水晶発振子精度のサイン波発生器

要約

このアプリケーションノートでは、デジタルソースからサイン波を作ることでどのように精度を上げドリフトを減らすかについて説明します。この結果、安定した周波数精度の高いサイン波が実現され、サーボ、試験装置、および電気通信システムに最適となります。

サーボ、試験機器、通信システム等のアプリケーションでは、安定した周波数の正確なサイン波が必要になります。こうしたサイン波のオシレータはたくさんありますが、絶対精度とドリフトが満足できるレベルにあるものを見つけるのは困難です。

デジタルソースからサイン波を作れば、高精度と低ドリフトが実現できます。方形波は基本周波数と無限の奇数倍高調波からなっているため、ローパスフィルタで高長波を除去することにより求める基本正弦波を得ることができます。このアプリケーションにはスイッチドキャパシタフィルタ(図1)が適しています。IC3は8次のローパス・バターワース型です。

図1. 方形波から高調波を除去することにより、デジタル回路の安定性とフレキシビリティを持つ正弦波出力が得られます

サイン波発生器は8MHzの信号を8分周し、C1で1MHzを得ます。(IC1の2MHzおよび500kHzの出力を代替駆動信号として使用できます)。Q1は1MHzパルスのレベルをシフトして、バイポーラ出力に必要なバイポーラ回路を駆動できるようにします。(ユニポーラ出力の場合、IC3グランド端子を電源電圧範囲の中央にバイアスし、デカップリングコンデンサを付ければ単一電源で回路が動作可能です。)同期カウンタIC2が1MHzを256分周して求める出力周波数(3906Hz)が得られます。そしてIC3が高調波を除去します。

フィルタのクロックは、50%のデューティサイクルを保証するために、IC2の最初の2分周タップから取ります。IC2はこの信号をさらに128分周して、フィルタの入力信号(1MHz/256)をフィルタ応答の平坦領域に持ってきます。IC2の出力のデューティサイクルを50%にすることにより、対称的なサイン波出力が保証できます。フィルタのメジャーポール(コーナー周波数)はクロックに対して固定されていて、内部クロックとコーナーの比は100:1になっています。フィルタによる減衰で第3高調波の振幅は-80dBまで減少します。

フィルタの入力とクロック周波数の比は1:128に固定されているため、C1での周波数を切り換えたり掃引するとサイン波発生器の出力もそれに比例して変化します。例えば、この周波数を2MHzから500kHzに切り換えると、出力周波数は7812Hzから1953Hzに切り換わります。この帯域は平滑フィルタのコーナー周波数25kHzよりずっと低いため出力振幅は変化しません。また、この回路ではエイリアシングの原因になる周波数(クロックレートの半分を超える奇数倍高調波)の振幅が非常に小さいためエイリアス周波数は問題になりません。

関連する記事が「Electronic Design」の1994年7月25日号にも掲載されています。