基于STM32和AD5791实现单路超高精度可调电压电路的设计

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 。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  。

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  。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。

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