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(guò)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(guò)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.偏置源的性能指標(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)2mV。
(3)輸出電流為≥20mA。
2.設(shè)計(jì)原則
(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。
圖1 總體結(jié)構(gòu)
3.直流偏置源的硬件設(shè)計(jì)
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(lái)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。
3.2電源模塊的設(shè)計(jì)
(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(lái)從源頭上抑制外來(lái)噪聲的影響。
圖2 部分鋰電池供電結(jié)構(gòu)圖
(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。
圖3 ADR445電路圖
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(guò)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)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(guò)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。
圖4 LT1962-5電路圖
在設(shè)計(jì)中根據(jù)實(shí)際需要，將LT1962的ADJ/SEN引腳通過(guò)電阻連接至OUT引腳和地，這樣可以通過(guò)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(guò)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。
圖5 TLP521-4電路圖
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(zhǎng)，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(lái)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(zhǎng)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。
圖6 AD8403組合電路
AD8403是美國(guó)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(guò)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(lái)調(diào)節(jié)滑動(dòng)端W的位置。AD8403的SPI時(shí)序圖如圖7所示。
圖7 AD8403的SPI時(shí)序圖
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。
圖8 仿真三維圖像
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。
圖9 AD797組成的射隨電路
結(jié)語(yǔ)
以上就是基于數(shù)字電位器的直流偏置技術(shù)介紹了。經(jīng)過(guò)實(shí)踐證明，本文設(shè)計(jì)的直流偏置源工作可靠、穩(wěn)定，符合低噪聲、高精度、工作穩(wěn)定、反應(yīng)靈敏等要求，所以具有推廣和使用的價(jià)值。
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