振荡电路的设计与应用
第2节 用于模拟电路的正弦波振荡模块
更新于2008-08-28 11:15:46

2.1模拟电路模块

模拟电路在不同意义上有很复杂的概念。说到电路,需要基于一定法则计算晶体管与运算放大器等周围的电阻/电容的参数,从而选用元器件
话虽如此,若完善地进行电路的标准化,则电路挪用就变为可能。这样,极大地提高了设计效率。
进行电路挪用的是电路模块。现能做到不只是电路模块,还有电路的集成化或大规模集成化,但对于振荡电路等,兼顾到使用数量,使用混合集成电路或电路模块这种结构。
混合集成电路有数千个量级的元件即所谓合理数量的元件,元件数目在其以下的可制成带有电路模块的小型印制板。如照片2.19所示,最近有容易买到的将晶体管、运算放大器组合并进行SO封装的组件,电阻与电容也使用片元件,这样,就可以实现与混合集成电路一样小型化。
照片2.20示出市售的模拟电路用正弦波振荡模块实例。


照片2.19SO封装等小型化的振荡电路模块基板实例

照片2.20市售模拟电路用振荡模块实例


低频范围对频率精度要求不高时,采用RC振荡方式(典型值为±1%)完全能胜任,若是低失真用途,适宜选用OSC-202A。
用数字数据改变振荡频率时最适宜采用OSC201A,对精度与稳定度有一定要求的用途最适宜选用直接数字频率合成方式的DDS-16B。
这些振荡模块都可以用于传感器电路的激励或自动计测的信号源等。
下面介绍典型振荡模块的使用方式与工作波形。这些模块电路的工作原理在第4章以后将详细介绍。


2.2.2电阻调谐式二相振荡器OSC-05X

图2.8示出电阻调谐式二相振荡器OSC-05X的内部结构图。它是在状态变量电路中施加正反馈的振荡方式,振荡频率由二级反相积分电路决定,但内有1000pF电容,因此,振荡频率fosc为:
fosc=1/(2π×1000×10-12×R)
式中,R实际上为模块的①②,③④端子的外接电阻。


图2.8OSC-05X的内部构成图


为了使振荡输出振幅稳定化,OSC-05X采用无时间常数的限幅方式,若外接电容,可以在超低频率时产生振荡。这时在①⑤和④⑥端子间接入电容CEX。振荡频率为
fosc=1/2πR(CEX+1000×10-12)
反之,最高振荡频率受到模块内电容(1000pF)的限制,频率为40~50kHz。
OSC-05X使用方式非常简单,工作电源为±15V。若接入一个用于设定频率的电阻(4kΩ),则得到振荡输出振幅为20Vp-p,频率为393kHz的二相输出(各自相位差90°),如照片2.21所示。
这时的波形失真如照片2.22所示,3次谐波对于40kHz的基波失真为-54dB(0.2%)。该数值决不是最佳值,但除计测失真用途以外,其值很实用。失真是二相输出中测量余弦输出的数值,但正弦输出稍差一些。原因是二级积分输出,即余弦输出具有-6dB/oct的高频衰减能力。


照片2.21OSC-05X的二相输出波形

照片2.22OSC-05X的余弦输出失真波形


2.2.3低失真率二相振荡器OSC-202A

OSC-202A是一种低失真率的振荡模块,由外接电阻和电容可在音频范围(可听频率)的任意频率上产生振荡。
图2.9是OSC-202A内部构成图,它采用在低频经常使用的状态变量电路中施加正反馈,用电压控制电阻(VCR)电路使输出振幅稳定的方式。因此缺点是电源接通及用开关切换RC元件时,振荡输出的振幅中出现冲击波。


图2.9OSC-202A内部构成图

振荡频率范围为20Hz~100kHz,外接元件各自需要两个电阻与电容,振荡频率由RC决定,即为
fosc=1/2πRC
R=1/2πfosc·C
先确定较容易得到的电容C,然后计算外接电阻R的阻值,要选用各参数相对误差(±2%左右)小的元件。
在采用电压控制电阻使振幅稳定的电路中,振幅检测电路中平滑滤波器的电容值与波形失真有关。因此,对于数十赫的低频率,需要更低失真的波形时,要在OSC-202A的⑩~①脚间接入数十微法的电容(但要注意,响应时间会变慢)。
例如,fosc=10kHz时,各自接入2个电容和电阻,C=1000pF,R=15.92kΩ(实际使用16kΩ),工作电源为±15V。这时的二相输出波形如照片2.23所示,振荡输出频率为9.86kHz,输出振幅约为95Vpp。
振荡频率与限定的设计值一致时,外接的任何一个电阻都可以改变约±5%,例如,R=16kΩ,可采用15kΩ的固定电阻与2kΩ半固定电阻进行串联。余弦输出波形失真非常小,约为-80dB(0.01%)以下,如照片2.24所示。在100Hz~30kHz频率范围失真约为0.015%。


照片2.23OSC-202A的二相输出波形

照片2.24OSC-202A的余弦输出波形的失真情况


2.2.4可编程低频二相振荡器OSC-201A

在自动测试系统等中经常使用可编程振荡模块,其振荡频率由数字数据进行设定。OSC-201A就是一种用8位数据(高位字节用16进制设定)设定频率的振荡模块,但实际的商品有L型和H型,其中,L型的步进频率为10Hz,频率可变范围为10~1590Hz;H型的步进频率为100Hz,频率可变范围为100Hz~15.9kHz。
图2.10是OSC-201A的内部构成图。这种模块基本上是状态变量电路中施加正反馈产生振荡,切换梯形电阻网络的合成电阻值对频率进行控制。


图2.10OSC-201A的内部构成图


OSC-201A是一种适用于超低频振荡的功能模块,模块内有温度系数低的电容,L型的电容为0.018μF,H型为0.0018μF。另外,也可以在④⑤以及⑥⑦脚间外接电容。
OSC-201A为使振幅稳定不采用自动增益控制(AGC)方式,而采用限幅方式。为此,振荡频率与振幅能瞬时(用于切换梯形电阻网络的模拟开关需要的响应时间)稳定。
用CMOS模拟开关切换积分电阻即梯形电阻网络进行振荡频率的转换,电阻值的可变范围为884~5.56kΩ(16进制代码即01~F9)。
OSC-201A的特征:振荡频率改变时,输出波形不会出现不连续性,这时的情况如照片225所示。最初以200Hz(02)进行振荡,当MSB由H→L时设定数据(82),进行由200Hz→8.2kHz的切换,频率变化非常好。


照片2.25频率由200Hz→8.2kHz进行切换时OSC-201A输出波形的变化情况


照片2.26是二相振荡输出波形。设定数据为10kHz(AO)时,电路以9.98kHz的频率(误差为-0.2%)进行振荡。
由于采用限幅方式,波形失真较大,但3次谐波的失真为-54dB(02%),如照片2.27所示。


照片2.26OSC-20AH的二相振荡输出波形

照片2.27OSC-201AH的cos输出波形的失真情况

 

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