基于數(shù)字電位器的直流偏置技術(shù)

摘要 針對基于數(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傳輸或通信以及影響另一個信號測量的非正常有害信號。
現(xiàn)代社會各種信號廣泛覆蓋，使得電路之間的信號干擾愈加頻繁，電磁兼容性(EMC)已經(jīng)成為在設(shè)計電路伊始需要重點(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間，在接收端限制必要帶寬信號、采用選頻濾波器及電源去耦設(shè)計，在信號傳輸過程中消除噪聲耦合等方法以減少正常信號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)計原則
在一般的電源設(shè)計電路中，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)動能力。同時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2 mV。
(3)輸出電流為≥20mA。
2．2 設(shè)計遵循的幾個原理
(1)由于器件容易受到外部信號和噪聲的干擾，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)信號連接線采用屏蔽線連接，這樣可有效阻止外部電磁輻射對系統(tǒng)的干擾。
(2)由于工業(yè)供電和市電等均為交流電，會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。在市電供電的環(huán)境下，對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)為保證被測器件參數(shù)的精準(zhǔn)性，設(shè)置了偏置電壓回采監(jiān)測，直流偏置按照低噪聲目標(biāo)進(jìn)行設(shè)計和實(shí)現(xiàn)。
(4)模塊之間的隔離。一般電路設(shè)計中，由于數(shù)字部分對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。
3．1 微控制器模塊的選擇
C8051F系列單片機(jī)是美國Cygnal公司設(shè)計制造的混合信號片上系統(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。