数字微调10V电压基准

超音速蜗牛

数字微调10V电压基准

撰写者：超音速蜗牛@河畔工作室

关键词：电压基准；精密电子学

摘要

本文中介绍了一种采用DAC进行数字微调的低成本电压基准装置。该装置旨在将电压基准设计中最繁复的电压微调环节简化、进而取代“金属箔电阻网络串并连阻值微调”环节。

该装置设计特点是，不堆料、零代码，并且达到了关键器件LM399的手册指标。

声明

本文的撰写目的是在开源社区、技术讨论社区介绍一类方法；本文中介绍的方法，大概率已经有前人实现，欢迎读者在评论区补充。本文中大多数知识都是“据我所知”，由于撰写者的水平有限，疏漏之处也请读者在评论区补充。

前言

传统上，电压基准是被Fluke、WaveTek等几家仪表大厂垄断的精密电子仪器，向来以开发难度大、价格高昂著称。然而自从著名网友zlymex在38hot.net论坛上发表的一系列关于精密电子学的文章以来，国内爱好者群体在电压基准制作上已经达到相当高的水准、甚至部分替代Fluke中低端型号。

原理上DIY电压基准一般采用如图1所示拓扑。其中，齐纳稳压管D1一般采用LM399或LTZ1000。二者是最为常见的恒温深埋齐纳电压基准芯片。LM399粗筛后可以达到6位半水平，是Keithley2000、HP34401等经典6位半表的核心器件。LTZ1000则更高，最高可以达到8位半水平。二者都是Linear Technology公司的产品。LT被ADI收购后，也推出了诸如ADR1399、ADR1001等新产品，据说指标更高。但我窃以为此类“洗号”行为更主要的目的是将LT的历史声望转移给ADI。

此外，就我所知，LM399这个级别的电压基准，并无可替代的国产产品。我所知国内最高水平的电压基准是2DW14系列，是从2DW232中筛选出来的。2DW232是温度补偿表面钝化的齐纳基准管，我测试过长期稳定度很差，并不适合作为电压基准长期保存。

图1，电压基准的一般电路拓扑。齐纳二极管D1提供的基准电压U1放大输出。放大器的增益由R1，R2电阻网络的比值决定。

温度补偿齐纳二极管的电压一般是 6.2~7.1 V 之间，这是半导体工艺决定的最佳补偿区间。这一点在现代数字仪表中问题不大，在数字运算中乘个系数即可。但是作为长期保存的电压基准，人类更习惯的显然是整数数值，例如10V，1V，1.018V。根据图1所示的电路，以LM399为例，要将6.9V的基准电压转化位精确的10V电压，需要对R1、R2的阻值进行精确的设计。R1、R2电阻的相对温度系数、相对稳定性也是决定基准温度系数和长期稳定性的关键因素。因此R1、R2的指标要求也是比较高的，一般采用金属箔电阻或精密绕线电阻，至少也应当是RX70或同级别的电阻。

这也是爱好者制作电压基准最麻烦的一个环节：如何将具备一定分散性的、7V左右的齐纳电压，转化为准确的10V电压，以适应使用者的人类直觉——俗称“7转10”。7转10一般有两个办法：

• 用一系列精密电阻串并联，拼凑出需要的阻值。例如图2所示的 Selena2211 制作的 LTZ1000 电压基准，使用了一系列的金属箔电阻串并联。
• 放弃7转10 ，保留齐纳管原生电压。例如图3所示 TiN 制作的 LTZ1000 电压基准。
  
  
  

图2，Selena2211 制作的 LTZ1000 电压基准，采用金属箔电阻网络串并联作为7转10分压电阻。

图3，TiN 制作的 LTZ1000 电压基准，保留原生 7V 齐纳管电压。

当然，除了以上两种处理方法，也有其它变通的选项，例如使用 PWM 甚至精密 DAC 作为分压比例器。但是这些办法都各有其技术或成本上的困难，这里不一一赘述。

我也一直困于 7转10 的问题，我实在不愿意花费巨大成本搜罗一大批各色阻值的金属箔电阻、去搞串并联调整，一直都在考虑利用低成本 DAC 内置的比例电阻网络替代或部分替代 7转10 的电阻网络。从目前东家离职前后，终于抽出时间来着手设计。其核心思路是：

• 先使用金属箔电阻，将基准电压升压到 10V 附近，偏差控制在 100mV 以内，这样只需要一些非常常见的阻值即可；
• 然后使用 DAC、从升压网络中吸收或吐出一个较小的电流、提供大约100mV 的微调范围。这样即使 DAC 的稳定性和温度系数不太好（例如 50PPM ），但是由于微调范围很小，输出电压的指标仍然主要由 LM399 和金属箔电阻网络决定。
  
  
  

图4，采用 DAC 微调的基准拓扑。

方法

根据图4所示的电路拓扑，原理上当然是没问题的。实际操作上会有个问题，DAC 的参考电压如何选取。最直接的办法当然是用基准输出的 10V 电压作为 DAC 参考，这是一种自举（bootstrap）方法。但是很少有 DAC 芯片能承受 10V 的基准电压。之前我采取过这样的方法：用 7905 产生一个 -5V 电压替代图4中的地电平，这样基准输出相对0电平就是5V。LDO的性能当然绝不可能达到基准级别，0V和5V之间、-5V和0V之间的电压都不准确，但是-5V和+5V之间的电压是准确的，可惜实测效果很差，DAC还是需要稳定的0电平和稳定的负电压参考，相对稳定度不能替代绝对稳定度。

随后我改版了设计，采用了如图5所示的拓扑，这个设计采用了相当复杂的多级自举供电：

• 整个系统输出 ±5V 基准电压；其中 +5V 是齐纳管的电压经电阻网络升压、DAC微调之后的主输出、-5V 是+5V经1:1比例电阻精密反相产生的辅助输出；
• 齐纳管的供电，正负端都使用 ±5V基准电压；
• DAC的电压参考也使用 ±5V 基准电压。
  
  
  

图5，采用 DAC 微调的基准拓扑，引入了多级的自举供电。

将主输出对地电压从 10V 改成 ±5V，带了的最重要的便利之处是，有很多经典的 DAC 可供选择，例如物美价廉的 AD569。如果只使用单端参考电压，甚至还可以使用AD5541这样的现代 DAC。当然，我的设计目标是零代码，能直接用旋转编码器控制的AD569肯定是我的首选。

各电阻的选取原则遵循以下三点：

• 主比例电阻网络 R1、R2 是决定比例的最关键电阻，由于自举设计，这个电阻的选取变得非常简单，使用常见的2K、3K、100R电阻，就可以在100mV的微调范围内逼近 +5V 输出。这两个电阻选取精密金属箔电阻。
• 反相比例电阻 R4、R5 也是直接决定10V 电压准确度的电阻。由于比例是1:1，这一对电阻的选取格外简单，随便找一对阻值接近的电阻即可。
• 微调电阻 R6 根据 DAC 的输出，从主比例电阻中抽取或输入电流，微调系统输出。这个电阻本身也会轻微影响主比例电阻的系数，因此要选取得尽量大、至少也是主比例电阻得100倍以上。由于微调范围很小，微调电阻 R6 选取RX70级别的绕线电阻即可。
  
  
  

完整的原理图、电路实体如图6、7所示。实际电路中放大器增加了扩流、防短路等标准操作，DAC直接用旋转编码开关控制，整个设计中没有任何可编程部件、甚至没有任何数字电路。当然这不是为了抗干扰——基准电路属于典型的低阻电路，抗干扰能力极强几乎不需要采取抗干扰措施——只是为了降低调节操作的复杂度，避免连计算机和调试线缆。

系统采用标准的 12V DC 插孔供电。内部用隔离电源模块将12V转化为±15V，然后通过 LDO 稳压到 ±12V。这个系统中并没有高频大电流，采用7805、7905这类经典稳压管是完全够用的，并不需要的LT3045之类的花里胡哨的高级货。爱好者的一大特点是堆料，本设计中尽量反其道行之。

图6，实际电路原理图。

图7，电路焊接成品。

实测结果还是不错的，用 keithley 2450 的统计功能看，10PLC 下 标准差 4.6uV，6.5位只跳动最后一位。基本是LM399的手册性能。如图8所示。当然，源表准确性一般不如高位万用表，我只用了它的统计功能，测量时尚未微调。

图8，用源表自带的统计功能统计电压波动，测试时尚未微调。

用八位半将表微调到 10.00000V 整数值，一把螺丝刀拧编码开关就行，轻松又愉快。调整完后目测跳动不超过10uV，基本就是LM399的标准性能。

图9，将基准微调到 10V 整数值。截图是运气，实际会有不超过10uV波动。

结语

本文介绍了一种采用DAC微调制作电压基准的方法，显著降低了10V电压基准设计和微调的复杂度和工作量。其设计特点是，不堆料，零代码。实际微调操作中，一把螺丝刀即可。

文中介绍的装置粗测符合LM399的手册指标。由于时间限制，本文中没有测试基准的长期稳定性、温度漂移等多参数，但可以理论上预测其指标也应当取决于LM399。文本中的电路仍有可改进的地方，例如将DAC的参考电压从±5V变更为0~5V、采用电池或工频变压器等更高性能电源等等不一而足。这些测试和改进工作未来将择机推进。

参考

lymex 超级电压基准DIY历史 https://bbs.38hot.net/forum.php?mod=viewthread&tid=1276

Selena2211 https://bbs.38hot.net/forum.php?mod=viewthread&tid=184365&extra=page%3D1

TiN https://www.eevblog.com/forum/metrology/(ft)-ltz1000a-fairy-tale-or-the-story-of-little-jumper/