如何使用數位電位器構建可編程振盪器

作者: ADI 資深現場應用工程師Thomas Brand

數位電位器(digiPOT)功能多樣且應用相當廣泛,例如,用於濾除或產生交流訊號。但是,有時頻率必須能夠有所變化,並根據應用需求調整。在此類設計中,支援透過適當的介面調整頻率的可編程解決方案便顯得相當有用,在有些情況下,更非常有助於開發。本文將介紹一種簡單易行的可編程振盪器構建方法,其中,振盪頻率和幅度可以透過使用digiPOT來彼此獨立地調節。

圖1顯示的是典型二極體穩定文氏電橋振盪器,其可用於在輸出端(VOUTPUT)產生約10 kHz至200 kHz的精準正弦波訊號。文氏電橋振盪器有兩個橋路,一個由帶通濾波器構成,另一個由分壓器構成。除了ADA4610-1 軌對軌精密放大器之外,本示例還使用了 AD5142 digiPOT, 其包含兩個獨立可控的電位器,每個具備256步進解析度。電阻值透過SPI程式設計設定,如圖2所示。或者,可以使用由I²C控制的 AD5142A。兩種都可用作10 kΩ或100 kΩ電位器。

圖1.振幅穩定的可編程文氏電橋振盪器,其中電阻由digiPOT代替

圖2.AD5142的功能框圖。

在圖1所示的經典振盪器電路中,R1A、R1B、C1和C2的路徑形成正回饋,而R2A、R2B和兩個並聯二極體D1和D2或其電阻RDIODE則形成負反饋。在這種情況下,可以使用公式1:

equation1

為了實現持續穩定的振盪,需要消除環路增益中的相移。用公式表示,振盪頻率:

equation2

其中,R表示AD5142上的可編程電阻值:

equation3

D表示AD5142中可編程數字代碼的十進位等效值,RAB表示電位器的總電阻。

為了保持振盪,文氏電橋振盪器應當相對平衡,也就是說,正回饋增益和負反饋增益必須協調一致。如果正回饋(增益)過大,振盪幅度或VOUTPUT將增加,直至放大器飽和。如果負反饋占主導,則振盪幅度將相應衰減。

在此處所示的電路中,增益R2/R1應設定為2左右或更大些。這會確保訊號開始振盪。

但是,交替開啟負反饋迴路中的二極體也會導致增益暫時小於2,從而使振盪穩定下來。

一旦確定所需的振盪頻率,就可以經由R2不受頻率影響地調諧振盪幅度。可以透過下式計算:

equation4

所以,變數ID和VD分別代表通過D1和D2的二極體正向電流和二極體正向電壓。如果R2B出現短路,會產生約±0.6 V的振盪幅度。R2B的幅度量級正確時,則可達到平衡,從而使VOUTPUT收斂。在圖1所示的電路中,R2B採用了一個單獨的100 kΩ digiPOT。

結論

透過採用所述的電路和10 kΩ雙digiPOT,可以分別以8 kΩ、4 kΩ和670 Ω的電阻值調諧8.8 kHz、17.6 kHz和102 kHz振盪頻率,頻率誤差低至±3%。提高輸出頻率可能會影響頻率誤差。例如,200 kHz時,頻率誤差將增至6%。

在頻率相關應用中使用此類電路時,必須注意,不要超過digiPOT的頻寬限值,因為該值與可編程電阻呈函數關係。此外,圖1所示的頻率調諧要求R1A和R1B的電阻值相同。但是,兩個通道只能依次設定,並會導致暫態臨界中間狀態。對於某些應用,這種情況是不可接受的。在這些情況下,可以使用支援菊鍊模式的digiPOT(例如AD5204AD5204),以便能夠同時更改電阻值。