一種高精度振蕩發(fā)生電路設(shè)計

由于地學(xué)儀器設(shè)計的需要，本文利用一款具有多種波形輸出的精密振蕩集成電路芯片ICL8038，來設(shè)計一種高精度振蕩發(fā)生電路，提供一種頻率，幅度都非常穩(wěn)定的振蕩源。

【關(guān)鍵詞】振蕩發(fā)生電路 正弦波 模擬振蕩器 地學(xué)儀器

在眾多的地學(xué)儀器中，大部分都需要一個振蕩器產(chǎn)生一個基頻信號。振蕩信號的發(fā)生的核心問題是信號的控制問題，包括信號頻率、信號種類以及信號幅度，缺一不可，另外也必須考慮振蕩信號在各種工作環(huán)境下的穩(wěn)定性。

1 常用的振蕩信號產(chǎn)生方案

1.1 直接頻率合成法

直接頻率合成法是一種傳統(tǒng)的方法，需要采用大量的倍頻、分頻、混頻和濾波，從單一或幾個參數(shù)頻率中產(chǎn)生所需的頻率，直接頻率合成法的電路體積龐大、成本高、結(jié)構(gòu)復(fù)雜，目前已經(jīng)很少使用。

1.2 單片機輸出法

單片機輸出法是通過單片機內(nèi)部晶振的振蕩頻率進行分頻等一些列的運算得到需要的頻率，利用對單片機的控制，產(chǎn)生固定頻率的振蕩波形，這種方法簡單方便，但是如果用于沒有單片機的電路中就不合適。

1.3 鎖相環(huán)式頻率合成法

鎖相環(huán)式頻率合成法屬于間接頻率合成技術(shù)，該法采用鎖相環(huán)電路（phase-locked loop），通常由環(huán)路濾波器（LF）、鑒相器（PD）和壓控振蕩器（VCO）三部分組成通常情況下，程序分頻器都集成在鑒相器芯片中，利用鎖相環(huán)電路就可以實現(xiàn)外部的輸入信號與內(nèi)部的振蕩信號同步，當(dāng)鎖相環(huán)電路中輸出信號的頻率等于參考信號的頻率時，輸出電壓與參考信號的電壓保持一定的相位差，也就是說輸出電壓與參考電壓的相位被鎖住。

鎖相環(huán)法通過對程序分頻器M的參數(shù)的調(diào)節(jié)能夠很方便的選擇所需要頻率信號，也可以通過環(huán)路濾波器LF濾除雜散信號，保證了輸出振蕩信號的精度與純度，而且還可以采用鎖相環(huán)芯片進行設(shè)計，但是鎖相環(huán)得缺點就是頻率轉(zhuǎn)換時間較長，而且正弦波的幅度以及頻率都很難控制。

2 振蕩發(fā)生電路設(shè)計

ICL8038是一款具有多種波形輸出的精密振蕩集成電路芯片，連接少量外部元件就可產(chǎn)生高精度、低失真的正弦波，三角波，鋸齒波和方波等常用波形，輸出波形的頻率和占空比還可以由電流或電阻控制；另外由于該芯片具有調(diào)頻信號輸入端，所以可以用來對低頻信號進行頻率調(diào)制，且頻率調(diào)制和掃描可由一個外接電壓來完成。ICL8038的主要特點有：

（1）可同時輸出任意的三角波、矩形波和正弦波；

（2）頻率范圍：0.001hz～300khz；

（3）占空比范圍：2%～98%；

（4）工作電源：±5V～±12V或者+12V～+25V。

另外，該芯片采用先進的單片集成技術(shù)制造，內(nèi)部采用的是肖特基勢壘二極管薄膜電阻，因此輸出信號在很大的溫度范圍和電源變化范圍內(nèi)能穩(wěn)定輸出，良好的溫度和電源穩(wěn)定性剛好滿足本次設(shè)計環(huán)境的要求，并且正弦波輸出信號的失真率可低到1%，三角波輸出信號的線性失真可低至0.1%，溫漂低于250ppm/℃（每度250百萬分之一）。

根據(jù)ICL8038幾種基本接法，當(dāng)其用作固定頻率參考正弦波振蕩器時，電路原理圖如圖1所示。即振蕩輸出連接一個運放LF353，其運放的作用是用來減小ICL8038相對較高的輸出阻抗，同時提供了一個緩沖作用，另外，還可以對正弦波幅度根據(jù)需要調(diào)節(jié)。該電路可用于電子技術(shù)及通訊工程中需要正弦波的場合中。

首先，直接將7腳與8腳短接，可使芯片輸出正弦波頻率為R1，R2以及電容C決定的最高頻率；12腳是輸出正弦波失真度調(diào)節(jié)端，可在12腳與11腳之間接82kΩ的電阻，使輸出正弦波的失真度小于1%。連接于4腳的電阻R1決定著輸出信號正弦波上升段的寬度t1，而接于5腳的電阻R2決定著輸出信號正弦波下降段的寬度t2。根據(jù)芯片資料，對一組選定的獨立R1，R2及C，輸出波形的周期為：

。

由于電路中需要的是占空比為50%的正弦波，所以令R1=R2時，即t1=t2，此時：

，需要得到的正弦波周期T為1/50000s，對于任一給定的輸出頻率，可以有很多種滿足這一頻率要求的RC組合。但是式中R，C的取值不是能夠隨便選擇，因為要受到電路中充放電電流的限制，一方面，如果放電過程中電流過小，電路的漏電流在高溫下將產(chǎn)生很大的誤差，所以充放電電流必須大于等于1μA；另一方面，如果充放電得電流過大，三級管的飽和電壓和β值將隨著電流的增加而增加，從而帶來的誤差，因此充放電電流必須小于等于5mA，所以電路中充放電電流應(yīng)該在10μA到1mA的范圍內(nèi)。另外，保證I1和I2在10μA～1mA范圍內(nèi)的同時，I1和I2的取值應(yīng)盡量大一些，這樣就可以使R1和R2的值小一些，那么相應(yīng)的電容C就可以取大一些，因為從三角波的線性方面考慮，電容C的值越大相應(yīng)的線性度也就越好，因此電容C應(yīng)該取允許值的上限。根據(jù)以上要求，選取C=4.7nf，R=R1=R2=1.27kΩ，選用了兩個2kΩ的滑動變阻器，通過滑動位置來調(diào)整R1和R2的數(shù)值。采用開關(guān)電壓提供±15V工作電壓使電路工作，將電路輸出結(jié)果在示波器中顯示，正弦波的波形如圖2所示，從圖中可以看出，輸出電壓頻率為50KHz，頻率，幅度都達到要求，且精度高，輸出穩(wěn)定。

參考文獻

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作者簡介

劉軍（1987-），男，碩士學(xué)位。現(xiàn)為中國地震局地震研究所地震大地測量重點實驗室助理工程師，主要從事地震觀測技術(shù)的研究。

作者單位

中國地震局地震研究所地震大地測量重點實驗室 湖北省武漢市 430071