??? 摘? 要： 提出了一種高精度的電壓檢測技術方案及實現方法。介紹了高精度電壓檢測的硬、軟件設計及軟件校準技術與方法，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。?

??? 關鍵詞： 單片機小系統； 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量，在移動基站開局應用后，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等高頻功放產品在生產使用過程中，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方案和實現方法。經過實踐，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，從而保證了功放生產和應用中對射頻信號強度檢測精度的要求。?

1 AD7859BS采樣數據分析?

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

??? 在某型號功放的批量生產時，統計了大約5 000塊有AD7859BS芯片的測試板測試數據：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。?

2 高精度電壓檢測技術方案?

??? 通過對上述AD7859BS芯片采樣數據進行分析可以得出：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。?

3 高精度電壓檢測實現方法?

??? 高精度電壓檢測技術方案的具體實現過程為：利用單片機小系統實現硬件系統，然后確定電壓自動校準方法和通訊協議，最后通過單片機小系統采集數據和計算機自動校準軟件進行電壓校準和采數驗證。?

3.1 單片機小系統硬件實現?

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

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??? 各組成部分選型如下：?

??? 單片機:SST公司SST89V564，8052內核，具有RS-232軟件下載功能；?

??? EPLD:LC4064V-75T100C，用于各片選信號的產生及I/O信號控制測量，采用Verilog設計EPLD程序；?

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

??? 電源電壓監控芯片:MAX706S，實現硬件看門狗功能；?

??? AD芯片:AD7859BS，8 通道，12位，并行口轉換輸出；?

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

??? 串行轉換芯片:ADM3202ARN，實現低電壓到計算機接口的232通訊電平轉換；?

??? 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輸入信號通過數字電壓源輸出，真實電壓通過FLUKE 六位半高精度數字萬用表進行測量。?

??? 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k₁，b₁……k_n，b_n。單片機軟件根據y=k_n x+b_n，就可以計算出各段校準后的電壓值。?

3.2.2串行通訊協議?

??? 通訊模塊物理層是RS232通訊協議為“38400,N,8,1”、應用層采用測試擬定協議，所有通訊命令加幀頭、幀尾0x7e，為防止丟幀現象，通訊消息均經過換碼處理。?

??? 應用層主要包括：原始電壓采集數據消息、電壓擬合系數存E2PROM消息、電壓擬合系數E2PROM讀取消息、校準之后電壓采集數據消息。?

3.3單片機小系統與計算機自動校準軟件設計實現?

3.3.1 單片機小系統軟件設計實現?

??? 單片機軟件在Keil uVision3編譯環境下，使用C51進行開發，調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構如圖3所示。?

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

??? AD數據采集與計算：采用軟件濾波方法，對連續20次采樣數據去除最大、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進行存儲。?

??? AD校準數據處理：對平均后的AD原始采樣數據進行校準計算。?

??? 串行通訊：串行通訊的接收和發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計?

??? 如果采用人工手動操作儀表、測試數據記錄、計算并存取校準系數等，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。軟件結構框圖如圖4所示。

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??? (1)參數配置：對儀表工作參數、儀表GPIB地址、AD量程、校準分段數、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驅動函數、調用儀表指令建立測試儀表連接、設置儀表工作參數、讀取測試數據等。?

??? (3)校準流程控制：依次進行每個測量通道的信號電壓設定、原始采樣數據讀取、數字萬用表的測量電壓讀取、各分段的校準系數計算、校準系數下發等。?

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

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

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

3.4 AD通道自動校準和采集數據驗證?

??? 按照圖2組建自動校準系統，啟動自動校準軟件，執行“自動校準”可自動完成所選通道的電壓自動校準，執行“采集數據驗證”可自動完成所選通道的校準結果驗證。?

4 應用結果 ?

??? 試驗過程中記錄的一組校準前后的電壓測量對比數據如表1所示。表1的測試數據表明，經過校準，可將測試板的電壓測量絕對精度提高到5mV以內。?

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??? 采用此電壓校準技術的測試板已經批量應用于本公司的各款功放的生產調試、測試活動中，并實現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量。?

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

參考文獻?

[1]?LEE J S， MILLER L E. CDMA系統工程手冊[M].北京：人民郵電出版社，2001.?

[2]?李朝青. 單片機原理及接口技術. 北京：北京航空航天大學出版社，2003.?

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

[4] Angilent Technologies. E6674A用戶編程指南，2000.?

[5] ADAM 4000 series data acquisition modules user’s manual，2005.