基于數(shù)字電位器的直流偏置技術(shù)

摘要 針對(duì)基于數(shù)字電位器的直流偏置技術(shù)進(jìn)行了研究，從理論上進(jìn)行了噪聲對(duì)直流偏置源影響的分析，重點(diǎn)討論了利用微控制器、數(shù)字電位器等相關(guān)器件，實(shí)現(xiàn)了直流偏置源的關(guān)鍵技術(shù)方法，對(duì)電路算法進(jìn)行了仿真分析證明，此方法噪聲低、步行調(diào)節(jié)靈活、精度高。在實(shí)際應(yīng)用中工作可靠、穩(wěn)定，符合技術(shù)人員工作指標(biāo)要求。
關(guān)鍵詞 直流偏置；噪聲；仿真分析

直流偏置源為電子有源器件或系統(tǒng)提供一定的偏置電壓，可廣泛用于軍事系統(tǒng)及民用產(chǎn)品以及特殊行業(yè)，如石油化工、航空航天等工業(yè)設(shè)計(jì)中。直流偏置技術(shù)的實(shí)現(xiàn)方法較多。本文根據(jù)直流偏置源應(yīng)用的實(shí)際環(huán)境和要求，采用工控機(jī)通過CAN通信與微控制器進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸，微控制器又通過SPI串行通信控制數(shù)字電位器組合電路的方法實(shí)現(xiàn)偏置電壓的輸出。此方法噪聲低、步進(jìn)調(diào)節(jié)靈活、精準(zhǔn)度高，在實(shí)際應(yīng)用中工作可靠、穩(wěn)定，符合工作指標(biāo)及要求。

1 電子系統(tǒng)中噪聲的定義
噪聲作為影響高精度電子設(shè)備性能的主要因素，越來越受到關(guān)注。器件噪聲的大小直接影響著電子器件質(zhì)量、可靠性及靈敏度，同時(shí)也影響著其應(yīng)用中電路或系統(tǒng)的整體性能和指標(biāo)。噪聲可以被定義為干擾電子信號(hào)傳輸或通信以及影響另一個(gè)信號(hào)測(cè)量的非正常有害信號(hào)。
現(xiàn)代社會(huì)各種信號(hào)廣泛覆蓋，使得電路之間的信號(hào)干擾愈加頻繁，電磁兼容性(EMC)已經(jīng)成為在設(shè)計(jì)電路伊始需要重點(diǎn)注意的問題。一般考慮在噪聲源頭采用屏蔽及限制脈沖上升時(shí)間，在接收端限制必要帶寬信號(hào)、采用選頻濾波器及電源去耦設(shè)計(jì)，在信號(hào)傳輸過程中消除噪聲耦合等方法以減少正常信號(hào)與噪聲之間的干擾和串?dāng)_。

2 直流偏置源的性能指標(biāo)和設(shè)計(jì)原則
在一般的電源設(shè)計(jì)電路中，不僅需要考慮電源輸出電壓的精度，還要考慮輸出電流的驅(qū)動(dòng)能力。同時(shí)還要采用一定的濾波網(wǎng)絡(luò)、磁珠隔離等方法進(jìn)行濾波，整體考慮電源及選用器件的噪聲指標(biāo)，選取合適且噪聲低的器件是保證電路整體低噪聲的重要手段。
2．1 偏置源的主要性能指標(biāo)
直流偏置源的設(shè)計(jì)需要考慮整體噪聲指標(biāo)和輸出電壓的精度以及電流的驅(qū)動(dòng)能力。綜合相關(guān)文獻(xiàn)，并結(jié)合偏置源實(shí)際應(yīng)用的系統(tǒng)要求，提出了以下關(guān)于直流偏置源的一些技術(shù)指標(biāo)。
(1)輸出電壓范圍為0～5V。
(2)輸出調(diào)節(jié)方式為可編程步進(jìn)調(diào)節(jié)，步長(zhǎng)2 mV。
(3)輸出電流為≥20mA。
2．2 設(shè)計(jì)遵循的幾個(gè)原理
(1)由于器件容易受到外部信號(hào)和噪聲的干擾，所以需要采用一定的屏蔽措施。如偏置部分采用屏蔽盒安裝，系統(tǒng)信號(hào)連接線采用屏蔽線連接，這樣可有效阻止外部電磁輻射對(duì)系統(tǒng)的干擾。
(2)由于工業(yè)供電和市電等均為交流電，會(huì)從外部帶入不必要的干擾諧波，直接影響系統(tǒng)的噪聲指標(biāo)量級(jí)。在市電供電的環(huán)境下，對(duì)模擬部分的干擾更為明顯。簽于以上情況，電路的模擬部分均采用純凈鋰電池供電的方式以降低電路噪聲。
(3)為保證被測(cè)器件參數(shù)的精準(zhǔn)性，設(shè)置了偏置電壓回采監(jiān)測(cè)，直流偏置按照低噪聲目標(biāo)進(jìn)行設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)。
(4)模塊之間的隔離。一般電路設(shè)計(jì)中，由于數(shù)字部分對(duì)模擬部分噪聲干擾較大，須將從數(shù)字部分傳輸?shù)侥M部分的信號(hào)進(jìn)行光耦隔離，以防止數(shù)字部分的干擾串入模擬部分。同時(shí)各組件內(nèi)數(shù)字地和模擬地用磁珠連接，各組件之間單點(diǎn)共地后接入大地。
(5)工控機(jī)部分采用CAN通信和微控制器實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸，微控制器采用SPI通信和數(shù)字電位器實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸。
基于以上設(shè)計(jì)原則，直流偏置電路的總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

3 直流偏置源的硬件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)
考慮到偏置源應(yīng)用的實(shí)際環(huán)境和指標(biāo)要求，選用特定的器件來完成電路硬件設(shè)計(jì)。
3．1 微控制器模塊的選擇
C8051F系列單片機(jī)是美國(guó)Cygnal公司設(shè)計(jì)制造的混合信號(hào)片上系統(tǒng)單片機(jī)，共主要模塊包括模擬外設(shè)、片內(nèi)JTAG調(diào)試和邊界掃描、高速控制器內(nèi)核、數(shù)字外設(shè)等。
C8051F04x系列器件是真正能獨(dú)立工作的片上系統(tǒng)(Soc)，此系列器件具有以下基本功能：
(1)C8051F04x系列利用CIP-51的內(nèi)核，與標(biāo)準(zhǔn)8051內(nèi)核完全兼容。
(2)C8051F04x系列的COP-51內(nèi)核采用流水線結(jié)構(gòu)，與標(biāo)準(zhǔn)8051結(jié)構(gòu)相比，指令執(zhí)行速度有較大提高。
(3)C8051F04x系列單片機(jī)在CIP-51內(nèi)核的基礎(chǔ)上增加了一些外設(shè)，因而提高了整體性能，使其更適合于實(shí)際應(yīng)用。
(4)C8051F04x具有可編程I／O和交叉開關(guān)，同時(shí)還具有所需要的SPI和CAN通信。
基于以上C8051F04x所擁有的基本功能，此款微處理器完全能夠滿足直流偏置電路中MCU所需的數(shù)據(jù)收發(fā)通訊、電壓回踩等要求。