摘要：為實現恒電位儀給定電壓低速掃描時電壓高精度、線性好及降低設計成本，設計了一種簡單可行的電壓掃描系統。該系統以STC89C51為主控器件，通過單片機IO口模擬SPI通信接口來控制16位數模轉換芯片DAC8831，DAC8831根據預先輸入的D／A控制字將數字信號轉換成模擬電壓，借助于外部運放實現雙極性電壓輸出。實驗結果表明，該系統輸出電壓范圍為-4～+4 V、電壓分辨率可達0．125 mV，低速電壓掃描線性度好，具有應用靈活、外圍電路簡單，可靠性高的特點。
關鍵詞：DAC8831；單片機；恒電位儀；OPA277

    恒電位儀是電化學測試中的重要儀器，用它可以控制電極電位為指定值，以達到恒電位極化的目的。通過改變恒電位儀的輸入給定電壓，以改變電極上的電位值，即電壓掃描電路。傳統的電壓掃描電路采用手動逐點調節(jié)、機械傳動調節(jié)或是由計數器及運算放大器組成的簡易數模轉換電路來實現掃描電壓的調整，控制精度低、穩(wěn)定性較差、線性度差、電路復雜，且受溫度影響較大。16位數模轉換器DAC8831具有
高精度、高穩(wěn)定性等優(yōu)點。將其與STC89C51單片機構成電壓掃描電路應用于恒電位儀中，電路結構簡單、成本低，具有高精確度、高穩(wěn)定性、高線性度，完全能夠滿足恒電位儀低速掃描要求，且通過編程還可實現多種波形的輸出，擴展能力強。

1 16位數模轉換器DAC8831
1．1 DAC8831概述
    DAC8831是TI公司的一款16位電壓輸出型數模轉換器，具有轉換速度快、超低功耗(最低15μW)、高精度(DAC8831ICD最大線性誤差不超過±1 LSB)、低輸出噪聲、高速SPI接口(最高可達50MHz)、上電自動校零等優(yōu)勢，非常適用于小型儀器、手持移動設備。
1．2 DAC8831引腳排列
    DAC8831引腳排列如圖1所示。

    各引腳功能如下：
    RFB：反饋電阻接入端，在雙極性輸出時連接到外部運放的輸出端：
    Vout：數模轉換器模擬電壓輸出端；
    AGNDF、AGNDS：模擬地；
    VREF-S、VREF-F：參考電壓輸入端，連接到外部參考電壓；
    ：片選端，當為低電平時數據進入SDI端口；
    SCLK：串行時鐘輸入端：
    NC：無內部連接；
    SDI：串行數據輸入端，在SCLK的上升沿數據被鎖存到輸入寄存器；
    ：DA轉換器加載輸入端，低電平有效。當為低電平時，DAC鎖存器同步更新輸入寄存器的內容；
    DGND：數字地；
    INV：內部比例電阻連接端。在雙極性輸出時連接到外部運放的反向輸入端；
    VDD：模擬電源端，+3～+5V。
1．3 DAC8831使用方法
1. 3．1 基準源電路
    為了使數模轉換芯片的輸出更加穩(wěn)定，對DA芯片的基準源就要有一定要求，基準源必須是低溫溧、高精度、高穩(wěn)定性，通用基準源芯片有TL431、LM336等，溫漂系數基本可以達到20～30 ppm／℃，綜合易用性、計算方便性等因素，本系統采用的是TI公司生產的REF5040I精密基準源芯片，該芯片具有最大為3 ppm／℃極低溫漂系數、最大誤差為0．05％的高精度值以及極低的噪聲3 μVPP／V，且具有高達10 mA的輸出電流，輸出電壓為4．096 V，最小步進正好是0,125mV，完全適合作為16位高精度數模轉換器的基準源。該芯片電路結構簡單，外圍元件少，應用電路如圖2所示。

1．3. 2 DAC8831兩種輸出模式
    DAC8831可以結合外部運放實現單極性(0～VREF)和雙極性(-VREF～+VREF)兩種輸出模式，恒電位儀中必須使用正負電壓掃描，故采用雙極性輸出，電路如圖3所示。雙極性輸出模式下DAC輸入控制數字量與模擬輸出值之間的對應關系表1所示。

1．3．3 DAC8831工作時序及其接口電路
    根據的狀態(tài)，DAC8831可以呈現出兩種時序，但是工作方式基本一致。在此僅討論為低電平時的工作時序。
    數據傳輸由芯片選擇信號(片選信號)來構成，DA轉換器以總線從設備進行工作。總線主控產生同步時鐘信號SCLK并啟動傳輸過程。當為高電平時，DA轉換器不進入轉換工作，SCLK和SDI都不作用。當總線主控將變成低電平時，DA轉換器緊隨的高低躍變開始轉換工作。SD I端的串行輸入數據同步地從總線主控SCLK的下降沿移出，在SCLK的上升沿鎖存到輸入移位寄存器，MSB高位在先。低到高的轉變使得輸入移位寄存器的內容傳送到輸入寄存器，所有數據寄存器都是16位，通過16個SCLK時鐘周期將效據字一位一位傳送出來。當16個數據字傳送完畢，緊接著第16個時鐘周期后必須變?yōu)楦唠娖?。工作時序如圖4示。

    DAC8831采用標準的3線制SPI串行接口，所以可以方便的與DSP及各種單片機連接，它與單片機的接口主要有兩種工作方式：一是與CPU的串行口相連，單片機的串行口以同步方式工作，但是會占用串口資源；二是利用普通I／O口來模擬SH的工作方式，方便擴展。大多數51單片機沒有SPI接口，在此選用第二種工作方式，用51單片機進行通訊時把DAC8831的通訊口SDI、SCLK、CS分別與51單片機的P1.0、P1.1、P1.2口連接，按照工作時序模擬SPI工作過程即可。

2 DAC8831的軟件編程
    用51單片機IO口模擬SPI，用Keil C51編寫的DA轉換子程序及注解如下所示：

    通過以上轉換子程序，再通過編程即可實現恒電位儀掃描初始電壓的設定及掃描速度的設定，從而使恒電位儀的電壓掃描實現智能化。

3 實驗數據
    在進行電壓測試時，為減小輸出誤差，外部運放應選擇低噪聲低溫漂的高精度運放(OPA277等)及高精度低溫漂的基準源(REF5020、REF5 040等)，對外部運放要進行調零或直接采用斬波穩(wěn)零運放(如LTC1052等)，本文系統使用OPA277和REF5040。通過調整電壓數字量來改變模擬輸出電壓值，使用Thurlby 1905a數字表對系統電壓輸出端進行監(jiān)測，預設電壓和實測電壓數據對比如表2所示。

    由表2分析可知，系統輸出電壓可實現-4～+4 V連續(xù)變化，且實際誤差小于0．15％，分辨率也達到了0．125 mV，完全滿足恒電位儀中低速掃描對線性度、穩(wěn)定度及分辨率的要求。

4 誤差分析
    對誤差的來源作如下分析，在雙極性輸出模式下，輸出電壓V0-BIP計算公式如下：
   
    式(1)中V0-UNI為單極性下的輸出電壓，VOS為外部運放的輸入失調電壓，RD為圖3中RFB與RINV的匹配誤差，A為放大器的開環(huán)增益。
    V0-UNI表達式如下：
   
    式(2)中D為DAC輸入電壓數字量，VREF為基準源電壓，VGE為電壓增益誤差，VZSE為電壓零刻度誤差，INL為電壓整體非線性失真。
    以上兩式中，D是由使用者根據需要輸入的該項不會帶來誤差，最終誤差主要來自以下兩個方面：1)VZSE、INL、RD是由DAC8831自身參數決定的，這是固有誤差，由于DAC8831本身性能優(yōu)異，因此該誤差控制的較好；2)VOS、A、VREF、VGE均是由外部運放及基準源性能指標決定的，也就是說外部運放及基準源性能好壞直接影響整體的輸出誤差，這也是影響誤差的主要因素。
    不同的運放及基準源性能差異較大，由以上分析可得，要想提高整機性能，必須采用高精度基準源及低放大失真、低輸入偏置電壓、高開環(huán)增益的高性能運放，因此選擇REF5040及OPA277來改善性能，如果能使用比OPA277性能更加優(yōu)越的運放如斬波穩(wěn)零放大器，輸出誤差可進一步減小。

5 結論
    恒電位儀在使用外部掃描信號輸入時可以測量多種電壓變化場合下合金的性能。傳統恒電位儀實現電壓掃描電路復雜、穩(wěn)定性差、體積功耗大，而采用DAC8831芯片及圖3中的輸出模式可以實現雙極性電壓的連續(xù)變化、高線性度和高穩(wěn)定性，且外圍元件少、功耗低、性價比高，并可通過編程實現各種輸出波形。
    在實際使用中還需注意，由于DA轉換器精度高，容易受外部干擾，所以在布線時必須注意數字地和模擬地要盡量分開，可采用一點接地，電源端和參考電壓端需加旁路電容。應用DAC8831數模轉換芯片制作的電壓線性掃描電路已成功應用在恒電位儀中，實現了掃描電壓的智能化設置。