接收都采用的是I/O口模拟的方式，因此I/O的初始化比较简单，除了DAC1_SDO网络标号的引脚设置为输入模式外，其他通讯用的引脚都设置为输出模式。

　　2.3 数模转换输出

　　数模转换输出，主要涉及3个子程序，芯片上电初始化子程序，芯片控制寄存器初始化子程序和电压输出子程序3个部分。下面给出AD5791读写函数和测试的例子。

　　u32 AD5791_Read(void)//读取的24bit的数据

{

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) //写一

个24 bit的数值

{

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();

}

/*入口参数：outvalue 输出的电

压的值*/

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 复位

Write_ad5791_control_register();//写AD5791的控

制寄存器

temp=（（outvalue+5.0）*1048575.0）/10.0;//计

算DAC输出值

temp1=(long)temp | 0x00100000;

Write_ad5791_dac_register(temp1);//写AD5791的

dac寄存器,同时输出相应电压

}

　　程序中对AD5791芯片进行相应初始化以及写AD5791的相应寄存器都采用I/O模拟相应时序的方法。其中写模式的时序如图3所示。写数据时，注意先写高位，再写低位，必须严格按照时序来写入。

　　3 结束语

　　本系统成功实现了基于STM32处理器和AD5791的20位高精度电压输出系统，给出了全新实用的硬件和软件设计，适用于对输出高精度模拟电压有需要的智能仪表场合中。该系统精度高，漂移低，可靠性高，可以应用于医疗仪器、测试测量仪表、工业控制以及高端科学和航空航天仪器中，具有很好的应用前景。

　　参考文献：

　　[1]AD5791 Datasheet Rev.E[EB]. Analog Devices, Inc,2018.

　　[2]AD5791:20位电压输出数模转换解决方案[J].世界电子元器件,2011(2    ):15-16.

　　[3]薛巨峰,李壮,鲁志军.基于20位DAC—AD5791的高精度电压源的设计[J].电子技术,2015,44(09):59-62.

　　[4]Jan-Hein Broeders.采用ADI 20位DAC设计医疗成像系统[J].电子设计技术,2011(7):58.

　　[5]王永虹,徐炜,郝立平.STM32系列ARMCortex-M3微控制器原理及实践[M].北京:北京航空航天大学出版社,2008.

　　（注：本文来源于科技期刊必威娱乐平台 2020年第06期第39页，欢迎您写论文时引用，并注明出处。）

关键词： 202006 数模转换器 STM32 AD5791