[经验]

如何使用数字电位器构建可编程振荡器?

贾熹

2020-6-28 11:16:55

867 数字电位器

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。

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。

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。

图2.AD5142的功能框图。
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：

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：

其中，R表示AD5142上的可编程电阻值：

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。
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。
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。
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。
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：

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。
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%。
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。
作者简介
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。