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采用晶振控制的斜坡发生器

2022-05-26 17:21:05 Gavin Watkins 阅读:
本项目源于需要为HP 8620C射频扫频振荡器产生线性晶体控制斜坡信号。它的灵感来自之前发布的斜坡发生器设计。这种设计存在两个问题:它使用了非标准的16.384MHz晶体振荡器;其斜坡的下降/返回/消隐时间为零。

本项目源于需要为HP 8620C射频扫频振荡器产生线性晶体控制斜坡信号。它的灵感来自之前发布的斜坡发生器设计[1]。这种设计存在两个问题:它使用了非标准的16.384MHz晶体振荡器;其斜坡的下降/返回/消隐时间为零。RWvednc

为了解决第一个问题,此处描述的斜坡发生器使用了标准的10MHz时钟,因此可以将它集成到现有的测试设置中。其次,大多数设备在开始新的扫描之前,需要有限的时间才能恢复到初始状态。12(见下文)所示的设计克服了这些问题。下面将首先描述斜坡发生器部分,因为其需求推动了时钟发生器的设计。RWvednc

斜坡发生器

斜坡发生器的核心是一个由二进制计数器驱动的12位数模转换器(DAC)。DAC是分立式R-2R类型,因为在开发时没有合适的DAC IC。这是由一组与门(三个74HC08)所驱动的,后者又由两个74HC393双4位二进制计数器所驱动——并且其中之一又有一半未被使用。12位的最大可能计数也就是4096个状态。斜坡发生器的简化原理图如1所示。RWvednc

RWvednc

1:斜坡发生器原理图。RWvednc

为了确定消隐时间,DAC仅在前4,000个状态输出斜坡。对于剩余的96个状态,其输出保持在0V,这足以让HP 8620C有足够的时间返回到起始频率并稳定下来。在斜坡阶段,与门将计数器输出传递到DAC。在消隐阶段,与门被驱动为低电平,将DAC的输入拉低,并将其输出拉至0V。然后由一个双输入或门(两个1N4148二极管和一个电阻器)和一个五输入与非门(74HC300,其中三个输入连接在一起)来监控计数器的输出,并在消隐期间驱动与门的公共输入。还有一个由或非门(74HCO2)构成的反相器用以产生正向消隐脉冲,借此就可用于调制示波器的Z输入。RWvednc

DAC输出端的电阻二极管开关在消隐阶段也会使能,从而将DAC的输出拉到0V。在斜坡阶段,DAC的输出经过运算放大器放大,据此就可提供HP 8620C所需的10V信号。RWvednc

斜坡发生器可以在自由运行和外部触发之间进行切换——如1中的外部触发模式所示。在触发模式下,由两个或非门组成的置位复位锁存器可以检测消隐输出的上升沿,从而对12位计数器进行复位。只有当外部触发到达时,置位复位锁存器才会复位,以便12位计数器可以重新开始计数。RWvednc

时钟发生器

内部或外部10MHz晶振参考被分成12个独立的频率,并由一个12路旋转开关选择,用于馈送到斜坡发生器。由于斜坡发生器只对前4,000个状态而不是4,096个状态产生斜坡输出,因此可以使用74HC390双十进制计数器的标准2、5和10的分频比,如图2所示。74HC390由两个独立的2分频和5分频计数器组成,配置如图所示。每个输出的时钟频率连同其相应的扫描时间(括号内)一起在图中注出。RWvednc

RWvednc

2:时钟发生器原理图。RWvednc

上述解释的一个例外是1ms的扫描时间,它需要4MHz的时钟。因此,第一个分频器级是2.5分频。这是通过利用5分频计数器的最低有效位来实现的。对于每五个输入脉冲,它会产生两个输出脉冲:000、001、010、011、100、000、001、010和011等。该4MHz时钟的占空比会逐周期变化,这就会导致1ms扫描时间的轻微抖动,但这只会在斜坡发生器计数器的最低有效位上体现出来,因此并不重要。可以使用具有50%固定占空比的替代2.5分频器,但更加复杂。[2]RWvednc

结果

斜坡输出和消隐输出的测量输出波形如3所示,可以看出它们的精确周期为100ms,并且斜坡具有高线性度。RWvednc

RWvednc

3测量波形——黄色是斜坡输出,绿色是消隐脉冲。RWvednc

完整的斜坡发生器采用条状铜箔面包板搭建,并安装在带有集成电源的设备箱中,用以构建有用的实验室设备。RWvednc

参考文献

[1] Neil Johnson, “Ramp Generator”, Everyday and Practical Electronics, July 1995, pp. 546-550.RWvednc

[2] Yongping Xia, “Divide by 2.5”, Electronics World + Wireless World, December 1991, pp. 1051.RWvednc

Gavin是英国布里斯托尔东芝公司的一名电子工程师和终身硬件黑客。他主要从事射频工程领域高级功率放大器等方面的工作。他在业余时间最开心的是在他的备用卧室实验室里摆弄音频电子设备和老式测试设备。RWvednc

(原文刊登于EDN美国版,参考链接:Crystal controlled ramp generator,由Franklin Zhao编译。)RWvednc

本文为《电子技术设计》2022年6月刊杂志文章,版权所有,禁止转载。免费杂志订阅申请点击这里RWvednc

责编:Franklin
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