摘  要： 提出了一种高精度的电压检测技术方案及实现方法。介绍了高精度电压检测的硬、软件设计及软件校准技术与方法，重点阐述AD采样电压的全自动校准方法，以消除AD芯片自身的固有偏差。 

    关键词： 单片机小系统； AD采样； 自动校准

    为保证移动通讯覆盖范围的通讯质量，在移动基站开局应用后，需要随时对基站输入、输出等信号强度进行实时检测和控制，这实际上就是对功放输入、输出射频信号的检波电压进行实时检测。但由于CDMA、GSM等高频功放产品在生产使用过程中，功放盖板、传输距离、温度等都会对检波电压有一定的影响，这就对检波电压检测精度提出了更高的要求，以保证基站射频信号强度计算的准确性和稳定性。 

    本文针对高精度的电压检测精度要求及AD芯片AD7859BS的电压检测特点，提出了电压校准的技术方案和实现方法。经过实践，可将最大量程2.5V时AD芯片电压检测的绝对精度从100mV提高至5mV以内，从而保证了功放生产和应用中对射频信号强度检测精度的要求。 

1 AD7859BS采样数据分析 

    AD7859BS是ADI公司的一种A/D转换器，该芯片具有3~5.5V供电、8通道、12位、并行口转换输出等特性。 

    在某型号功放的批量生产时，统计了大约5 000块有AD7859BS芯片的测试板测试数据：在接近满量程时偏差较大，AD采样偏差最小0x0～0x03个码值，最大0xa6～0xa9个码值，即如果其参考电压为2.5V，则最大偏差电压大约为103mV；再抽取5块偏差大的测试板进行高低温试验，低温-10℃保持4小时，或高温+75℃保持3小时后，分别进行AD采样测试，当输入信号相同时，偏差与常温下相比不超过0x0～0x02个码值，即随着时间和温度的变化，AD采样值基本恒定，偏差在1mV之内。 

2 高精度电压检测技术方案 

    通过对上述AD7859BS芯片采样数据进行分析可以得出：总体上，AD芯片采样电压偏差存在不一致性，但每一块AD芯片在某一输入电压时的偏差又是相对固定的，并且不受温度的影响。因此，高精度电压检测技术方案可以采用电压校准分段修正的方法，即：将AD采样电压分段修正到真实电压。考虑到校准用高精度数字万用表、测试电缆和计算等误差，因此该方案可以将电压采样绝对精度提高到5mV以内。 

3 高精度电压检测实现方法 

    高精度电压检测技术方案的具体实现过程为：利用单片机小系统实现硬件系统，然后确定电压自动校准方法和通讯协议，最后通过单片机小系统采集数据和计算机自动校准软件进行电压校准和采数验证。 

3.1 单片机小系统硬件实现 

    单片机小系统硬件主要包括单片机、复位及看门狗、AD、运放、E²PROM、串行转换等几部分。其中E²PROM用于电压校准系数的存取；串行转换芯片用于单片机与计算机之间的RS232电平转换；考虑到被测对象输出阻抗的影响，测试信号经过运放跟随后再送给AD采样通道。小系统原理框图如图1所示。 

    各组成部分选型如下： 

    单片机:SST公司SST89V564，8052内核，具有RS-232软件下载功能； 

    EPLD:LC4064V-75T100C，用于各片选信号的产生及I/O信号控制测量，采用Verilog设计EPLD程序； 

    E²PROM芯片:AT24C64，64KB存储容量，I²C串行接口； 

    电源电压监控芯片:MAX706S，实现硬件看门狗功能； 

    AD芯片:AD7859BS，8 通道，12位，并行口转换输出； 

    电压基准芯片:MAX6192，给AD芯片提供标准2.5V电压参考信号； 

    串行转换芯片:ADM3202ARN，实现低电压到计算机接口的232通讯电平转换； 

    运放芯片:LM324，电压跟随，消除被测信号输出阻抗影响。 

3.2 电压自动校准方法及串行通讯协议 

3.2.1 电压自动校准方法 

    分段对AD7859BS采样电压(0～2.5V)进行直线拟合，利用两点决定一条直线的方法，拟合出AD输入的真实电压与AD采样值之间的一条直线，将AD采样电压修正到真实电压，以达到减少误差的目的。其中AD输入信号通过数字电压源输出，真实电压通过FLUKE 六位半高精度数字万用表进行测量。 

    电压校准原理框图如图2所示。具体校准方法如下:

    如果将0～2.5V分为10段，则第一段为0～0.25V，第二段为0.25V～0.5V……。对于第一段，电压源输出0V时，测试板AD芯片测量电压值记为x₁,数字万用表测量值记为y₁，即第一个点（x₁，y₁）；电压源输出0.25V时，测试板AD芯片测量电压值记为x₂,数字万用表测量之记为y₂，即第二个点（x₂，y₂）；两点决定一条直线，可以算出所有段的校准系数k₁，b₁……k_n，b_n。单片机软件根据y=k_n x+b_n，就可以计算出各段校准后的电压值。 

3.2.2串行通讯协议 

    通讯模块物理层是RS232通讯协议为“38400,N,8,1”、应用层采用测试拟定协议，所有通讯命令加帧头、帧尾0x7e，为防止丢帧现象，通讯消息均经过换码处理。 

    应用层主要包括：原始电压采集数据消息、电压拟合系数存E2PROM消息、电压拟合系数E2PROM读取消息、校准之后电压采集数据消息。 

3.3单片机小系统与计算机自动校准软件设计实现 

3.3.1 单片机小系统软件设计实现 

    单片机软件在Keil uVision3编译环境下，使用C51进行开发，调试通过并编译生成运行文件*.hex或*.bin，再将运行文件通过RS232口直接下载到单片机里即可。单片机软件的功能结构如图3所示。 

    初始化：对单片机小系统的寄存器、中断源、串行通讯波特率等进行初始化。 

    AD数据采集与计算：采用软件滤波方法，对连续20次采样数据去除最大、最小点后，再进行平均。 

    E²PROM存取：对计算出的AD各采样通道各段的校准系数进行存储。 

    AD校准数据处理：对平均后的AD原始采样数据进行校准计算。 

    串行通讯：串行通讯的接收和发送采用中断处理方式，处理消息见3.4中说明。 

    看门狗：软件可恢复性措施。 

3.3.2 计算机自动校准软件设计 

    如果采用人工手动操作仪表、测试数据记录、计算并存取校准系数等，则对一块测试板一个通道的校准就需要大约2～3小时，并易造成人为误差或错误，因此不能满足使用需要。为此，采用Borland C++ Builder 6.0设计了计算机自动校准软件，校准一个测试板的所有8个通道仅需要3～5分钟的时间。软件结构框图如图4所示。

    (1)参数配置：对仪表工作参数、仪表GPIB地址、AD量程、校准分段数、被校准的AD通道等进行配置，使用初始配置文件。 

    (2)测试仪表控制：通过GPIB接口、使用VISA驱动函数、调用仪表指令建立测试仪表连接、设置仪表工作参数、读取测试数据等。 

    (3)校准流程控制：依次进行每个测量通道的信号电压设定、原始采样数据读取、数字万用表的测量电压读取、各分段的校准系数计算、校准系数下发等。 

    (4)串行通讯：采用主动方式向测试板发送消息，发送过程包括组帧、加帧头帧尾、加校验；中断方式接收单片机软件上报的数据，并对接收数据进行去校验、去帧头帧尾、拆帧。 

    (5)校准系数计算：按照两点决定一条直线的原理，根据(y-y₁)/(y₂-y₁)=(x-x₁)/(x₂-x₁),计算出校准系数k、b。 

    (6)校准结果验证：信号源输出某一电压时，将测试板读取的AD校准后的电压与数字万用表测量数据进行对比，判断校准操作的正确性。 

3.4 AD通道自动校准和采集数据验证 

    按照图2组建自动校准系统，启动自动校准软件，执行“自动校准”可自动完成所选通道的电压自动校准，执行“采集数据验证”可自动完成所选通道的校准结果验证。 

4 应用结果  

    试验过程中记录的一组校准前后的电压测量对比数据如表1所示。表1的测试数据表明，经过校准，可将测试板的电压测量绝对精度提高到5mV以内。 

    采用此电压校准技术的测试板已经批量应用于本公司的各款功放的生产调试、测试活动中，并实现了基站开局后对功放输入、输出、驻波等信号强度的准确检测，最大限度保证了基站的覆盖范围和通讯质量。 

    本文介绍的高精度电压检测技术方案是一种简单实用的技术方案，该方案对于以AD芯片为核心的精确电压测量系统开发活动具有一定的推广价值。 

参考文献 

[1] LEE J S， MILLER L E. CDMA系统工程手册[M].北京：人民邮电出版社，2001. 

[2] 李朝青. 单片机原理及接口技术. 北京：北京航空航天大学出版社，2003. 

[3] 袁辉.Borland C++ Builder高级编程.北京：科学出版社，2000. 

[4] Angilent Technologies. E6674A用户编程指南，2000. 

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