基于低失真\\高精度可調(diào)正弦波發(fā)生器的實(shí)現(xiàn)

摘 要:介紹一種低失真、高精度可調(diào)(頻率和幅度)正弦波發(fā)生器實(shí)現(xiàn)的方法，對(duì)其原理、工藝及制作過程中出現(xiàn)的問題進(jìn)行了詳細(xì)的敘述，特別是對(duì)穩(wěn)幅、穩(wěn)頻、幅度調(diào)整和頻率調(diào)節(jié)等功能進(jìn)行了認(rèn)真的分析論證，說明了它可工作在比較惡劣環(huán)境中。關(guān)鍵詞:正弦波; 模擬電路; 頻率調(diào)節(jié); 基準(zhǔn)信號(hào)

中圖分類號(hào):TN710-34文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A

文章編號(hào):1004-373X(2010)18-0134-04

Implementation of Modulated Sine Wave Generator with Low Distortion and High Accuracy

XIAN Jun-xian1，SHAO Li-qun2，ZHANG Jie1

(1.Shaanxi Sanheng Electronic Technology Co. Ltd.，Xi’an 710065，China;

2. College of Marine Engineer， Northwestern Polytechnical University，Xi’an 710072，China)

Abstract: A realization method of modulated sine wave generator with low distortion and high accuracy is introduced， the problems existed in the theory， technology and manufacturing operation are described， especially the functions of amplitude and frequency stabilization， amplitude and adjustment are analyzed. It can be widely applied in all kinds of fields with its characteristics of low distortion， high accuracy， modulated frequency and amplitude.Keywords: sine wave;analog circuit; frequency adjustment; reference circuit

0 引 言

在許多電子系統(tǒng)中，經(jīng)常需要用到頻率和幅度可調(diào)的正弦波信號(hào)作為基準(zhǔn)信號(hào)或載波信號(hào)。通常正弦波信號(hào)主要通過模擬電路或DDS(direct digital synthesis)等兩種方式產(chǎn)生。相對(duì)于模擬電路，DDS具有相位連續(xù)、頻率分辨率高、轉(zhuǎn)換速度快、信號(hào)穩(wěn)定等諸多優(yōu)點(diǎn)，但是其不菲的價(jià)格使其在某些領(lǐng)域大材小用。在此介紹一種采用模擬電路產(chǎn)生正弦波的方法，該電路精度高、失真度小、溫漂小。

1 電路分析

電原理如圖1所示。

圖1 電路原理框圖

1.1 文氏電橋正弦波振蕩電路

正弦波發(fā)生器的自激振蕩條件為:

K(jω)F(jω)=1

文氏電橋正弦波發(fā)生器[1]是一種常用的RC振蕩器，用來產(chǎn)生低頻正弦信號(hào)，應(yīng)用非常廣泛。如圖2所示，這種發(fā)生器由運(yùn)算放大器和文氏電橋反饋網(wǎng)組成，圖2中Z1 和Z2是文氏電橋的兩臂，由它們組成正反饋網(wǎng)絡(luò)，電阻R3、Rf組成負(fù)反饋網(wǎng)絡(luò)，當(dāng)運(yùn)算放大器具有理想特性時(shí)，振蕩條件由這兩個(gè)反饋回路的參數(shù)決定。圖2參考點(diǎn)a選為放大器的同相端，那么:

K(jω)=1+R3/Rf，φK(ω)=0，

Z1=R1//(1/jωC1 )，Z2=R2+1/(jωC2)，

F(jω)=Z1/(Z1+Z2)=1/(1+C1/C2+R2/R1+

j(ωR2C1-1/(ωR1C2)))

由于 K(jω)F(jω)=1，所以電路的振蕩頻率和參數(shù)關(guān)系為f=ωZ/(2π)=1/(R1R2C1C2)/(2π)，C1/C2+R1/R2=R3/Rf，若C1=C2=C，R1=R2=R 那么振蕩條件為f=1/(2πRC)，R3=2Rf。

1.2 穩(wěn)幅電路

常用的自動(dòng)穩(wěn)幅方法是根據(jù)振幅的變化來改變負(fù)反饋的強(qiáng)弱，若振幅增大，負(fù)反饋系數(shù)就自動(dòng)變大，加強(qiáng)負(fù)反饋，限制振幅的繼續(xù)增長，反之亦然。如圖3所示，該電路采用場(chǎng)效應(yīng)管進(jìn)行穩(wěn)幅，當(dāng)場(chǎng)效應(yīng)管的漏-源電壓UDS較小時(shí)，場(chǎng)效應(yīng)管的漏-源電阻rDS隨柵-源電壓UGS線性變化。一只好的壓控線性電阻，其阻值范圍可達(dá)到約400 Ω～100 MΩ，Rf=R//(R4+rDS)，為了達(dá)到穩(wěn)幅的目的，當(dāng)幅值增大時(shí)，rDS自動(dòng)加大，從而加強(qiáng)負(fù)反饋，反之亦然。C3為隔直電容，可減小失調(diào)電壓和失調(diào)電流的影響，電阻R可以減小rDS的非線性影響，從而減小波形失真。

圖2 振蕩電路

1.3 反饋電路

(1) 比例-積分校正電路

比例-積分校正電路又叫比例-積分調(diào)節(jié)器(見圖4)，它的輸入/輸出的基本關(guān)系為:

usc=KpUsr(t)+Kp∫t0usr(t)dt /τ1

KF(s)=Usc(s)/Usr(s)=Kp(1+τ1s)/(τ1s)

式中:Kp為比例增益; τ1為積分時(shí)間。實(shí)際比例-積分電路不僅要求Kp和τ1可調(diào)，而且τ1取值很大。它具有反相結(jié)構(gòu)，因?yàn)?

Zf(s)=Rf，Zp(s)=RF+1/(Cfs)，

KF(s)=-RF(1+RFCFs)/(RfRFCFs)

可見:

Kp=-RF/Rf，τ1=RFCF

這樣，改變Rf可調(diào)節(jié)Kp，改變CF可調(diào)節(jié)τ1。

在該電路中采用這種校正電路(實(shí)際是一個(gè)低通濾波器)，有利于降低定態(tài)誤差，從而使系統(tǒng)變?yōu)闊o靜差調(diào)節(jié)系統(tǒng)。

圖3 穩(wěn)幅電路

圖4 比例-積分電路

(2)精密絕對(duì)值電路[2]

如圖5所示，當(dāng)輸入電壓為正極性時(shí)，放大器輸出usc1為負(fù)，D2導(dǎo)通，D1截止，輸出電壓為零;當(dāng)輸入電壓為負(fù)極性時(shí)，放大器輸出為正，D1導(dǎo)通，D2截止，電路處于反相比例運(yùn)算狀態(tài)。

usc=0，當(dāng)sr>0

RF|sr|/Rf，當(dāng)sr<0

該電路檢波的最小輸入電壓峰值將為UD/K0(ω)，可見二極管正向壓降的影響被削弱了UD/K0(ω)倍，從而使檢波特性大大改善。

圖5 精密絕對(duì)值電路及波形

(3) 基準(zhǔn)電路

如圖6所示，該電路是由穩(wěn)壓管D3來完成的，R11為限流電阻:

IZ=(VC-UDS)/R11

經(jīng)過半波整流電路，整流后的交流分量被低通濾波器濾掉，u2也被濾掉，僅直流分量與基準(zhǔn)電壓之差才有意義，這個(gè)差值由運(yùn)算放大器實(shí)現(xiàn)比例-積分運(yùn)算，所得結(jié)果通過場(chǎng)效應(yīng)管來控制負(fù)反饋的強(qiáng)弱。若輸出信號(hào)振幅增大，u1直流分量更負(fù)，負(fù)反饋加強(qiáng);反之，負(fù)反饋減弱，達(dá)到穩(wěn)幅目的，改變基準(zhǔn)電壓就能調(diào)幅。實(shí)際上，電路起振后，輸出為正弦波，經(jīng)二極管半波整流變?yōu)?u=-Um(1/π+sin(ω2t/2)-2cos(2ω2t/3π)+…)。式中，u中的交流分量被A1濾掉，剩下的直流分量-Um/π與基準(zhǔn)信號(hào)Ej一起由A1進(jìn)行運(yùn)算，所以A1輸出為:

usc≈-R6(Ej/R12-Um/πR7))-

∫(Ej/R2-Um/(πR7))dt/CF

當(dāng)Ej/R12Um/(πR7)時(shí)，usc減小，負(fù)反饋減弱，保證復(fù)制穩(wěn)定在Um=πR7Ej/R12，可見，改變R12就可設(shè)置所需的振幅。如圖7所示。

1.4 功率放大電路

功率放大電路的工作原理與超高速緩沖器FX0063相同，因此該電路(如圖8所示)可用FX0063代換，電容C為平衡電容，該電路具有限流保護(hù)功能，其輸出電流的大小由電阻決定。

圖6 基準(zhǔn)電路

圖7 反饋電路

圖8 功率放大電路

2 主要技術(shù)指標(biāo)

主要技術(shù)指標(biāo)見表1。

表1 主要技術(shù)指標(biāo)

序號(hào)名稱型號(hào)指標(biāo)測(cè)試條件備注

1輸出電壓 /VVo

2失真度 /%α

3直流電平 /Hzv

3～8.5

< 1

≤ 5

輸入電源電壓為±15 V，Io=150 mA(正弦波)，輸出頻率為2 400 Hz調(diào)節(jié)電位器R，R′

4輸出頻率 /Hzfo400～3 000輸入電源電壓±15 V，輸出電壓Vo=7 V，

Io=150 mA調(diào)R′

5電壓穩(wěn)定度Kvo

(Kvo /mV，Kfo /Hz)Kfo

±70

24

輸入電源電壓為±15 V±1.5 V，

Io=150 mA，

fo=2 400 Hz

6負(fù)載能力rvo

(rvo /mV，rfo /Hz)rfo

±70

24

輸入電源電壓為±15 V，

Io=0~150 mA，

Vo=7 V

fo=2 400 Hz

7電壓溫度系數(shù) /mVΔVo±70

輸入電源電壓為15 V， Io=150 mA，

Vo=7 V，

fo=2 400 Hz，

T=-55～+85 ℃0.5 mV/℃

8頻率溫度系數(shù) /HzΔfo24

輸入電源電壓為15 V，Io=150 mA，

Vo=7 V，

fo=2 400 Hz，

T=-55～+125 ℃

3 關(guān)鍵問題的解決

3.1 關(guān)鍵器件的選擇

(1) IC選用四運(yùn)算放大器LF124，該器件的四個(gè)運(yùn)算放大器分別應(yīng)用于振蕩、比例-積分、絕對(duì)值電路、放大等不同的環(huán)節(jié)中。

(2) 文氏電橋臂用電容C1，C2采用云母電容，由于云母電容有一個(gè)比較重要的特點(diǎn)(電容量穩(wěn)定)，這樣就可以保證頻率穩(wěn)定特性。C1=C2=(510±5.1) pF。

R1，R2的選擇:由于該電路的輸出頻率為400～3 000 Hz。f=1/(2πRC)，R=1/(2πfC)。當(dāng)f=400 Hz時(shí)，R=780 kΩ;當(dāng)f=3 000 Hz時(shí)，R=104 kΩ。

這里采用外接電位器來實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)頻率，因此選定R1=R2=800 kΩ，為了確保振蕩的平衡、頻率的穩(wěn)定，采用溫度系數(shù)較小、方阻一樣、電阻面積相同的厚膜電阻來保證。

(3) 基準(zhǔn)電路

在圖6中，選用D3=6.2 V的2DW234穩(wěn)壓管，該穩(wěn)壓管的優(yōu)點(diǎn)是溫度系數(shù)小且?guī)в醒a(bǔ)償功能，其工作電流為IZ=12 mA，由于電源電壓為-VC=-15 V，所以R11=(15-6.2)/12=750 Ω。

(4) 穩(wěn)幅電路

在如圖3中，我們選用場(chǎng)效應(yīng)管進(jìn)行穩(wěn)幅，實(shí)際上R可省去，示情況而定，則有R4+rDS=R3/2，rDS=R3/2-R4=5 kΩ，只要控制柵-源極電壓，使rDS=5 kΩ，就達(dá)到穩(wěn)幅的目的，選場(chǎng)效應(yīng)管為3DJ6F。

(5) 其他元件的選擇

設(shè)計(jì)該產(chǎn)品的過程中，主要考慮的是它的可靠性，在此基礎(chǔ)上，盡量使產(chǎn)品小型化，易裝配，故對(duì)一些元器件選用片式。

3.2 電路的改進(jìn)

(1) 頻率固定到400 Hz～3 000Hz頻率可調(diào)。

如圖9所示，根據(jù)振蕩條件f=1/(2πRC)，C=510 pF，當(dāng)f=400 Hz時(shí)，R=1/(2πfC)≈780 kΩ，選R=800 kΩ，當(dāng)f=3 000 Hz時(shí)，R=1/(2πfC)≈104 kΩ，所以R′最小應(yīng)為R′//R=104 kΩ，選Rmin′=120 kΩ。

(2) 幅度可調(diào)。

如圖10所示，R′//R12=200 kΩ，R12=250 kΩ，Rmin′=1 mΩ。

(3) 低溫特性

由于種種原因，在低溫測(cè)試過程中，出現(xiàn)波形嚴(yán)重失真，經(jīng)過多次實(shí)驗(yàn)，終于解決了這一現(xiàn)象。原因是電源給集成電路供電時(shí)所用的限流電阻對(duì)地所接的濾波電容不能省掉，否則易產(chǎn)生振蕩。

3.3 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

為了便于整機(jī)組裝，并且能夠經(jīng)得起振動(dòng)、沖擊等機(jī)械試驗(yàn)，產(chǎn)品內(nèi)部盡量采用適合平面組裝的片式元件，這樣簡化了組裝工藝。封裝采用全密封技術(shù)，密封在干燥、清潔的氮?dú)庵羞M(jìn)行，帽與底座之間進(jìn)行貯能焊封裝，封后細(xì)檢漏氣率小于500×10-6 kPa#8226;cm3/s，保證了產(chǎn)品的氣密性、可靠性。

圖9 頻率可調(diào)電路

圖10 幅度可調(diào)電路

3.4 版圖設(shè)計(jì)

內(nèi)部版圖如圖11示，在此主要對(duì)導(dǎo)體、焊盤、介質(zhì)、電阻的設(shè)計(jì)進(jìn)行描述。

圖11 內(nèi)部示意圖

(1) 導(dǎo)體、焊盤設(shè)計(jì)

導(dǎo)體的設(shè)計(jì):最細(xì)的部分為0.3 mm，導(dǎo)體與導(dǎo)體、導(dǎo)體與焊盤間隔最小為0.3 mm;版圖設(shè)計(jì):走線均勻、合理，器件均勻分布，導(dǎo)體與基片邊緣的最小距離為0.3 mm。上導(dǎo)體與下導(dǎo)體為同一材料。背面導(dǎo)體的設(shè)計(jì)，占基板面積75%以上，與基板邊緣距離大于0.3 mm。貼片元器件的焊盤尺寸符合相關(guān)設(shè)計(jì)規(guī)范[3]，芯片的粘接尺寸符合相關(guān)設(shè)計(jì)規(guī)范。

(2) 介質(zhì)、電阻設(shè)計(jì)

介質(zhì)兩次獨(dú)立印刷，盡量減少使用介質(zhì)，整個(gè)版圖僅有3處介質(zhì)。采用4種方阻，電阻的功率、阻值均符合相關(guān)設(shè)計(jì)規(guī)范[3]和原理圖的要求。

3.5 關(guān)鍵工藝的解決

在產(chǎn)品的研制過程中，由于底座外殼D#8226;Ni，造成封殼難，密封性不好，進(jìn)過分析和大量試驗(yàn)，我們采用底座外殼D#8226;Ag，進(jìn)行儲(chǔ)能焊封裝，這樣操作簡單，而且克服了封殼過程中存在的問題。陶瓷基片與底座的組裝，將原先用粘接的方法改為錫焊粘接，保證了產(chǎn)品的可靠性和散熱性。

4 結(jié) 語

該電路經(jīng)過實(shí)際驗(yàn)證，各部分工作正常，已經(jīng)成功運(yùn)用在某系統(tǒng)中，使用效果良好。該方案不僅達(dá)到了低失真、高精度的要求，還具有控制靈活方便、可靠性高、體積小、成本低等的特點(diǎn)，是一種很好的正弦波發(fā)生器。

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