注入鎖定一個(gè)Wien橋振蕩器

最近，我有機(jī)會(huì)研究了一款新的微功耗6MHz LTC6255運(yùn)放， 用它驅(qū)動(dòng)一個(gè)12 位、250 kS/s 的LTC2361ADC。我希望采集一個(gè)大約5kHz的純正弦波的FFT。問題是，要獲得一個(gè)純正弦波的FFT，就需要也是一個(gè)純正弦波。但大多數(shù)可編程信號(hào)發(fā)生器的噪聲性能與失真性能都不怎么樣，更別提與專用運(yùn)放和好ADC相比較的“嘈雜”數(shù)字背景了。你不可能使用“約60dB”的源去測(cè)出90dB的失真與噪聲。所以我沒有嘗試去找一臺(tái)近乎理想的可編程信號(hào)發(fā)生器，而是決定使用一只超低失真運(yùn)放LT1468-2，做一個(gè)低失真的Meacham燈泡穩(wěn)定(Meacham-bulb-stabilized)Wien橋振蕩器(圖1)。

燈泡的波幅穩(wěn)定技術(shù)是利用了燈泡阻抗的正溫度系數(shù)，以穩(wěn)定運(yùn)放的增益，使之與Wien橋中心頻率處的衰減系數(shù)3相匹配。當(dāng)輸出幅度增加時(shí)，燈絲被加熱，阻抗增加，降低了增益，因而降低了幅度。我手邊沒能立即找到常見的所謂327燈泡，決定嘗試用一個(gè)較小功率的高壓燈泡，即圖1中的C7 Christmas燈。在室溫下，測(cè)得其阻抗為316Ω，經(jīng)過冷凍后(大約15°C)，測(cè)得阻抗為270Ω。在120V、5W規(guī)格下，它在白熱狀態(tài)下應(yīng)該為2.8k。似乎有一個(gè)阻抗區(qū)間都能穩(wěn)定地獲得增益3，因此我決定將它串聯(lián)一只100Ω電阻，使之更加線性化。

在增益為3時(shí)，燈泡與100Ω之和必須是1.24 k反饋的一半(或等于612Ω)，因此燈泡必須穩(wěn)定在512Ω。用(316-270)Ω/[25-(-15)] =1.15Ω/ 的電阻溫度系數(shù)做粗略計(jì)算，得燈絲溫度約為195 。

振蕩器起振正常，在輸出端有數(shù)伏的良好5.15 kHz正弦波，單獨(dú)的測(cè)量表明其二次與三次諧波分量都小于-120dBc。用圖2中的電容與電位器做隔直和調(diào)節(jié)直流電平后，將振蕩器加在LTC6255的輸入端。交流幅度調(diào)節(jié)在-1dBFS，而調(diào)節(jié)直流電平，使信號(hào)位于ADC范圍的中心處。不過，這個(gè)振蕩器是純模擬的，后臺(tái)沒有用于與ADC同步的“10MHz基準(zhǔn)輸入”。結(jié)果是FFT中有明顯的頻譜泄漏，因此看上去更像一個(gè)馬戲團(tuán)帳篷，而不是一個(gè)脈沖。為減少FFT泄漏，給數(shù)據(jù)加一個(gè)92dB的Blackman-Harris窗口，可得到一個(gè)好看的FFT(圖3)。

盡管這個(gè)FFT有一定的準(zhǔn)確度，但仔細(xì)檢查就會(huì)發(fā)現(xiàn)一些問題。例如，輸入信號(hào)是-1dBFS，但從圖形上看，它顯然低于-1dB。其原因是，即便出色的窗口功能也會(huì)在主脈沖附近的頻率窗口內(nèi)留下一些基波功率。軟件將這些窗口包含在其功率計(jì)算中，這理所應(yīng)當(dāng)，但事實(shí)是脈沖過低，不能做出好的圖形。

諧波高度也有相同的情況，雖然它們計(jì)算無誤，相對(duì)基波是精確的，但它們的絕對(duì)項(xiàng)也看似過低。所以，對(duì)一個(gè)一致的鎖相系統(tǒng)來說，開窗口是沒有替代的。

當(dāng)發(fā)現(xiàn)這些缺點(diǎn)時(shí)，我絕望地認(rèn)為自己大概得重新回去畫圖了，否則就得找到一款低失真和低噪聲的鎖定振蕩器，或者有超好的后濾波。我怎么樣才能在這種優(yōu)勢(shì)的數(shù)字環(huán)境中，做出與一個(gè)FFT窗口相一致的基礎(chǔ)模擬振蕩器？在5 kHz時(shí)，一個(gè)陷波的無源濾波器既大又繁雜。我打算通過減少增益的方法使Wien橋振蕩器失諧，從而將其轉(zhuǎn)換成為一個(gè)濾波器。

但我忽然想到，一個(gè)模擬正弦波會(huì)失真，但鎖定良好的外接振蕩器可能足以將Wien橋頻率修改為需要的值。于是我決定嘗試將一個(gè)正弦波注入到Wien橋運(yùn)放電路的輸入端，并選擇了一個(gè)大的串聯(lián)阻抗，避免同時(shí)注入噪聲與失真。我想用200 k阻抗，這是現(xiàn)有阻抗的大約1000倍，并將其放在圖4所示的左側(cè)(“新輸入端”)。我將Agilent 33250A設(shè)為5kHz正弦波，將其加在新輸入端上，同時(shí)用一臺(tái)示波器觀察33250A和Wien橋輸出端，然后慢慢調(diào)高33250A頻率。我緊張地看到，兩個(gè)正弦波最終“重合”了，然后進(jìn)入了鎖定狀態(tài)。

我連上了10MHz的背板基準(zhǔn)信號(hào)，將33250A的頻率改為5.157kHz，這是FFT中最近的相干窗口了。兩個(gè)正弦波維持鎖定，可編程的33250A發(fā)生器成功地將Wien橋振蕩器略微拉偏其自然頻率，而達(dá)到了所需要的頻率。結(jié)果就是一個(gè)幾乎理想的FFT。所有相干的基波功率和失真功率都位于唯一的窗口內(nèi)，并精準(zhǔn)地表示(圖5)。

可編程正弦波發(fā)生器通常有很好的相位噪聲特性，以及10 MHz的鎖定能力，但它們也有高輸出帶寬的背景噪聲與失真。一個(gè)FFT會(huì)對(duì)所有這些形式的破壞源很敏感，也有一個(gè)固定數(shù)量的輸出窗口頻率。為了測(cè)試高性能的模擬與混合信號(hào)系統(tǒng)，經(jīng)典的Wien橋振蕩器與可編程發(fā)生器的恰當(dāng)組合，可以提供一個(gè)近乎完美的同步采樣信號(hào)源，獲得精確的FFT。