一種高精度振蕩發(fā)生電路設計

由于地學儀器設計的需要，本文利用一款具有多種波形輸出的精密振蕩集成電路芯片ICL8038，來設計一種高精度振蕩發(fā)生電路，提供一種頻率，幅度都非常穩(wěn)定的振蕩源。

【關鍵詞】振蕩發(fā)生電路 正弦波 模擬振蕩器 地學儀器

在眾多的地學儀器中，大部分都需要一個振蕩器產(chǎn)生一個基頻信號。振蕩信號的發(fā)生的核心問題是信號的控制問題，包括信號頻率、信號種類以及信號幅度，缺一不可，另外也必須考慮振蕩信號在各種工作環(huán)境下的穩(wěn)定性。

1 常用的振蕩信號產(chǎn)生方案

1.1 直接頻率合成法

直接頻率合成法是一種傳統(tǒng)的方法，需要采用大量的倍頻、分頻、混頻和濾波，從單一或幾個參數(shù)頻率中產(chǎn)生所需的頻率，直接頻率合成法的電路體積龐大、成本高、結構復雜，目前已經(jīng)很少使用。

1.2 單片機輸出法

單片機輸出法是通過單片機內部晶振的振蕩頻率進行分頻等一些列的運算得到需要的頻率，利用對單片機的控制，產(chǎn)生固定頻率的振蕩波形，這種方法簡單方便，但是如果用于沒有單片機的電路中就不合適。

1.3 鎖相環(huán)式頻率合成法

鎖相環(huán)式頻率合成法屬于間接頻率合成技術，該法采用鎖相環(huán)電路（phase-locked loop），通常由環(huán)路濾波器（LF）、鑒相器（PD）和壓控振蕩器（VCO）三部分組成通常情況下，程序分頻器都集成在鑒相器芯片中，利用鎖相環(huán)電路就可以實現(xiàn)外部的輸入信號與內部的振蕩信號同步，當鎖相環(huán)電路中輸出信號的頻率等于參考信號的頻率時，輸出電壓與參考信號的電壓保持一定的相位差，也就是說輸出電壓與參考電壓的相位被鎖住。

鎖相環(huán)法通過對程序分頻器M的參數(shù)的調節(jié)能夠很方便的選擇所需要頻率信號，也可以通過環(huán)路濾波器LF濾除雜散信號，保證了輸出振蕩信號的精度與純度，而且還可以采用鎖相環(huán)芯片進行設計，但是鎖相環(huán)得缺點就是頻率轉換時間較長，而且正弦波的幅度以及頻率都很難控制。

2 振蕩發(fā)生電路設計

ICL8038是一款具有多種波形輸出的精密振蕩集成電路芯片，連接少量外部元件就可產(chǎn)生高精度、低失真的正弦波，三角波，鋸齒波和方波等常用波形，輸出波形的頻率和占空比還可以由電流或電阻控制；另外由于該芯片具有調頻信號輸入端，所以可以用來對低頻信號進行頻率調制，且頻率調制和掃描可由一個外接電壓來完成。ICL8038的主要特點有：

（1）可同時輸出任意的三角波、矩形波和正弦波；

（2）頻率范圍：0.001hz～300khz；

（3）占空比范圍：2%～98%；

（4）工作電源：±5V～±12V或者+12V～+25V。

另外，該芯片采用先進的單片集成技術制造，內部采用的是肖特基勢壘二極管薄膜電阻，因此輸出信號在很大的溫度范圍和電源變化范圍內能穩(wěn)定輸出，良好的溫度和電源穩(wěn)定性剛好滿足本次設計環(huán)境的要求，并且正弦波輸出信號的失真率可低到1%，三角波輸出信號的線性失真可低至0.1%，溫漂低于250ppm/℃（每度250百萬分之一）。

根據(jù)ICL8038幾種基本接法，當其用作固定頻率參考正弦波振蕩器時，電路原理圖如圖1所示。即振蕩輸出連接一個運放LF353，其運放的作用是用來減小ICL8038相對較高的輸出阻抗，同時提供了一個緩沖作用，另外，還可以對正弦波幅度根據(jù)需要調節(jié)。該電路可用于電子技術及通訊工程中需要正弦波的場合中。

首先，直接將7腳與8腳短接，可使芯片輸出正弦波頻率為R1，R2以及電容C決定的最高頻率；12腳是輸出正弦波失真度調節(jié)端，可在12腳與11腳之間接82kΩ的電阻，使輸出正弦波的失真度小于1%。連接于4腳的電阻R1決定著輸出信號正弦波上升段的寬度t1，而接于5腳的電阻R2決定著輸出信號正弦波下降段的寬度t2。根據(jù)芯片資料，對一組選定的獨立R1，R2及C，輸出波形的周期為：

。

由于電路中需要的是占空比為50%的正弦波，所以令R1=R2時，即t1=t2，此時：

，需要得到的正弦波周期T為1/50000s，對于任一給定的輸出頻率，可以有很多種滿足這一頻率要求的RC組合。但是式中R，C的取值不是能夠隨便選擇，因為要受到電路中充放電電流的限制，一方面，如果放電過程中電流過小，電路的漏電流在高溫下將產(chǎn)生很大的誤差，所以充放電電流必須大于等于1μA；另一方面，如果充放電得電流過大，三級管的飽和電壓和β值將隨著電流的增加而增加，從而帶來的誤差，因此充放電電流必須小于等于5mA，所以電路中充放電電流應該在10μA到1mA的范圍內。另外，保證I1和I2在10μA～1mA范圍內的同時，I1和I2的取值應盡量大一些，這樣就可以使R1和R2的值小一些，那么相應的電容C就可以取大一些，因為從三角波的線性方面考慮，電容C的值越大相應的線性度也就越好，因此電容C應該取允許值的上限。根據(jù)以上要求，選取C=4.7nf，R=R1=R2=1.27kΩ，選用了兩個2kΩ的滑動變阻器，通過滑動位置來調整R1和R2的數(shù)值。采用開關電壓提供±15V工作電壓使電路工作，將電路輸出結果在示波器中顯示，正弦波的波形如圖2所示，從圖中可以看出，輸出電壓頻率為50KHz，頻率，幅度都達到要求，且精度高，輸出穩(wěn)定。

參考文獻

[1]朱志平.壓控振蕩器中振蕩電路的設計[J].渭南師范學院學報：綜合版，2011（10）：71-74.

[2]王儉，潘欣裕，畢自強等.RC橋式正弦振蕩電路輸出信號幅值特性研究[J].電子設計工程，2015，23（13）：151-154.

作者簡介

劉軍（1987-），男，碩士學位。現(xiàn)為中國地震局地震研究所地震大地測量重點實驗室助理工程師，主要從事地震觀測技術的研究。

作者單位

中國地震局地震研究所地震大地測量重點實驗室 湖北省武漢市 430071