如何使用數(shù)字電位器構(gòu)建可編程振蕩器

數(shù)字電位器(digiPOT)功能多樣，應(yīng)用廣泛，例如，用于濾除或生成交流信號(hào)。但是，有時(shí)頻率必須能夠有所變化，并根據(jù)應(yīng)用需求調(diào)整。在此類設(shè)計(jì)中，支持通過(guò)適當(dāng)?shù)慕涌谡{(diào)整頻率的可編程解決方案極為有用，在有些情況下，非常有助于開(kāi)發(fā)。本文介紹一種簡(jiǎn)單易行的可編程振蕩器構(gòu)建方法，其中，振蕩頻率和幅度可以通過(guò)使用digiPOT來(lái)彼此獨(dú)立地調(diào)節(jié)。

圖1.振幅穩(wěn)定的可編程文氏電橋振蕩器，其中電阻由digiPOT代替。

圖1顯示的是典型二極管穩(wěn)定文氏電橋振蕩器，可用于在輸出端(VOUTPUT)產(chǎn)生約10 kHz至200 kHz的精確正弦波信號(hào)。文氏電橋振蕩器有兩個(gè)橋路，一個(gè)由帶通濾波器構(gòu)成，另一個(gè)由分壓器構(gòu)成。除了 ADA4610-1  軌到軌精密放大器之外，本示例還使用了 AD5142 digiPOT，其包含兩個(gè)獨(dú)立可控的電位器，每個(gè)具備256步進(jìn)分辨率。電阻值通過(guò)SPI編程設(shè)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(jīng)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(gè)并聯(lián)二極管D1和D2或其電阻RDIODE則形成負(fù)反饋。在這種情況下，可以使用公式1：

為了實(shí)現(xiàn)持續(xù)穩(wěn)定的振蕩，需要消除環(huán)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(shù)字代碼的十進(jìn)制等效值，RAB表示電位器的總電阻。

為了保持振蕩，文氏電橋振蕩器應(yīng)當(dāng)相對(duì)平衡，也就是說(shuō)，正反饋增益和負(fù)反饋增益必須協(xié)調(diào)一致。如果正反饋（增益）過(guò)大，振蕩幅度或VOUTPUT將增加，直至放大器飽和。如果負(fù)反饋占主導(dǎo)，則振蕩幅度將相應(yīng)衰減。

在此處所示的電路中，增益R2/R1應(yīng)設(shè)置為2左右或更大些。這會(huì)確保信號(hào)開(kāi)始振蕩。

但是，交替開(kāi)啟負(fù)反饋環(huán)路中的二極管也會(huì)導(dǎo)致增益暫時(shí)小于2，從而使振蕩穩(wěn)定下來(lái)。

一旦確定所需的振蕩頻率，就可以通過(guò)R2，不受頻率影響地調(diào)諧振蕩幅度。可以通過(guò)下式計(jì)算：

所以，變量ID和VD分別代表通過(guò)D1和D2的二極管正向電流和二極管正向電壓。如果R2B出現(xiàn)短路，會(huì)產(chǎn)生約±0.6 V的振蕩幅度。R2B的幅度量級(jí)正確時(shí)，則可達(dá)到平衡，從而使VOUTPUT收斂。在圖1所示的電路中，R2B采用了一個(gè)單獨(dú)的100 kΩ digiPOT。

結(jié)論

通過(guò)采用所述的電路和10 kΩ雙digiPOT，可以分別以8 kΩ、4 kΩ和670 Ω的電阻值調(diào)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(huì)影響頻率誤差。例如，200 kHz時(shí)，頻率誤差將增至6%。

在頻率相關(guān)應(yīng)用中使用此類電路時(shí)，必須注意不要超過(guò)digiPOT的帶寬限值，因?yàn)樵撝蹬c可編程電阻呈函數(shù)關(guān)系。此外，圖1所示的頻率調(diào)諧要求R1A和R1B的電阻值相同。但是，兩個(gè)通道只能依次設(shè)置，并會(huì)導(dǎo)致瞬時(shí)臨界中間狀態(tài)。對(duì)于某些應(yīng)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(shí)更改電阻值。

作者簡(jiǎn)介

Thomas Brand于2015年加入德國(guó)慕尼黑的ADI公司，當(dāng)時(shí)他還在攻讀碩士。畢業(yè)后，他參加了ADI公司的培訓(xùn)生項(xiàng)目。2017年，他成為一名現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用工程師。Thomas為中歐的大型工業(yè)客戶提供支持，并專注于工業(yè)以太網(wǎng)領(lǐng)域。他畢業(yè)于德國(guó)莫斯巴赫的聯(lián)合教育大學(xué)電氣工程專業(yè)，之后在德國(guó)康斯坦茨應(yīng)用科學(xué)大學(xué)獲得國(guó)際銷售碩士學(xué)位。