宽温度范围下多通道高精度模拟量输出板卡设计

高晨程,洪应平,党立志,张会新

中北大学微纳器件与系统教育部重点实验室

0 引言

随着通信技术、计算机技术以及自主控制技术等关键技术的发展[1],人们对无人机的研究进一步深入,无人机的应用领域也变得更加广泛。在无人机产品研制和使用的过程中,为了确保产品质量,必须开展相应的测试[2],无人机测试系统的研究和设计是无人机研制过程中的一部分。作为无人机综合测试系统的基本单元,模拟量输出系统可按上位机配置的波形数据对传感器进行模拟,为飞控计算机注入测试数据,因此,对多通道高精度的模拟量输出系统的研究是十分必要的。

传统的模拟量输出系统多采用软件方法进行标定补偿来提高输出信号的精度,没有考虑温度变化带来的输出误差[3-9]。由于设备所处的环境不同,温度会相应地发生变化,即使是在同一个环境下,一天之内不同的时间段室温也不尽相同。如果不能及时的进行校准,温度的变化会使输出量发生偏移,导致输出结果产生误差[10]。为了避免此类情况的发生,本设计考虑了温度变化对输出模拟量质量的影响,设计了一种可适应宽范围温度变化的多通道高精度模拟量输出板卡,并成功服务于实际无人机测试系统中。试验结果表明,本系统能够实现64路单独控制的-10～10 V的模拟量电压信号输出,通过温度校准使之可以适应0～85 ℃范围内的温度变化,并保证其输出电压的误差均控制在±0.5 mV以内。

1 总体设计方案

根据模块化设计思想并结合实际项目指标需求,本系统采用FPGA作为主控芯片,通过千兆以太网、RS422或LVDS接口与其他设备交互数据和指令,可根据实际情况选择合适的接口;通过SPI串行接口控制2个D/A转换芯片AD5372,每个AD5372芯片提供32路模拟量;每一路模拟量信号均通过由LT6023组成的电压跟随器输出,以提高电路电压信号输出能力;为了适应不同工作环境下的温度变化,通过单总线接口与DS18B20温度传感器通讯,实时检测温度变化。除此以外系统还有电源管理模块,完成系统中各个器件所需电压的转换。系统的总体框图如图1所示。

图1 系统总体框图

2 关键硬件电路设计

2.1 系统电源管理模块设计

为确保系统正常运行,要求电源模块提供足够的功率,支持所有功能子模块的供电,同时系统内各子模块对电源的需求不同,需要电源模块提供符合标准的电压。在本模拟量输出板卡中,D/A转换芯片、电压跟随电路均需要±15 V的双电源供电,D/A转换芯片的基准电压电路需要15 V供电,提供5 V基准电压给D/A芯片,温控芯片需要5 V供电,故采用TPS65131电源芯片,该芯片能提供最高±15 V的双输出电源,而仅需2.7～5.5 V的供电电压。主控FPGA电源轨通过TLV62130电源芯片进行供电。外部电源输入为+24 V的直流电压,通过TP5430转换模块获得5 V的输出电压给2块电源转换芯片供电。

对于需要直流供电的设备,系统设计了24 V输入反接保护电路,其电路如图2所示。在电源正常工作期间,电流通过MOS管的体二极管流向负载端,给负载供电,MOS管导通;当电源极性反转时,栅极电压变为正电压,并将MOS管关断,从而保护后级电路免受负电压影响。

图2 输入反接保护电路原理图

2.2 D/A转换电路设计

数模转换电路是直流量输出板卡的核心,其转换精度直接影响输出电压精度,因此选择合适的D/A芯片十分重要[11]。本设计要求输出64路、电压范围在-10～+10 V的模拟量信号,综合考虑系统指标、芯片体积、功耗等方面的影响,系统搭载了2片DAC芯片AD5372来实现此功能。AD5372是一款电压输出型DAC芯片,分辨率为16 bit,支持最高50 MHz的标准串行SPI接口,简化电路及程序设计。每片AD5372在单封装中集成32个DAC通道和32个输出放大器,可提供多种独立的输出电压范围,另外还有允许用户可编程失调和增益的系统校准功能,可根据输出误差调节寄存器值完成不同温度下的校准。

D/A转换电路包含除DAC芯片AD5372组成的转换电路本身以外,还需要ADR435BRZ组成高精度基准电压电路。在本设计要求中,输出电压范围为-10～+10 V,输出跨度20 V。根据芯片数据手册可知AD5372的输出电压跨度等于需提供的参考电压的4倍,故选用ADR435BRZ提供DAC参考电压,电压值为5 V,其电路原理图如图3所示。此外,为了增强输出电压信号的驱动能力、起到隔离和缓冲的作用,在D/A转换电路后需要加入电压跟随电路,由于本设计输出64路模拟量信号,故共选用64片LT6023芯片组成电压跟随器。

2.3 温度采集电路设计

根据设计要求,板卡要能在0～85 ℃条件下稳定输出,因此温度反馈是必要的。本设计选用DS18B20温度传感器实现温度测量与反馈,其测温范围是-55～+125 ℃,满足设计要求。DS18B20使用单总线数据接口,有效降低硬件电路复杂性,其电路原理图如图4所示。

图4 温度采集电路原理图

2.4 数据通信电路设计

无人机测试系统不仅需要通过工控计算机控制模拟量输出,同时还要与其他系统内的板卡通过RS422、LVDS接口交互数据,故需要设计3路通信电路。选择RTL8211E协议芯片实现千兆以太网功能,以实现与工控计算机的通信。RTL8211E为QFN封装,且无需变压器耦合,大大降低了板卡硬件设计复杂度,有效减小电路面积,更易实现板卡在机柜中的安装。RS422选择ADM3491协议芯片实现,该芯片最高可实现10 Mbit/s的串行通信速度。对于LVDS接口,选用SN65LVDS388实现接收功能,选用SN65LVDS389实现发送功能。

3 温度校准流程设计

3.1 系统温度校准原理

对于AD5372芯片,每个DAC通道具有7个数据寄存器,其结构如图5所示。根据控制寄存器中A/B位的设置,实际DAC数据字可以写入X1A或X1B输入寄存器。如果A/B位为0,数据写入X1A寄存器。如果A/B位为1,数据写入X1B寄存器。此位是一个全局控制位,影响器件中的所有DAC通道,在本设计中,A/B位设置为0,数据写入X1A寄存器。每个DAC通道还有一个增益寄存器M和一个偏置寄存器C,用于消除整个信号链的增益和偏置误差。X1A寄存器的数据通过数字乘法器和加法器调整处理,后两者受寄存器M和C的内容控制。校准后的DAC数据存储在X2A寄存器中。同样,该乘法器和加法器也会对X1B寄存器的数据进行调整处理,并存储在X2B寄存器中。X2A和X2B寄存器输出的数据,通过一个多路复用器路由至最终DAC寄存器,并输出模拟量。

图5 单个DAC通道相关寄存器

除上述寄存器以外,AD5372芯片还具备组偏置寄存器OFS,该寄存器对所有输出通道有效,利用该特性可对芯片输出做初步的调整,使输出电压处于设计要求范围附近,即粗标定。

在本设计中,要求系统能在0～85 ℃范围内精准输出模拟量,故需要进行温度标定。利用芯片每个通道都具备增益寄存器和偏置寄存器的特性,系统在不同温度下调节两寄存器的值,使得输出模拟量在设计范围内,并将寄存器值与对应温度按输出通道写入上位机软件。在系统正常工作过程中,硬件电路实时向上位机反馈工作温度,上位机根据温度修改各输出通道的增益寄存器M和偏置寄存器C,实现不同温度下的精准稳定输出。

3.2 DAC粗标定过程

系统上电后需要进行初始化操作,逻辑控制单元会首先通过SPI串行接口,对AD5372芯片的组偏置寄存器OFS和输入数据寄存器X1A写入相应初始化数据,以实现板卡各输出通道初始状态为0 V,且输出范围-10～+10 V。DAC输出电压的关系如式(1)所示。

(1)

式中:Vref为参考电压,Vref=5 V;DACCODE为AD5372芯片的输入数据寄存器X2A的16位数据,每个DAC通道一个,存储的值为各个通道的偏置寄存器C和增益寄存器M校正后存储最终校准的DAC数据,既不可读也不可直接写;OFFSETCODE为写入组偏置寄存器OFS的14位数据。

DACCODE的数值应与输出电压线性对应,故当DAC输出0 V时,应有式(2):

(2)

式中:DACCODEmin为DAC的最小码值;DACCODEmax为DAC的最大码值。

将DACCODEmin=0x0000、DACCODEmax=0xFFFF代入式(2),可得DACCODE=0x7FFF,再将DACCODE=0x7FFF和Vref=5 V代入式(1),可得偏置码OFFSETCODE=0x1FFF。组偏置寄存器OFS对所有通道有效,上述过程仅使DAC输出大致符合要求,还需通过各个通道的偏置寄存器C和增益寄存器M进一步进行精细标定。

3.3 DAC细标定原理

AD5372芯片提供与通道一一对应的偏置寄存器C和增益寄存器M,可实现对单个通道的精细标定。完成粗调工作后,假设得到DAC输出的实际信号曲线和理想曲线如图6(a)所示,二者的误差可以分为偏置误差和增益误差。偏置误差是指当输入DACCODE为0x0000,即理论输出电压值应为-10 V时,实际输出值与理论输出值的差值。增益误差是指当输入DACCODE为0xFFFF,即理论输出电压值为10 V时,实际输出值与理论输出值的差值,增益误差不包括偏置误差。

(a)DAC输出曲线图

为了达到高精度的输出结果,需要对输出误差进行校准,校准过程如下:

首先进行偏置误差校准:将输出设为最低码值,即0x0000,此时理论输出电压值为-10 V;测量实际输出电压,将其与理论值进行比较,由此便得到零电平误差;计算与该误差相当的LSB数,将此数加到偏置寄存器C的默认值中。完成偏置误差校准之后的效果如图6(b)所示。

完成偏置误差校准后,再进行增益误差校准:将输出设为最高码值,即0xFFFF,此时理论输出电压值为+10 V;测量实际输出电压,将其与理论值进行比较,由此便得到增益误差;计算与该范围误差相当的LSB数,从增益寄存器M的默认值中减去此数。完成增益误差校准后的效果如图6(c)所示,即可得到与理想曲线重合的实际曲线,完成了误差校准。

3.4 温度标定过程

基于细标定原理,在25 ℃工作环境下,对某一输出通道进行标定并保存标定信息。使该通道工作在0～85 ℃下,分别测量在不同温度下其输出的零刻度电压(-10 V)与满刻度电压(+10 V),结果如图7和图8中的实线所示。可以看出随着温度变化,在非25 ℃工作环境下,其输出会有超出误差范围的情况。

图7 指令电压-10 V时温度-输出电压曲线

图8 指令电压10 V时温度-输出电压曲线

为了减小其他温度下的输出误差,需要进行温度标定。温度标定的具体流程如下:

1)将板卡上电放置温箱中,并引出第一输出通道测试线缆至高精度万用表;

2)设置温箱温度为0 ℃,并保持3 min;

3)设置电压值为-10 V,读取万用表示数,根据偏置误差校准原理,计算偏置寄存器C的值并保存;

4)设置电压值为10 V,读取万用表示数,根据增益误差校准原理,计算增益寄存器M的值并保存;

5)以5 ℃为步进修改温箱温度,重复步骤2)和步骤3),直至完成0～85 ℃的标定;

6)更改输出通道,重复步骤1)～步骤5),完成所有通道标定,并将标定数据保存在上位机中。

完成温度标定后,其结果如图7和图8中的虚线所示,可以看出,标定后输出电压在设计要求温度范围内误差均小于±0.5 mV。

4 测试结果和分析

为验证校准的最终效果,以5 V为步进,在全温度范围下进行输出测试,测试环境如图9所示。利用CTPS701B高低温快速温度变化试验箱,配合34410A高精度万用表测量输出数据,通过上位机进行指令发送,控制输出及校准。上位机软件通过Visual Studio平台进行开发,编程语言为C#,上位机界面如图10所示。

图9 温度实验测试环境

图10 上位机界面

通过试验测试系统的输出电压,测试结果如表1所示。结果表明本系统在0～85 ℃的温度变化范围内,所有的输出电压误差均小于±0.5 mV,符合设计要求。

表1 输出电压结果 V

5 结束语

本文从适应宽范围温度变化的角度出发,设计了一款应用于无人机测试系统中的多通道高精度模拟量输出板卡,介绍了板卡主要的硬件电路组成、温度校准的原理和实现过程,通过实验验证了板卡的可行性,并且测试结果反映了板卡的输出指标达到预期的范围。设计的板卡已经安装到了无人机测试系统的机柜中,通过了整机上电测试和联调,相关产品已交付使用。实践证明本设计可以应用于生产使用中,具备良好的实用价值。