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如何使用数字电位器构建可编程振荡器

2020-06-01 Thomas Brand,ADI 高级现场应用工程师 阅读:
本文介绍一种简单易行的可编程振荡器构建方法,其中,振荡频率和幅度可以通过使用digiPOT来彼此独立地调节。

数字电位器(digiPOT)功能多样,应用广泛,例如,用于滤除或生成交流信号。但是,有时频率必须能够有所变化,并根据应用需求调整。在此类设计中,支持通过适当的接口调整频率的可编程解决方案极为有用,在有些情况下,非常有助于开发。本文介绍一种简单易行的可编程振荡器构建方法,其中,振荡频率和幅度可以通过使用digiPOT来彼此独立地调节。tglednc

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图1.振幅稳定的可编程文氏电桥振荡器,其中电阻由digiPOT代替。tglednc

图1显示的是典型二极管稳定文氏电桥振荡器,可用于在输出端(VOUTPUT)产生约10 kHz至200 kHz的精确正弦波信号。文氏电桥振荡器有两个桥路,一个由带通滤波器构成,另一个由分压器构成。除了ADA4610-1 轨到轨精密放大器之外,本示例还使用了AD5142digiPOT,其包含两个独立可控的电位器,每个具备256步进分辨率。电阻值通过SPI编程设置,如图2所示。或者,可以使用由I²C控制的AD5142A。两种都可用作10 kΩ或100 kΩ电位器。tglednc

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图2.AD5142的功能框图。tglednc

在图1所示的经典振荡器电路中,R1A、R1B、C1和C2的路径形成正反馈,而R2A、R2B和两个并联二极管D1和D2或其电阻RDIODE则形成负反馈。在这种情况下,可以使用公式1:tglednc

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为了实现持续稳定的振荡,需要消除环路增益中的相移。用公式表示,振荡频率:tglednc

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其中,R表示AD5142上的可编程电阻值:tglednc

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D表示AD5142中可编程数字代码的十进制等效值,RAB表示电位器的总电阻。tglednc

为了保持振荡,文氏电桥振荡器应当相对平衡,也就是说,正反馈增益和负反馈增益必须协调一致。如果正反馈(增益)过大,振荡幅度或VOUTPUT将增加,直至放大器饱和。如果负反馈占主导,则振荡幅度将相应衰减。tglednc

在此处所示的电路中,增益R2/R1应设置为2左右或更大些。这会确保信号开始振荡。tglednc

但是,交替开启负反馈环路中的二极管也会导致增益暂时小于2,从而使振荡稳定下来。tglednc

一旦确定所需的振荡频率,就可以通过R2,不受频率影响地调谐振荡幅度。可以通过下式计算:tglednc

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所以,变量ID和VD分别代表通过D1和D2的二极管正向电流和二极管正向电压。如果R2B出现短路,会产生约±0.6 V的振荡幅度。R2B的幅度量级正确时,则可达到平衡,从而使VOUTPUT收敛。在图1所示的电路中,R2B采用了一个单独的100 kΩ digiPOT。tglednc

结论

通过采用所述的电路和10 kΩ双digiPOT,可以分别以8 kΩ、4 kΩ和670 Ω的电阻值调谐8.8 kHz、17.6 kHz和102 kHz振荡频率,频率误差低至±3%。提高输出频率可能会影响频率误差。例如,200 kHz时,频率误差将增至6%。tglednc

在频率相关应用中使用此类电路时,必须注意不要超过digiPOT的带宽限值,因为该值与可编程电阻呈函数关系。此外,图1所示的频率调谐要求R1A和R1B的电阻值相同。但是,两个通道只能依次设置,并会导致瞬时临界中间状态。对于某些应用,这种情况是不可接受的。在这些情况下,可以使用支持菊花链模式的digiPOT(例如AD5204),以便能够同时更改电阻值。tglednc

作者简介tglednc

Thomas Brand于2015年加入德国慕尼黑的ADI公司,当时他还在攻读硕士。毕业后,他参加了ADI公司的培训生项目。2017年,他成为一名现场应用工程师。Thomas为中欧的大型工业客户提供支持,并专注于工业以太网领域。他毕业于德国莫斯巴赫的联合教育大学电气工程专业,之后在德国康斯坦茨应用科学大学获得国际销售硕士学位。tglednc

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