如何使用數字電位器構建可編程振蕩器

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如何使用數字電位器構建可編程振蕩器

Thomas Brand 發表於 2020-06-01 14:34:14

作者： Thomas Brand，ADI 高級現場應用工程師

數字電位器（digiPOT）功能多樣，應用廣泛，例如，用於濾除或生成交流信號。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，支持通過適當的接口調整頻率的可編程解決方案極為有用，在有些情況下，非常有助於開發。本文介紹一種簡單易行的可編程振蕩器構建方法，其中，振蕩頻率和幅度可以通過使用digiPOT來彼此獨立地調節。

圖1.振幅穩定的可編程文氏電橋振蕩器，其中電阻由digiPOT代替。

圖1顯示的是典型二極體穩定文氏電橋振蕩器，可用於在輸出端（VOUTPUT）產生約10 kHz至200 kHz的精確正弦波信號。文氏電橋振蕩器有兩個橋路，一個由帶通濾波器構成，另一個由分壓器構成。除了ADA4610-1 軌到軌精密放大器之外，本示例還使用了AD5142digiPOT，其包含兩個獨立可控的電位器，每個具備256步進解析度。電阻值通過SPI編程設置，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2.AD5142的功能框圖。

在圖1所示的經典振蕩器電路中，R1A、R1B、C1和C2的路徑形成正反饋，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：

為了實現持續穩定的振蕩，需要消除環路增益中的相移。用公式表示，振蕩頻率：

其中，R表示AD5142上的可編程電阻值：

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。

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

在此處所示的電路中，增益R2/R1應設置為2左右或更大些。這會確保信號開始振蕩。

但是，交替開啟負反饋環路中的二極體也會導致增益暫時小於2，從而使振蕩穩定下來。

一旦確定所需的振蕩頻率，就可以通過R2，不受頻率影響地調諧振蕩幅度。可以通過下式計算：

所以，變量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的振蕩幅度。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

通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振蕩頻率，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的帶寬限值，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置，並會導致瞬時臨界中間狀態。對於某些應用，這種情況是不可接受的。在這些情況下，可以使用支持菊花鏈模式的digiPOT（例如AD5204），以便能夠同時更改電阻值。

作者簡介

Thomas Brand於2015年加入德國慕尼黑的ADI公司，當時他還在攻讀碩士。畢業後，他參加了ADI公司的培訓生項目。2017年，他成為一名現場應用工程師。Thomas為中歐的大型工業客戶提供支持，並專注於工業乙太網領域。他畢業於德國莫斯巴赫的聯合教育大學電氣工程專業，之後在德國康斯坦茨應用科學大學獲得國際銷售碩士學位。

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