摘 要： 介紹了多功能單片機MSC1210和16位D/A轉(zhuǎn)換器AD5061的功能特點及精密電阻儀的設計思想和工作原理，突出關鍵器件的選用和高精度低溫漂恒流源電路設計。采用輸出電流經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換反饋回單片機的外部閉環(huán)誤差調(diào)整和由運算放大器等構(gòu)成深度負反饋的內(nèi)部閉環(huán)穩(wěn)定系統(tǒng)，實現(xiàn)高精度恒流輸出和精細測量目標。
關鍵詞： MSC1210；AD5061；A/D轉(zhuǎn)換；D/A轉(zhuǎn)換；恒流源
精密電阻的測量關鍵要解決高精度恒流源和精密電壓準確、分辨率高的電壓檢測系統(tǒng)。如果流過被測電阻電流太小，在電阻上產(chǎn)生的壓降很小，則對檢測電路的設計提出更高的要求；如果選擇電流過大，電阻將產(chǎn)生焦爾熱，大多電阻對溫度敏感，影響測量精度，尤其是電爆螺栓、電爆管等，在使用時都要進行配對測試，測量電流控制不好，則會有潛在危險。因此，設計一款檢測電流很小且可手控的精密電阻測試儀十分必要。
新型多功能單片機的出現(xiàn)，使這一復雜問題簡單化。使用MSC1210為控制核心研制的精密電阻測試儀，恒流輸出最小為50 nA，步進為1 nA，恒流輸出最大為63.5 mA，電壓檢測通道最高分辨電壓為1 nV，滿足特殊精密電阻測量的要求。
1 系統(tǒng)硬件設計
系統(tǒng)由精密電壓測量通道和精密恒流輸出通道2大部分組成，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。采用四線電阻測量法，可以克服線路阻抗對測量的影響。
1.1 核心器件選擇
MSC1210是新型多功能微處理器（簡稱MCU），內(nèi)核與8051系統(tǒng)兼容，但速度快3倍速，RAM 1 280 B，閃存32 KB，集成了具有輸入緩沖、數(shù)字濾波、增益自動校正功能的可編程放大器，放大倍數(shù)在1～128可調(diào)，溫漂小于1.255 ppm/℃；8通道24 bit低噪聲高精度A/D轉(zhuǎn)換器和可編程看門狗定時器等電路。
雖然MCU內(nèi)部集成有2.5 V的高精度電壓基準源，為了便于數(shù)值運算，使用了外置的電壓基準REF191，穩(wěn)定電壓為2 048 mV，最大誤差為±2 mV，最大溫度漂移小于5 ppm/℃。
AD5061是一款性價比極高的16 bit D/A轉(zhuǎn)換器，最大溫漂小于20 ppm/℃，8腳SOT-23封裝，有標準的SPI接口，能夠滿足該系統(tǒng)需要。內(nèi)部功能如圖2所示。
1.2 電路系統(tǒng)設計
1.2.1 恒流源電路設計
對精密電阻進行準確測量，恒流源的精度至關重要。而影響恒流源精度的要素是電壓/電流轉(zhuǎn)換和恒流輸出驅(qū)動電路的設計。恒流源電路如圖3所示。
AD5061在ＭＣＵ控制下工作。當寫入代碼“０”時，Ｖin輸出０ Ｖ，寫入65535時，則Ｖin輸出2.048 Ｖ。代碼變化1位，輸出電壓變化31.25 V。
IC4A、BG1、R3和R6構(gòu)成第一級具有深度負反饋的電壓電流轉(zhuǎn)換電路。VMOS三極管為電壓控制器件，源極、漏極與柵極絕緣的，在本電路中流經(jīng)BG1漏極與流經(jīng)源極的電流Ι1完全相等，不像普通三極管，基極電流影響測控精度。當AD5061輸出Ｖin后，BG1源極電壓Vs1維持與Ｖin相等，當漏極電流增加時，則源極電壓增加，反饋到IC4A的反相輸入端，使IC4A輸出端電壓降低，使BG1柵極電壓降低，從而強制通過BG1電流Ι1減少，維持VS1與Ｖin相等。
Ι1=Vin/R6（1）
IC4B和BG2構(gòu)成恒流功率輸出，工作原理與第一級電壓電流轉(zhuǎn)換電路相同。根據(jù)電路，I1×R3=I2×R9，輸出電流
I2=（Ι1×R3）/R9（2）
由式（1）和（2）得：
I2=（R3×Vin）/（R9×R6）（3）
如果R6=R3，則：I2=Vin/R9。
由式（3）可見，只要基準電壓穩(wěn)定并選擇好R9、R6、R3，就能使輸出電流穩(wěn)定。
電路中R6=R3=1 kΩ，選用金封金屬箔電阻，R9=31.25 Ω，錳銅線自繞。
1.2.2 精密電壓測量電路設計
由于測量電流非常微小，在被測電阻上產(chǎn)生的電壓也是很微弱，為了準確提取有用的信號，要增大放大電路放大倍數(shù)，并提高A/D轉(zhuǎn)換靈敏度。
首先通過MCU內(nèi)部功能寄存器設定放大為差動輸入，AIN0為CH0通道的“+”，AIN1為CH0通道的“-”，用于檢測被檢電阻的電壓；AIN2為CH1通道的“+”，AIN3為CH1通道的“-”，用于檢測流經(jīng)被測電阻的電流，為穩(wěn)定恒流輸出形成大回路閉環(huán)控制。
通過MCU內(nèi)部功能寄存器開啟輸入緩沖，提高輸入阻抗，減少對被測電路的影響；開啟SinC3數(shù)字濾波器，降低系統(tǒng)和外部輸入噪聲影響；開啟自動校正功能，克服放大增益誤差、偏移的影響。
放大器有1、2、4、8、16、32、64、128 8擋放大倍數(shù)，系統(tǒng)自動選擇放大倍數(shù)，當CH0通道A/D轉(zhuǎn)換值不足2 V時，放大倍數(shù)自動增加，直到最大。也可手動設置。而CH1通道參數(shù)固定，A/D轉(zhuǎn)換值與設定值相比較，用于修正輸出電流。R1是電流采樣。
繼電器K是本系統(tǒng)特設，用于校準輸出電流和靜電放電。
按鍵掃描電路和顯示驅(qū)動電路不再詳述。
2 軟件設計
軟件采用Keil C51編寫，使用模塊化結(jié)構(gòu)。主要有LCD顯示、按鍵掃描、A/D轉(zhuǎn)換、驅(qū)動AD5061進行D/A轉(zhuǎn)換和數(shù)據(jù)處理等，其主程序邏輯結(jié)構(gòu)如圖4所示。該系統(tǒng)應用之一就是武器系統(tǒng)的電爆管的測試。對電爆管測試前，根據(jù)電爆管參數(shù)要求，設定檢測電流，等穩(wěn)定后，接入系統(tǒng)進行測試。
精密電阻儀樣機完成后，進行整機調(diào)試、環(huán)境實驗、計量檢定等實驗，性能良好，參數(shù)穩(wěn)定，輸出電流最大誤差為±5 nA，電爆管電阻的最大相對誤差小于0.1%，滿足設計要求。該系統(tǒng)成本低、精度高，應用范圍寬，有較高的推廣價值。
參考文獻
[1] Texas Instruments.MSC1210 debugging strategies for high-precision smart sensors[EB/OL].http：//www.ti.com.cn/cn/lit/an/slyt110/slyt110.pdf.
[2] 馬忠梅，籍順心，張凱，等.單片機的C語言應用程序設計[M].北京：北京航空航天大學出版社，1999.
[3] 宏晶科技.STC12C5410系列單片機用戶手冊[EB/0L].（2008-08-15）[2009-05-05].http：//www.mcu-memory.com.
[4] 徐龍紅，杜軍，張紅印.線陣圖像傳感器TCD1208AP在桑蠶選種中的應用[J].電子設計工程，2011，19（6）：125-127.
[5] 杜軍.提高嵌入式系統(tǒng)可靠性的探討與實踐[J].單片機與嵌入式系統(tǒng)應用，2006（4）：15-16.