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(guò)程中出現(xiàn)的問(wèn)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(shuō)明了它可工作在比較惡劣環(huán)境中。

　　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(guò)模擬電路或DDS( direct digital synthe2sis) 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:

　　文氏電橋正弦波發(fā)生器是一種常用的RC 振蕩器, 用來(lái)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:

圖2 振蕩電路

　　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(lái)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(zhǎng), 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2源電壓UDS較小時(shí), 場(chǎng)效應(yīng)管的漏2源電阻r DS 隨柵2源電壓UGS 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 8 ~ 100 M8 , Rf = R// (R4 + rDS) , 為了達(dá)到穩(wěn)幅的目的, 當(dāng)幅值增大時(shí), rDS 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。

　　1. 3 反饋電路

　　( 1) 比例2積分校正電路

　　比例2積分校正電路又叫比例2積分調(diào)節(jié)器( 見(jiàn)圖4) , 它的輸入/ 輸出的基本關(guān)系為:

　　式中: Kp 為比例增益; S1 為積分時(shí)間。實(shí)際比例2 積分電路不僅要求Kp 和S1 可調(diào), 而且S1 取值很大。它具有反相結(jié)構(gòu), 因?yàn)?

　　這樣, 改變Rf 可調(diào)節(jié)Kp , 改變CF 可調(diào)節(jié)S1 。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(wú)靜差調(diào)節(jié)系統(tǒng)。

　　( 2) 精密絕對(duì)值電路

　　如圖5 所示, 當(dāng)輸入電壓為正極性時(shí), 放大器輸出usc1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)。

　圖5 精密絕對(duì)值電路及波形

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

　　( 3) 基準(zhǔn)電路

　　如圖6 所示, 該電路是由穩(wěn)壓管D3 來(lái)完成的, R11為限流電阻:

　　經(jīng)過(guò)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2 積分運(yùn)算, 所得結(jié)果通過(guò)場(chǎng)效應(yīng)管來(lái)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/ P+ sin( X2 t/ 2) - 2cos( 2X2 t/ 3P) + , ) 。式中, u 中的交流分量被A1 濾掉, 剩下的直流分量- Um / P與基準(zhǔn)信號(hào)Ej 一起由A1 進(jìn)行運(yùn)算, 所以A1 輸出為:

　　當(dāng)Ej / R12 < Um / PR7 時(shí), usc 增大, 負(fù)反饋加強(qiáng); 相反,Ej / R12 > Um / ( PR7 ) 時(shí), usc 減小, 負(fù)反饋減弱, 保證復(fù)制穩(wěn)定在Um = PR7E j/ R12 , 可見(jiàn), 改變R12 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。

　　2 主要技術(shù)指標(biāo)

　　主要技術(shù)指標(biāo)見(jiàn)表1。

表1 主要技術(shù)指標(biāo)

　　3 關(guān)鍵問(wèn)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2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/ ( 2PRC) , R= 1/ ( 2Pf C) 。當(dāng)f =400 Hz 時(shí), R = 780 k8 ; 當(dāng)f = 3 000 Hz 時(shí), R =104 k 8。這里采用外接電位器來(lái)實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)頻率, 因此選定R1= R2= 800 k8 , 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(lái)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I Z= 12 mA, 由于電源電壓為- VC= - 15 V, 所以R11= ( 15- 6. 2) / 12= 750 8 。

　　( 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 + rDS = R3 / 2, r DS =R3 / 2- R4 = 5 k8 , 只要控制柵2源極電壓, 使rDS =5 k8 , 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(guò)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/ ( 2PRC) , C= 510 pF, 當(dāng)f = 400 H z 時(shí), R= 1/ ( 2Pf C) U780 k 8 , 選R= 800 k8 ,當(dāng)f = 3 000 Hz 時(shí), R= 1/ ( 2Pf C) U104 k8 , 所以Rc 最小應(yīng)為Rc/ R= 104 k8 , 選Rminc= 120 k 8 。

　　( 2) 幅度可調(diào)。如圖10 所示, Rc/ R12 = 200 k8 ,R12= 250 k 8, Rminc= 1 m8 。

　　( 3) 低溫特性

　　由于種種原因, 在低溫測(cè)試過(guò)程中, 出現(xiàn)波形嚴(yán)重失真, 經(jīng)過(guò)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(jiǎn)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 # cm3 / s, 保證了產(chǎn)品的氣密性、可靠性。

　　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(pán)、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(pán)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(pán)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(pán)尺寸符合相關(guān)設(shè)計(jì)規(guī)范, 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(guò)程中, 由于底座外殼D # Ni, 造成封殼難, 密封性不好, 進(jìn)過(guò)分析和大量試驗(yàn), 我們采用底座外殼D# Ag , 進(jìn)行儲(chǔ)能焊封裝, 這樣操作簡(jiǎn)單, 而且克服了封殼過(guò)程中存在的問(wèn)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(yǔ)

　　該電路經(jīng)過(guò)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。