基于數(shù)字電位器的直流偏置技術(shù)[圖]

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2mV。
(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(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。

3.2 電源模塊的設(shè)計(jì)

3.2.1 鋰電池電池組電路

直流偏置部分的鋰電池供電+12V和-12V，電路如圖2所示。

電源噪聲不僅影響自身電路設(shè)備的正常工作，而且也使電源本身的可靠性顯著降低。結(jié)合此次研發(fā)項(xiàng)目的實(shí)際情況，由于直流偏置部分對(duì)于噪聲指標(biāo)要求較高，所以采用可充電鋰電池供電的方法來從源頭上抑制外來噪聲的影響。

3.2.2 基準(zhǔn)電壓源電路

基準(zhǔn)電壓源產(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn)的+5V電壓，利用數(shù)字電位器組合電路對(duì)其進(jìn)行分壓，以保證0～5V步進(jìn)偏置電壓的輸出，基準(zhǔn)電壓源ADR445電路如圖3所示。

首先在+12V輸入端進(jìn)行了LC濾波網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)，通過此網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)可有效降低噪聲從源頭上帶入的影響。同時(shí)在ADR445芯片前的輸入端采用10μF電容可以提高線路電壓瞬態(tài)性能，而在ADR445芯片的輸入和輸出端使用0.1μF電容則可以使其穩(wěn)定工作。ADR44x系列芯片具有一個(gè)TRIM引腳，該引腳允許用戶可在一定范圍內(nèi)調(diào)整器件的輸出電壓。

3.2.3 線性電源電路

LT1962是一款低噪聲、驅(qū)動(dòng)能力強(qiáng)、靜態(tài)電流低的線性電源。另外，LT1962芯片不需要二極管穩(wěn)壓保護(hù)，輸入電壓范圍為1.8～20.0V，固定輸出有1.5V，1.8V，2.5V，3V，3.3V和5V，可調(diào)節(jié)輸出電壓范圍為1.22～20.00V。同時(shí)，LT1962還具有電壓反接保護(hù)、過電流和高溫保護(hù)等功能。

低噪聲線性電源LT1962-5電路如圖4所示。

在設(shè)計(jì)中根據(jù)實(shí)際需要，將LT1962的ADJ/SEN引腳通過電阻連接至OUT引腳和地，這樣可以通過調(diào)節(jié)變阻器的阻值，在一定范圍內(nèi)調(diào)整芯片OUT輸出端的電壓大小。同時(shí)，將BYT引腳通過0.01μF的旁路電容連接至OUT引腳，這樣可有效減小輸出端的噪聲。

3.3 光電隔離模塊的設(shè)計(jì)

在一般的電路設(shè)計(jì)中，數(shù)字部分對(duì)模擬部分的干擾較為明顯，不僅需要將數(shù)字地和模擬地在物理上隔離，還需要將從數(shù)字部分到模擬部分的信號(hào)傳輸進(jìn)行物理隔離，這就需要光電耦合器電路。光電耦合器是目前在單片機(jī)和開關(guān)電源中用得最多的隔離抗干擾器件?；贓MC電磁干擾方面的考慮，選用光電耦合器TLP521-4隔離直流偏置電路中單片機(jī)數(shù)字部分與數(shù)字電位器模擬部分的電氣連接。光電隔離模塊TLP521-4是一款具有完整基極一發(fā)射極、性能優(yōu)良的固定延時(shí)光電耦合器，它具有最優(yōu)轉(zhuǎn)換速度、高溫性能等特點(diǎn)。光電耦合器TLP521-4電路如圖5所示。

在TLP521-4輸出端采用+5V的上拉電阻設(shè)計(jì)。這樣可以有效地提高光電耦合器輸出端的驅(qū)動(dòng)能力。

3.4 精準(zhǔn)偏置電壓模塊的設(shè)計(jì)

數(shù)字電位器是一種可用數(shù)字信號(hào)控制電位器滑動(dòng)端開關(guān)位置而改變阻值的一類變阻器。數(shù)字電位器因?yàn)槠涫褂脡勖L，調(diào)節(jié)方便、準(zhǔn)確、易操作、受環(huán)境因素影響小、噪聲小以及性能穩(wěn)定等特點(diǎn)，被廣大電子工程技術(shù)人員所青睞。數(shù)字電位器具有記憶和非記憶性功能，選擇具有記憶功能的數(shù)字電位器，可以將當(dāng)前滑動(dòng)端的調(diào)節(jié)位置保存在非易失性存儲(chǔ)器中，再次上電后會(huì)自動(dòng)恢復(fù)為上次滑動(dòng)端的調(diào)節(jié)位置，這樣可以消除再次調(diào)節(jié)而帶來的手動(dòng)誤差；選擇非記憶性功能的數(shù)字電位器，則在再次上電后系統(tǒng)自動(dòng)復(fù)位。鑒于科研項(xiàng)目的相關(guān)要求，選擇帶有記憶性功能、噪聲小、抗震動(dòng)、尺寸小并且壽命長的數(shù)字電位器AD8403。

利用數(shù)字電位器AD8403組合電路分壓+5V基準(zhǔn)電壓，以達(dá)到輸出0～5V偏置電壓的要求。數(shù)字電位器AD8403的應(yīng)用電路如圖6所示。

AD8403是美國AD公司生產(chǎn)的一種4通道，有256個(gè)分支點(diǎn)的數(shù)字電位器，也稱數(shù)控可變電阻器。數(shù)字電位器實(shí)質(zhì)上是一種特殊形式的數(shù)模轉(zhuǎn)換器，但其模擬量輸出不是電壓和電流而是電阻或電阻比率，所以又稱為RDAC。AD8403含有4個(gè)獨(dú)立的RDAC，采用24引線SOIC封裝。這兩種器件均可在擴(kuò)展工業(yè)溫度范圍-40～+85℃工作。每個(gè)獨(dú)立的RDAC都有兩個(gè)固定端A和B及一個(gè)滑動(dòng)觸點(diǎn)W。其中W距B端的位置由置入串行輸入寄存器中的數(shù)碼決定。固定端A與B之間的電阻一般分為3種類型：10kΩ，50kΩ和100kΩ。在這里根據(jù)實(shí)際需要選擇AD8403A100，即100kΩ。

AD8403的滑動(dòng)端W的位置是由經(jīng)過其SPI口輸入的串行數(shù)據(jù)決定的。當(dāng)AD8403的引腳輸入信號(hào)為低電平有效時(shí)，則表示此數(shù)字電位器被選中，在時(shí)鐘脈沖的作用下將10位串行數(shù)據(jù)由AD8403的串行數(shù)據(jù)輸入(SDI)引腳。這10位數(shù)據(jù)的格式為：A1、A0、D7、D6、D5、D4、D3、D2、D1。其中前兩位為地址選擇位，地址位A1A0=00，01，10，11分別對(duì)應(yīng)RDAC1、RDAC2、RDAC3和RDAC4。后8位是數(shù)據(jù)位，用來調(diào)節(jié)滑動(dòng)端W的位置。AD8403的SPI時(shí)序圖如圖7所示。

利用Matlab仿真，如圖6所示的數(shù)字電位器組合電路，其仿真結(jié)果達(dá)到了預(yù)期目的。利用Matlab軟件生成的三維圖像，可直觀地看出理論分析的輸出結(jié)果。仿真三維圖像如圖8所示。

3.5 射隨輸出模塊的設(shè)計(jì)

一般電路設(shè)計(jì)中，使用射隨電路主要有兩個(gè)目的：

(1)在輸入級(jí)，有時(shí)一個(gè)信號(hào)要被分配到多個(gè)下級(jí)輸入上，但前一級(jí)的輸出能力有限，這時(shí)就可以使用射隨電路。在保持信號(hào)電壓不變的情況下增加輸出電流，以達(dá)到驅(qū)動(dòng)多個(gè)后級(jí)電路的目的。
(2)射隨電路不僅可以提供高輸入、低輸出的阻抗，還可以起到緩沖作用，避免后級(jí)電路對(duì)前級(jí)電路的影響。

在直流偏置電路中，由于數(shù)字電位器AD8403的輸出驅(qū)動(dòng)電流較小，所以需要在后級(jí)電路中加入一個(gè)由運(yùn)算放大器AD797組成的射隨電路以增加偏置電壓的驅(qū)動(dòng)能力，具體的射隨電路如圖9所示。

4 結(jié)束語

以基于數(shù)字電位器直流偏置技術(shù)的實(shí)現(xiàn)展開工作。利用C8051F04x系列單片機(jī)具有的CAN通信和SPI通信功能，實(shí)現(xiàn)工控機(jī)與微控制器之間、微控制器與數(shù)字電位器之間的數(shù)據(jù)傳輸。采用單片機(jī)A/D轉(zhuǎn)換功能，將偏置電壓回采后輸進(jìn)微控制器，經(jīng)過一定的算法處理，在需要重置電壓的情況下，再次發(fā)送設(shè)定電壓值到電平轉(zhuǎn)換模塊，以保證輸出電壓的高精度要求。射隨電路的設(shè)計(jì)保證了偏置電壓輸出電流的驅(qū)動(dòng)能力。直流偏置源應(yīng)用的實(shí)際情況表明了偏置源工作可靠、穩(wěn)定，符合低噪聲、高精度、工作穩(wěn)定、反應(yīng)靈敏等要求，并具有推廣和使用價(jià)值。