??? 摘? 要： 提出了一種高精度的電壓檢測技術(shù)方案及實現(xiàn)方法。介紹了高精度電壓檢測的硬、軟件設(shè)計及軟件校準技術(shù)與方法，重點闡述AD采樣電壓的全自動校準方法，以消除AD芯片自身的固有偏差。?

??? 關(guān)鍵詞： 單片機小系統(tǒng)； AD采樣； 自動校準

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??? 為保證移動通訊覆蓋范圍的通訊質(zhì)量，在移動基站開局應(yīng)用后，需要隨時對基站輸入、輸出等信號強度進行實時檢測和控制，這實際上就是對功放輸入、輸出射頻信號的檢波電壓進行實時檢測。但由于CDMA、GSM等高頻功放產(chǎn)品在生產(chǎn)使用過程中，功放蓋板、傳輸距離、溫度等都會對檢波電壓有一定的影響，這就對檢波電壓檢測精度提出了更高的要求，以保證基站射頻信號強度計算的準確性和穩(wěn)定性。?

??? 本文針對高精度的電壓檢測精度要求及AD芯片AD7859BS的電壓檢測特點，提出了電壓校準的技術(shù)方案和實現(xiàn)方法。經(jīng)過實踐，可將最大量程2.5V時AD芯片電壓檢測的絕對精度從100mV提高至5mV以內(nèi)，從而保證了功放生產(chǎn)和應(yīng)用中對射頻信號強度檢測精度的要求。?

1 AD7859BS采樣數(shù)據(jù)分析?

??? AD7859BS是ADI公司的一種A/D轉(zhuǎn)換器，該芯片具有3~5.5V供電、8通道、12位、并行口轉(zhuǎn)換輸出等特性。?

??? 在某型號功放的批量生產(chǎn)時，統(tǒng)計了大約5 000塊有AD7859BS芯片的測試板測試數(shù)據(jù)：在接近滿量程時偏差較大，AD采樣偏差最小0x0～0x03個碼值，最大0xa6～0xa9個碼值，即如果其參考電壓為2.5V，則最大偏差電壓大約為103mV；再抽取5塊偏差大的測試板進行高低溫試驗，低溫-10℃保持4小時，或高溫+75℃保持3小時后，分別進行AD采樣測試，當輸入信號相同時，偏差與常溫下相比不超過0x0～0x02個碼值，即隨著時間和溫度的變化，AD采樣值基本恒定，偏差在1mV之內(nèi)。?

2 高精度電壓檢測技術(shù)方案?

??? 通過對上述AD7859BS芯片采樣數(shù)據(jù)進行分析可以得出：總體上，AD芯片采樣電壓偏差存在不一致性，但每一塊AD芯片在某一輸入電壓時的偏差又是相對固定的，并且不受溫度的影響。因此，高精度電壓檢測技術(shù)方案可以采用電壓校準分段修正的方法，即：將AD采樣電壓分段修正到真實電壓?？紤]到校準用高精度數(shù)字萬用表、測試電纜和計算等誤差，因此該方案可以將電壓采樣絕對精度提高到5mV以內(nèi)。?

3 高精度電壓檢測實現(xiàn)方法?

??? 高精度電壓檢測技術(shù)方案的具體實現(xiàn)過程為：利用單片機小系統(tǒng)實現(xiàn)硬件系統(tǒng)，然后確定電壓自動校準方法和通訊協(xié)議，最后通過單片機小系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)和計算機自動校準軟件進行電壓校準和采數(shù)驗證。?

3.1 單片機小系統(tǒng)硬件實現(xiàn)?

??? 單片機小系統(tǒng)硬件主要包括單片機、復位及看門狗、AD、運放、E²PROM、串行轉(zhuǎn)換等幾部分。其中E²PROM用于電壓校準系數(shù)的存取；串行轉(zhuǎn)換芯片用于單片機與計算機之間的RS232電平轉(zhuǎn)換；考慮到被測對象輸出阻抗的影響，測試信號經(jīng)過運放跟隨后再送給AD采樣通道。小系統(tǒng)原理框圖如圖1所示。?

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??? 各組成部分選型如下：?

??? 單片機:SST公司SST89V564，8052內(nèi)核，具有RS-232軟件下載功能；?

??? EPLD:LC4064V-75T100C，用于各片選信號的產(chǎn)生及I/O信號控制測量，采用Verilog設(shè)計EPLD程序；?

??? E²PROM芯片:AT24C64，64KB存儲容量，I²C串行接口；?

??? 電源電壓監(jiān)控芯片:MAX706S，實現(xiàn)硬件看門狗功能；?

??? AD芯片:AD7859BS，8 通道，12位，并行口轉(zhuǎn)換輸出；?

??? 電壓基準芯片:MAX6192，給AD芯片提供標準2.5V電壓參考信號；?

??? 串行轉(zhuǎn)換芯片:ADM3202ARN，實現(xiàn)低電壓到計算機接口的232通訊電平轉(zhuǎn)換；?

??? 運放芯片:LM324，電壓跟隨，消除被測信號輸出阻抗影響。?

3.2 電壓自動校準方法及串行通訊協(xié)議?

3.2.1 電壓自動校準方法?

??? 分段對AD7859BS采樣電壓(0～2.5V)進行直線擬合，利用兩點決定一條直線的方法，擬合出AD輸入的真實電壓與AD采樣值之間的一條直線，將AD采樣電壓修正到真實電壓，以達到減少誤差的目的。其中AD輸入信號通過數(shù)字電壓源輸出，真實電壓通過FLUKE 六位半高精度數(shù)字萬用表進行測量。?

??? 電壓校準原理框圖如圖2所示。具體校準方法如下:

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??? 如果將0～2.5V分為10段，則第一段為0～0.25V，第二段為0.25V～0.5V……。對于第一段，電壓源輸出0V時，測試板AD芯片測量電壓值記為x₁,數(shù)字萬用表測量值記為y₁，即第一個點（x₁，y₁）；電壓源輸出0.25V時，測試板AD芯片測量電壓值記為x₂,數(shù)字萬用表測量之記為y₂，即第二個點（x₂，y₂）；兩點決定一條直線，可以算出所有段的校準系數(shù)k₁，b₁……k_n，b_n。單片機軟件根據(jù)y=k_n x+b_n，就可以計算出各段校準后的電壓值。?

3.2.2串行通訊協(xié)議?

??? 通訊模塊物理層是RS232通訊協(xié)議為“38400,N,8,1”、應(yīng)用層采用測試擬定協(xié)議，所有通訊命令加幀頭、幀尾0x7e，為防止丟幀現(xiàn)象，通訊消息均經(jīng)過換碼處理。?

??? 應(yīng)用層主要包括：原始電壓采集數(shù)據(jù)消息、電壓擬合系數(shù)存E2PROM消息、電壓擬合系數(shù)E2PROM讀取消息、校準之后電壓采集數(shù)據(jù)消息。?

3.3單片機小系統(tǒng)與計算機自動校準軟件設(shè)計實現(xiàn)?

3.3.1 單片機小系統(tǒng)軟件設(shè)計實現(xiàn)?

??? 單片機軟件在Keil uVision3編譯環(huán)境下，使用C51進行開發(fā)，調(diào)試通過并編譯生成運行文件*.hex或*.bin，再將運行文件通過RS232口直接下載到單片機里即可。單片機軟件的功能結(jié)構(gòu)如圖3所示。?

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??? 初始化：對單片機小系統(tǒng)的寄存器、中斷源、串行通訊波特率等進行初始化。?

??? AD數(shù)據(jù)采集與計算：采用軟件濾波方法，對連續(xù)20次采樣數(shù)據(jù)去除最大、最小點后，再進行平均。?

??? E²PROM存?。簩τ嬎愠龅腁D各采樣通道各段的校準系數(shù)進行存儲。?

??? AD校準數(shù)據(jù)處理：對平均后的AD原始采樣數(shù)據(jù)進行校準計算。?

??? 串行通訊：串行通訊的接收和發(fā)送采用中斷處理方式，處理消息見3.4中說明。?

??? 看門狗：軟件可恢復性措施。?

3.3.2 計算機自動校準軟件設(shè)計?

??? 如果采用人工手動操作儀表、測試數(shù)據(jù)記錄、計算并存取校準系數(shù)等，則對一塊測試板一個通道的校準就需要大約2～3小時，并易造成人為誤差或錯誤，因此不能滿足使用需要。為此，采用Borland C++ Builder 6.0設(shè)計了計算機自動校準軟件，校準一個測試板的所有8個通道僅需要3～5分鐘的時間。軟件結(jié)構(gòu)框圖如圖4所示。

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??? (1)參數(shù)配置：對儀表工作參數(shù)、儀表GPIB地址、AD量程、校準分段數(shù)、被校準的AD通道等進行配置，使用初始配置文件。?

??? (2)測試儀表控制：通過GPIB接口、使用VISA驅(qū)動函數(shù)、調(diào)用儀表指令建立測試儀表連接、設(shè)置儀表工作參數(shù)、讀取測試數(shù)據(jù)等。?

??? (3)校準流程控制：依次進行每個測量通道的信號電壓設(shè)定、原始采樣數(shù)據(jù)讀取、數(shù)字萬用表的測量電壓讀取、各分段的校準系數(shù)計算、校準系數(shù)下發(fā)等。?

??? (4)串行通訊：采用主動方式向測試板發(fā)送消息，發(fā)送過程包括組幀、加幀頭幀尾、加校驗；中斷方式接收單片機軟件上報的數(shù)據(jù)，并對接收數(shù)據(jù)進行去校驗、去幀頭幀尾、拆幀。?

??? (5)校準系數(shù)計算：按照兩點決定一條直線的原理，根據(jù)(y-y₁)/(y₂-y₁)=(x-x₁)/(x₂-x₁),計算出校準系數(shù)k、b。?

??? (6)校準結(jié)果驗證：信號源輸出某一電壓時，將測試板讀取的AD校準后的電壓與數(shù)字萬用表測量數(shù)據(jù)進行對比，判斷校準操作的正確性。?

3.4 AD通道自動校準和采集數(shù)據(jù)驗證?

??? 按照圖2組建自動校準系統(tǒng)，啟動自動校準軟件，執(zhí)行“自動校準”可自動完成所選通道的電壓自動校準，執(zhí)行“采集數(shù)據(jù)驗證”可自動完成所選通道的校準結(jié)果驗證。?

4 應(yīng)用結(jié)果 ?

??? 試驗過程中記錄的一組校準前后的電壓測量對比數(shù)據(jù)如表1所示。表1的測試數(shù)據(jù)表明，經(jīng)過校準，可將測試板的電壓測量絕對精度提高到5mV以內(nèi)。?

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??? 采用此電壓校準技術(shù)的測試板已經(jīng)批量應(yīng)用于本公司的各款功放的生產(chǎn)調(diào)試、測試活動中，并實現(xiàn)了基站開局后對功放輸入、輸出、駐波等信號強度的準確檢測，最大限度保證了基站的覆蓋范圍和通訊質(zhì)量。?

??? 本文介紹的高精度電壓檢測技術(shù)方案是一種簡單實用的技術(shù)方案，該方案對于以AD芯片為核心的精確電壓測量系統(tǒng)開發(fā)活動具有一定的推廣價值。?

參考文獻?

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[3] 袁輝.Borland C++ Builder高級編程.北京：科學出版社，2000.?

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