??? 摘? 要： 提出了一種高精度的電壓檢測(cè)技術(shù)方案及實(shí)現(xiàn)方法。介紹了高精度電壓檢測(cè)的硬、軟件設(shè)計(jì)及軟件校準(zhǔn)技術(shù)與方法，重點(diǎn)闡述AD采樣電壓的全自動(dòng)校準(zhǔn)方法，以消除AD芯片自身的固有偏差。?

??? 關(guān)鍵詞： 單片機(jī)小系統(tǒng)； AD采樣； 自動(dòng)校準(zhǔn)

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??? 為保證移動(dòng)通訊覆蓋范圍的通訊質(zhì)量，在移動(dòng)基站開(kāi)局應(yīng)用后，需要隨時(shí)對(duì)基站輸入、輸出等信號(hào)強(qiáng)度進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)和控制，這實(shí)際上就是對(duì)功放輸入、輸出射頻信號(hào)的檢波電壓進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)。但由于CDMA、GSM等高頻功放產(chǎn)品在生產(chǎn)使用過(guò)程中，功放蓋板、傳輸距離、溫度等都會(huì)對(duì)檢波電壓有一定的影響，這就對(duì)檢波電壓檢測(cè)精度提出了更高的要求，以保證基站射頻信號(hào)強(qiáng)度計(jì)算的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性。?

??? 本文針對(duì)高精度的電壓檢測(cè)精度要求及AD芯片AD7859BS的電壓檢測(cè)特點(diǎn)，提出了電壓校準(zhǔn)的技術(shù)方案和實(shí)現(xiàn)方法。經(jīng)過(guò)實(shí)踐，可將最大量程2.5V時(shí)AD芯片電壓檢測(cè)的絕對(duì)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(duì)射頻信號(hào)強(qiáng)度檢測(cè)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(hào)功放的批量生產(chǎn)時(shí)，統(tǒng)計(jì)了大約5 000塊有AD7859BS芯片的測(cè)試板測(cè)試數(shù)據(jù)：在接近滿量程時(shí)偏差較大，AD采樣偏差最小0x0～0x03個(gè)碼值，最大0xa6～0xa9個(gè)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(cè)試板進(jìn)行高低溫試驗(yàn)，低溫-10℃保持4小時(shí)，或高溫+75℃保持3小時(shí)后，分別進(jìn)行AD采樣測(cè)試，當(dāng)輸入信號(hào)相同時(shí)，偏差與常溫下相比不超過(guò)0x0～0x02個(gè)碼值，即隨著時(shí)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(cè)技術(shù)方案?

??? 通過(guò)對(duì)上述AD7859BS芯片采樣數(shù)據(jù)進(jìn)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(shí)的偏差又是相對(duì)固定的，并且不受溫度的影響。因此，高精度電壓檢測(cè)技術(shù)方案可以采用電壓校準(zhǔn)分段修正的方法，即：將AD采樣電壓分段修正到真實(shí)電壓。考慮到校準(zhǔn)用高精度數(shù)字萬(wàn)用表、測(cè)試電纜和計(jì)算等誤差，因此該方案可以將電壓采樣絕對(duì)精度提高到5mV以內(nèi)。?

3 高精度電壓檢測(cè)實(shí)現(xiàn)方法?

??? 高精度電壓檢測(cè)技術(shù)方案的具體實(shí)現(xiàn)過(guò)程為：利用單片機(jī)小系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)硬件系統(tǒng)，然后確定電壓自動(dòng)校準(zhǔn)方法和通訊協(xié)議，最后通過(guò)單片機(jī)小系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)和計(jì)算機(jī)自動(dòng)校準(zhǔn)軟件進(jìn)行電壓校準(zhǔn)和采數(shù)驗(yàn)證。?

3.1 單片機(jī)小系統(tǒng)硬件實(shí)現(xiàn)?

??? 單片機(jī)小系統(tǒng)硬件主要包括單片機(jī)、復(fù)位及看門(mén)狗、AD、運(yùn)放、E²PROM、串行轉(zhuǎn)換等幾部分。其中E²PROM用于電壓校準(zhǔn)系數(shù)的存??；串行轉(zhuǎn)換芯片用于單片機(jī)與計(jì)算機(jī)之間的RS232電平轉(zhuǎn)換；考慮到被測(cè)對(duì)象輸出阻抗的影響，測(cè)試信號(hào)經(jīng)過(guò)運(yùn)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(jī):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(hào)的產(chǎn)生及I/O信號(hào)控制測(cè)量，采用Verilog設(shè)計(jì)EPLD程序；?

??? E²PROM芯片:AT24C64，64KB存儲(chǔ)容量，I²C串行接口；?

??? 電源電壓監(jiān)控芯片:MAX706S，實(shí)現(xiàn)硬件看門(mén)狗功能；?

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

??? 電壓基準(zhǔn)芯片:MAX6192，給AD芯片提供標(biāo)準(zhǔn)2.5V電壓參考信號(hào)；?

??? 串行轉(zhuǎn)換芯片:ADM3202ARN，實(shí)現(xiàn)低電壓到計(jì)算機(jī)接口的232通訊電平轉(zhuǎn)換；?

??? 運(yùn)放芯片:LM324，電壓跟隨，消除被測(cè)信號(hào)輸出阻抗影響。?

3.2 電壓自動(dòng)校準(zhǔn)方法及串行通訊協(xié)議?

3.2.1 電壓自動(dòng)校準(zhǔn)方法?

??? 分段對(duì)AD7859BS采樣電壓(0～2.5V)進(jìn)行直線擬合，利用兩點(diǎn)決定一條直線的方法，擬合出AD輸入的真實(shí)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(shí)電壓，以達(dá)到減少誤差的目的。其中AD輸入信號(hào)通過(guò)數(shù)字電壓源輸出，真實(shí)電壓通過(guò)FLUKE 六位半高精度數(shù)字萬(wàn)用表進(jìn)行測(cè)量。?

??? 電壓校準(zhǔn)原理框圖如圖2所示。具體校準(zhǔn)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(duì)于第一段，電壓源輸出0V時(shí)，測(cè)試板AD芯片測(cè)量電壓值記為x₁,數(shù)字萬(wàn)用表測(cè)量值記為y₁，即第一個(gè)點(diǎn)（x₁，y₁）；電壓源輸出0.25V時(shí)，測(cè)試板AD芯片測(cè)量電壓值記為x₂,數(shù)字萬(wàn)用表測(cè)量之記為y₂，即第二個(gè)點(diǎn)（x₂，y₂）；兩點(diǎn)決定一條直線，可以算出所有段的校準(zhǔn)系數(shù)k₁，b₁……k_n，b_n。單片機(jī)軟件根據(jù)y=k_n x+b_n，就可以計(jì)算出各段校準(zhǔn)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(cè)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(guò)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(zhǔn)之后電壓采集數(shù)據(jù)消息。?

3.3單片機(jī)小系統(tǒng)與計(jì)算機(jī)自動(dòng)校準(zhǔn)軟件設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)?

3.3.1 單片機(jī)小系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)?

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

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??? 初始化：對(duì)單片機(jī)小系統(tǒng)的寄存器、中斷源、串行通訊波特率等進(jìn)行初始化。?

??? AD數(shù)據(jù)采集與計(jì)算：采用軟件濾波方法，對(duì)連續(xù)20次采樣數(shù)據(jù)去除最大、最小點(diǎn)后，再進(jìn)行平均。?

??? E²PROM存?。簩?duì)計(jì)算出的AD各采樣通道各段的校準(zhǔn)系數(shù)進(jìn)行存儲(chǔ)。?

??? AD校準(zhǔn)數(shù)據(jù)處理：對(duì)平均后的AD原始采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行校準(zhǔn)計(jì)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(jiàn)3.4中說(shuō)明。?

??? 看門(mén)狗：軟件可恢復(fù)性措施。?

3.3.2 計(jì)算機(jī)自動(dòng)校準(zhǔn)軟件設(shè)計(jì)?

??? 如果采用人工手動(dòng)操作儀表、測(cè)試數(shù)據(jù)記錄、計(jì)算并存取校準(zhǔn)系數(shù)等，則對(duì)一塊測(cè)試板一個(gè)通道的校準(zhǔn)就需要大約2～3小時(shí)，并易造成人為誤差或錯(cuò)誤，因此不能滿足使用需要。為此，采用Borland C++ Builder 6.0設(shè)計(jì)了計(jì)算機(jī)自動(dòng)校準(zhǔn)軟件，校準(zhǔn)一個(gè)測(cè)試板的所有8個(gè)通道僅需要3～5分鐘的時(shí)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(duì)儀表工作參數(shù)、儀表GPIB地址、AD量程、校準(zhǔn)分段數(shù)、被校準(zhǔn)的AD通道等進(jìn)行配置，使用初始配置文件。?

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

??? (3)校準(zhǔn)流程控制：依次進(jìn)行每個(gè)測(cè)量通道的信號(hào)電壓設(shè)定、原始采樣數(shù)據(jù)讀取、數(shù)字萬(wàn)用表的測(cè)量電壓讀取、各分段的校準(zhǔn)系數(shù)計(jì)算、校準(zhǔn)系數(shù)下發(fā)等。?

??? (4)串行通訊：采用主動(dòng)方式向測(cè)試板發(fā)送消息，發(fā)送過(guò)程包括組幀、加幀頭幀尾、加校驗(yàn)；中斷方式接收單片機(jī)軟件上報(bào)的數(shù)據(jù)，并對(duì)接收數(shù)據(jù)進(jìn)行去校驗(yàn)、去幀頭幀尾、拆幀。?

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

??? (6)校準(zhǔn)結(jié)果驗(yàn)證：信號(hào)源輸出某一電壓時(shí)，將測(cè)試板讀取的AD校準(zhǔn)后的電壓與數(shù)字萬(wàn)用表測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，判斷校準(zhǔn)操作的正確性。?

3.4 AD通道自動(dòng)校準(zhǔn)和采集數(shù)據(jù)驗(yàn)證?

??? 按照?qǐng)D2組建自動(dòng)校準(zhǔn)系統(tǒng)，啟動(dòng)自動(dòng)校準(zhǔn)軟件，執(zhí)行“自動(dòng)校準(zhǔn)”可自動(dòng)完成所選通道的電壓自動(dòng)校準(zhǔn)，執(zhí)行“采集數(shù)據(jù)驗(yàn)證”可自動(dòng)完成所選通道的校準(zhǔn)結(jié)果驗(yàn)證。?

4 應(yīng)用結(jié)果 ?

??? 試驗(yàn)過(guò)程中記錄的一組校準(zhǔn)前后的電壓測(cè)量對(duì)比數(shù)據(jù)如表1所示。表1的測(cè)試數(shù)據(jù)表明，經(jīng)過(guò)校準(zhǔn)，可將測(cè)試板的電壓測(cè)量絕對(duì)精度提高到5mV以內(nèi)。?

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??? 采用此電壓校準(zhǔn)技術(shù)的測(cè)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(cè)試活動(dòng)中，并實(shí)現(xiàn)了基站開(kāi)局后對(duì)功放輸入、輸出、駐波等信號(hào)強(qiáng)度的準(zhǔn)確檢測(cè)，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(cè)技術(shù)方案是一種簡(jiǎn)單實(shí)用的技術(shù)方案，該方案對(duì)于以AD芯片為核心的精確電壓測(cè)量系統(tǒng)開(kāi)發(fā)活動(dòng)具有一定的推廣價(jià)值。?

參考文獻(xiàn)?

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

[2]?李朝青. 單片機(jī)原理及接口技術(shù). 北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2003.?

[3] 袁輝.Borland C++ Builder高級(jí)編程.北京：科學(xué)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.