基于数字电位器的直流偏置技术

　　直流偏置源为电子有源器件或系统提供一定的偏置电压，可广泛用于军事系统及民用产品以及特殊行业，如石油化工、航空航天等工业设计中。直流偏置技术的实现方法较多。本文根据直流偏置源应用的实际环境和要求，采用工控机通过CAN通信与微控制器进行实时数据传输，微控制器又通过SPI串行通信控制数字电位器组合电路的方法实现偏置电压的输出。此方法噪声低、步进调节灵活、精准度高，在实际应用中工作可靠、稳定，符合工作指标及要求。

　　1 电子系统中噪声的定义

　　噪声作为影响高精度电子设备性能的主要因素，越来越受到关注。器件噪声的大小直接影响着电子器件质量、可靠性及灵敏度，同时也影响着其应用中电路或系统的整体性能和指标。噪声可以被定义为干扰电子信号传输或通信以及影响另一个信号测量的非正常有害信号。

　　现代社会各种信号广泛覆盖，使得电路之间的信号干扰愈加频繁，电磁兼容性(EMC)已经成为在设计电路伊始需要重点注意的问题。一般考虑在噪声源头采用屏蔽及限制脉冲上升时间，在接收端限制必要带宽信号、采用选频滤波器及电源去耦设计，在信号传输过程中消除噪声耦合等方法以减少正常信号与噪声之间的干扰和串扰。

　　2 直流偏置源的性能指标和设计原则

　　在一般的电源设计电路中，不仅需要考虑电源输出电压的精度，还要考虑输出电流的驱动能力。同时还要采用一定的滤波网络、磁珠隔离等方法进行滤波，整体考虑电源及选用器件的噪声指标，选取合适且噪声低的器件是保证电路整体低噪声的重要手段。

　　2.1 偏置源的主要性能指标

　　直流偏置源的设计需要考虑整体噪声指标和输出电压的精度以及电流的驱动能力。综合相关文献，并结合偏置源实际应用的系统要求，提出了以下关于直流偏置源的一些技术指标。

　　(1)输出电压范围为0～5V。

　　(2)输出调节方式为可编程步进调节，步长2 mV。

　　(3)输出电流为≥20mA。

　　2.2 设计遵循的几个原理

　　(1)由于器件容易受到外部信号和噪声的干扰，所以需要采用一定的屏蔽措施。如偏置部分采用屏蔽盒安装，系统信号连接线采用屏蔽线连接，这样可有效阻止外部电磁辐射对系统的干扰。

　　(2)由于工业供电和市电等均为交流电，会从外部带入不必要的干扰谐波，直接影响系统的噪声指标量级。在市电供电的环境下，对模拟部分的干扰更为明显。签于以上情况，电路的模拟部分均采用纯净锂电池供电的方式以降低电路噪声。

　　(3)为保证被测器件参数的精准性，设置了偏置电压回采监测，直流偏置按照低噪声目标进行设计和实现。

　　(4)模块之间的隔离。一般电路设计中，由于数字部分对模拟部分噪声干扰较大，须将从数字部分传输到模拟部分的信号进行光耦隔离，以防止数字部分的干扰串入模拟部分。同时各组件内数字地和模拟地用磁珠连接，各组件之间单点共地后接入大地。

　　(5)工控机部分采用CAN通信和微控制器实现数据传输，微控制器采用SPI通信和数字电位器实现数据传输。

　　基于以上设计原则，直流偏置电路的总体结构如图1所示。