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怎样用单电源函数发生器输出误差更小的正弦波?

2023-12-06 15:41:30 STEPHEN WOODWARD 阅读:
一般来说,方波和三角波的生成比较简单,所以问题在于如何生成可接受的精确正弦波···

传统的模拟函数发生器具有方波、三角波和正弦波三重波形输出,是电子实验室工作台上常见的工具。这也是一种经典的设计练习。一般来说,方波和三角波比较简单,所以问题在于如何生成可接受的精确正弦波。这通常会涉及一些三角波的转换方法。图1的发生器电路采用了一种流行的积分器解决方案,但也有一些有用的改进。aiGednc

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图1 四路高速RRIO TLV9064运算放大器可充当比较器、积分器和限幅器,同时从灵活的单电源中获取单位数毫瓦的功率。aiGednc

A1和A2组合形成一个传统的多谐振荡器,生成对称(大约Vdd/2)的方波和三角波。后者的峰间幅值被R5和R6固定在0.909Vdd,而两者的频率均可由R1C1设置超20倍频(或许更多一点)。aiGednc

现在,通过对A2的输出进行简单的积分,就可以将A2的三角波转换成(或多或少)可用的正弦波近似值,而且这种方法也很流行。但“或多或少”这个不吉利的短语却揭示了简单积分的弊端。不幸的是,由此产生的近似值虽然看起来很像正弦波,但在数量上却与真正的正弦函数相差甚远,误差为满量程的+/-3%(主要是三次谐波),如图2所示。aiGednc

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图2 三角波的简单积分将导致+/-3%正弦三次谐波误差。aiGednc

但也许我们可以做得更好。aiGednc

一些实验和仿真表明,只要在积分之前于满量程的+/- 2/3rds(Vpp=0.67Vdd)处截断三角波,就可以使正弦波的精度提高惊人的3倍,如图3的残差误差函数图所示。aiGednc

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图3 在积分之前对三角波进行+/-67%处的梯形截断,可将正弦峰值误差减少到主要为5次谐波的+/-1%以下。aiGednc

之所以我说“简单”,是因为我们已经有了一个额外的放大器(A3)可用。因此,只需要两个额外的电阻(R7和R8)即可生成削波为67%的梯形波形。这可以更好地逼近真正的正弦波的dV/dT,将误差减少到图3所示的+/-1% 5次谐波的波形曲线。值得注意的是,1%的正弦精度与著名的Intersil ICL8038函数发生器芯片的性能类似。但这是在电路内微调之后才实现的。图1中的电路则不需要。aiGednc

现在,积分发生在A4中,直流恢复R9C3网络提供零点稳定性,R2控制正弦幅度。aiGednc

最后一项功能非常重要,因为正弦波形是由积分产生的,这使得它的幅度本质上与频率成反比。因此,由于频率不受正弦幅度调整的影响,反之也一样,所以设置这两个参数最有效的方法是先调整频率,然后根据需要设置正弦幅度。这就避免了可能浪费时间(并且令人沮丧)的反复操作。aiGednc

关于图1电路的最后一点评论:TLV9064特别适用于A1比较器和A3限幅器,因为它具有非常快的过载恢复时间,只有200ns。对于运算放大器来说,这是一种非比寻常的性能,特别是像9064这样的低功耗运算放大器。aiGednc

(原文刊登于EDN美国版,参考链接:Single supply function generator outputs buffered squares, triangles, and sines,由Ricardo Xie编译)aiGednc

责编:Ricardo
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