壓控振蕩器的測(cè)試實(shí)現(xiàn)

袁云華 陳章濤 趙永興 簡(jiǎn) 力

（湖北航天技術(shù)研究院計(jì)量測(cè)試技術(shù)研究所，湖北孝感，432000）

壓控振蕩器的測(cè)試實(shí)現(xiàn)

袁云華 陳章濤 趙永興 簡(jiǎn) 力

（湖北航天技術(shù)研究院計(jì)量測(cè)試技術(shù)研究所，湖北孝感，432000）

壓控振蕩器VCO廣泛用于自動(dòng)控制、數(shù)字儀表和無(wú)線電設(shè)備中，用于完成電壓和頻率之間的轉(zhuǎn)換，是一種實(shí)現(xiàn)模數(shù)轉(zhuǎn)換功能的器件。本文在詳細(xì)分析RC壓控振蕩器AD650結(jié)構(gòu)和工作原理的基礎(chǔ)上，結(jié)合SP3160VA超大規(guī)模集成電路測(cè)試系統(tǒng)資源，提出對(duì)壓控振蕩器的自動(dòng)測(cè)試實(shí)現(xiàn)方法，包括程序設(shè)計(jì)方案，外圍元件的選擇方法和主要參數(shù)的實(shí)現(xiàn)方法。

壓控振蕩器 AD650 SP3160VA 自動(dòng)測(cè)試

AbstractVoltage controlled oscillator（VCO） is widely used in automatic control，digital instrument and radio equipment，which is used to realize the conversion between voltage and frequency.This paper based on voltage controlled oscillator AD650 structure and working principle of a detailed analysis of the RC，according to system resources test SP3160VA VLSI，proposed the automatic test of VCO implementation method，including program design，implementation methods and main parameters of the external components.

Key wordsVoltage controlled oscillator AD650 SP3160VA Automatic test

1 引言

壓 控振蕩器（Voltage Controlled Oscillator，VCO）也稱為電壓頻率轉(zhuǎn)換器（VFC），是一種以電壓輸入來(lái)控制振蕩頻率的器件，能將模擬電壓量變換為脈沖信號(hào)，該輸出脈沖信號(hào)的頻率與輸入電壓量的大小成正比。將電壓量（或電流量）轉(zhuǎn)換成頻率信號(hào)以后其抗正弦和非正弦周期干擾的能力大為增強(qiáng)，且壓頻轉(zhuǎn)換關(guān)系的單調(diào)性不會(huì)受電源電壓和環(huán)境溫度變化的影響，穩(wěn)定性增高，廣泛應(yīng)用于信號(hào)隔離和遠(yuǎn)距離傳輸?shù)臏y(cè)控系統(tǒng)及調(diào)制解調(diào)器、自動(dòng)控制和無(wú)線電設(shè)備中。

壓控振蕩器的類型有LC壓控振蕩器、RC壓控振蕩器和晶體壓控振蕩器。高頻壓控振蕩器的電壓控制頻率部分通常使用變?nèi)荻O管C和電感L所接成的LC諧振電路，而低頻壓控振蕩器則依照不同頻率選擇不同的方法，例如AD650就是以改變對(duì)電容的充電速率為手段來(lái)得到一個(gè)電壓控制的振蕩頻率的RC壓控振蕩器。

下面以AD650器件為例，詳細(xì)分析壓控振蕩器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和工作原理，并結(jié)合SP3160VA超大規(guī)模集成電路測(cè)試系統(tǒng)（以下簡(jiǎn)稱SP3160VA測(cè)試系統(tǒng)），提出對(duì)其進(jìn)行自動(dòng)測(cè)試的實(shí)現(xiàn)方案。

2 AD650器件介紹

AD650是美國(guó)AD公司生產(chǎn)的典型的RC壓控振蕩器[1]，通過(guò)改變對(duì)電容的充電速率來(lái)得到預(yù)期的振蕩頻率，具有外接電路簡(jiǎn)單、振蕩頻率高、非線性誤差低、輸入方式靈活，集電極開路輸出及模擬地和數(shù)字地分開等顯著特點(diǎn)。DIP-14封裝的AD650引腳排列如圖1所示。各引腳說(shuō)明見表1。

表1 AD650各引角說(shuō)明

AD650器件通過(guò)改變外圍電路的連接方式，即可實(shí)現(xiàn)電壓頻率轉(zhuǎn)換功能，也可實(shí)現(xiàn)頻率電壓功能。下面詳細(xì)介紹AD650的結(jié)構(gòu)組成和工作原理。

3 AD650的結(jié)構(gòu)組成和工作原理

AD650的結(jié)構(gòu)如圖2所示，其內(nèi)部主要包括6個(gè)部分：①積分放大器；②電壓比較器（也稱精密閾值電壓檢測(cè)器）；③單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器；④模擬開關(guān)；⑤1mA電流源；⑥輸出級(jí)（晶體管VT，集電極開路輸出）。外圍元件主要有輸入端限流電阻RIN、積分電容CINT、定時(shí)電容COS和輸出端上拉電阻RC。

AD650采用電荷平衡式轉(zhuǎn)換原理，如圖2所示，輸入信號(hào)VIN經(jīng)輸入電阻RIN產(chǎn)生輸入電流，通過(guò)1mA內(nèi)部電流源開關(guān)，控制積分電容CINT充電和放電，使CINT上的電流和內(nèi)部積分放大器的反饋電流形成回路，達(dá)到電流源精確平衡。這種電流脈沖可看成是由精密的電荷群構(gòu)成。由于單位時(shí)間傳遞到積分電容CINT兩端的電荷數(shù)量與輸入信號(hào)電流幅度呈線性函數(shù)關(guān)系，所以可實(shí)現(xiàn)電壓-頻率轉(zhuǎn)換。

電壓頻率轉(zhuǎn)換具體過(guò)程分為積分和復(fù)位兩個(gè)階段進(jìn)行，通過(guò)圖3至圖5所示的示意圖詳細(xì)分析這兩個(gè)過(guò)程的工作原理。

1）積分階段：該階段電路原理圖如圖3所示，當(dāng)單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器輸出為低電平時(shí)，電流開關(guān)打向積分放大器輸出端。輸入電壓經(jīng)輸入電阻RIN轉(zhuǎn)換為電流（IIN=VIN/RIN）對(duì)積分電容CINT充電，轉(zhuǎn)換成電荷Q1（Q1=CINT·VIN）。由于電容兩端的電壓不能突變，VOUT端電位呈負(fù)斜率變化，直至下降到閾值電平，這段時(shí)間稱為積分周期T1；

2）復(fù)位階段：簡(jiǎn)化原理圖如圖4所示，當(dāng)積分放大器輸出端（VOUT端）電位降到比較器的閾值電平時(shí)，比較器輸出高電平觸發(fā)單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器，電流開關(guān)打向積分放大器反相輸入端，電流（1mA-IIN）對(duì)積分電容CINT反向充電，在CINT上形成電荷Q2。由于Q2與Q1極性相反，將Q1中和掉，導(dǎo)致A點(diǎn)電位降低，使VOUT端電位線性地升高，這段時(shí)間稱為復(fù)位周期tOS。

復(fù)位周期tOS由單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器內(nèi)部的6.8kΩ定時(shí)電阻和外部定時(shí)電容COS決定?？紤]到tOS還存在300ns的傳輸延遲時(shí)間，故復(fù)位周期如公式（1）：

復(fù)位周期內(nèi)分放大器輸出端VOUT電位上升幅度ΔV的大小如公式（2）所示。

當(dāng)復(fù)位周期結(jié)束時(shí)，單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器輸出回到低電平狀態(tài)，如圖3所示，電流開關(guān)重新打向積分放大器輸出端。開始下一個(gè)積分周期，形成自激振蕩，如圖5所示。積分周期T1可按公式（3）計(jì)算：

單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器每觸發(fā)一次的時(shí)間間隔為tOS+T1，晶體管的輸出受單穩(wěn)控制，因此輸出頻率為：

式中：COS——單位為pF；44pF——COS引腳的分布電容。

至此，輸出頻率與輸入電壓成正比，完成V/F轉(zhuǎn)換。

有兩點(diǎn)需要說(shuō)明：

1）積分放大器輸出為鋸齒波，但經(jīng)過(guò)單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器后，壓控振蕩器輸出的是矩形波（窄脈沖）；

2）積分電容CINT與輸出頻率無(wú)關(guān)，它僅僅決定鋸齒波幅度的大小。

4 AD650測(cè)試線路設(shè)計(jì)

4.1 測(cè)試線路設(shè)計(jì)的總體方案

根據(jù)上述壓控振蕩器的工作原理和AD650自身的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)測(cè)試線路時(shí)需遵循以下幾個(gè)原則。

1）合適的外圍元件，保證器件正常工作；

2）選擇雙極性輸入方式。通過(guò)不同的外部鏈接，可控制AD650為單極性輸入或雙極性輸入，但AD650的一個(gè)典型特點(diǎn)就是可以雙極性輸入，為了考核這一點(diǎn)，在測(cè)試線路設(shè)計(jì)過(guò)程中選擇雙極性連接；

3）輸入電壓信號(hào)的精度和線性度要高，必要時(shí)可由高精度電壓表進(jìn)行校準(zhǔn)；

4）進(jìn)行輸出頻率采樣的測(cè)試設(shè)備的測(cè)量精度要滿足要求，且必須能進(jìn)行程控；

5）電源去耦和接地；

6）若不能保證外圍元件精度，則需設(shè)計(jì)增益和失調(diào)的調(diào)整電路。

4.2 測(cè)試線路圖

基于上述原則，結(jié)合SP3160VA測(cè)試系統(tǒng)的硬件資源，確定測(cè)試線路。當(dāng)滿度頻率輸出范圍為100kHz，輸入范圍為-5V～+5V時(shí)的測(cè)試連接，如圖6所示。

圖 4中，VIS1、VIS2、VIS3為程控電源，是SP3160VA測(cè)試系統(tǒng)的四象限的電壓電流源。

SVR為SP3160VA測(cè)試系統(tǒng)的高精度電壓基準(zhǔn)源，精度達(dá)到0.01%，為AD650提供輸入電壓信號(hào)；

3458A為可程控的8位半數(shù)字電壓表，其內(nèi)置頻率計(jì)數(shù)器到10MHz，可用于輸入電壓信號(hào)的校準(zhǔn)，提高輸入信號(hào)的精度和線性度，也可用于低頻輸出時(shí)的頻率測(cè)量；

53132A為可程控的通用計(jì)數(shù)器，測(cè)量范圍0.2Hz～240MHz，可用于高頻輸出時(shí)的頻率測(cè)量；

TDS3032B為可程控的數(shù)字熒光示波器，帶寬300MHz，可實(shí)時(shí)監(jiān)控輸出波形。

TP1和TP2為SP3160VA測(cè)試系統(tǒng)中3458A的測(cè)量通道。

4.3 外圍元件的選擇方法

根據(jù)上述電壓頻率轉(zhuǎn)換的工作原理，VCO電路正常工作需確定四個(gè)外接元件，即輸入限流電阻RIN、定時(shí)電容COS、上拉電阻RC，積分電容CINT。

1）RC的選擇：RC作為上拉電阻，應(yīng)限制輸出晶體管中電流小于8mA，如選用5V邏輯電源，RC應(yīng)不低于5V/8mA=625Ω。故測(cè)試連接圖中RC選擇為1kΩ；

2）RIN和COS的選擇：RIN和COS決定了滿度頻率和輸入電壓范圍，同時(shí)也決定了非線性度的大小。一般說(shuō)來(lái)，COS越高，輸入電流越?。≧IN越大），線性度越好。在輸入電壓為0～10V情況下，可根據(jù)圖5a和圖5b來(lái)選取RIN和COS。如滿度頻率100kHz（0～10V輸入），選取 RIN=20kΩ 和 COS=620pF有最低的非線性度誤差（0.0038%）；如果輸入電壓范圍改變，RIN應(yīng)成比例變化，如輸入電壓0～10V，RIN選取100kΩ；若輸入電壓變?yōu)?～1V，則 RIN相應(yīng)選取10kΩ；±10V則對(duì)應(yīng)200kΩ輸入電阻，依此類推；

根據(jù)3458A的最佳頻率采樣范圍和SVR的最佳電壓輸出范圍，例如當(dāng)滿度頻率輸出范圍為100kHz，輸入范圍為-5V～5V。因此，選取 COS為360pF，RIN約40kΩ；

3）積分電容CINT：積分電容CINT僅決定復(fù)位周期電壓的高低，其最佳值按下式選取，最小為1000pF。

根據(jù)測(cè)量線路設(shè)計(jì)的滿度頻率輸出范圍100kHz，確定CINT為1000pF。

4.4 電源去耦和接地方法

為了避免數(shù)字噪聲耦合到模擬電路中去，器件的模擬地和數(shù)字地是分開的，模擬地和數(shù)字地應(yīng)分開布線，最后接入電源地線輸入端實(shí)現(xiàn)一點(diǎn)接地。在正負(fù)電源端加入0.1μF的退耦電容。

4.5 增益和失調(diào)的調(diào)整方法

當(dāng)不能保證外圍元件精度時(shí)，可以利用可調(diào)電阻或電位器，對(duì)AD650的增益和失調(diào)進(jìn)行調(diào)整。

AD650增益誤差典型值為±5%，若要提高精度，只需將RIN設(shè)計(jì)為兩個(gè)電阻R1和R3串聯(lián)的形式，R3固定為大電阻37.4kΩ，R1為5kΩ可調(diào)電位器，就可以實(shí)現(xiàn)增益的微調(diào)。

可以用20k電位器跨接在兩個(gè)ADJ調(diào)整端之間，中間抽頭經(jīng)250kΩ電阻接到+Vs上，通過(guò)電位器的中間抽頭對(duì)器件內(nèi)部積分放大器的失調(diào)進(jìn)行調(diào)節(jié)。

5 主要參數(shù)的實(shí)現(xiàn)方法

基于上述工作原理，AD650的一個(gè)重要的特點(diǎn)就是頻率范圍寬、非線性誤差小。工作頻率范圍是0～1MHz。在10kHz、100kHz和1MHz時(shí)，非線性誤差分別為0.002%、0.005% 和0.07%（典型值）。因此，滿刻度輸出誤差和非線性誤差指標(biāo)是衡量其特性的最主要的兩個(gè)參數(shù)。下面介紹在SP3160VA測(cè)試系統(tǒng)上，采用源代碼編程的方式實(shí)現(xiàn)VCO器件的測(cè)試的方法，該方法可以靈活的進(jìn)行各種需要數(shù)據(jù)處理，實(shí)現(xiàn)非線性誤差的相關(guān)計(jì)算非常方便快捷。

測(cè)試過(guò)程中應(yīng)用示波器實(shí)時(shí)監(jiān)控器件輸出波形，剔除波形不正常者。

5.1 滿刻度輸出誤差

將被測(cè)VCO接入測(cè)試線路，并施加規(guī)定的電源電壓，輸入端施加最大輸入電壓Vmax，此時(shí)用3458A或53132A測(cè)試被測(cè)VCO輸出頻率fout，根據(jù)公式（6），計(jì)算滿刻度輸出誤差δ：

式中：fmax——理想滿輸出頻率。

5.2 線性誤差測(cè)試實(shí)現(xiàn)

線性誤差是指實(shí)際轉(zhuǎn)換特性曲線與最佳擬合直線偏差間的最大偏差[3]。線性誤差表示了器件在所有的數(shù)值點(diǎn)上對(duì)應(yīng)的模擬值和真實(shí)值之間誤差最大的那一點(diǎn)的誤差值，也就是輸出數(shù)值偏離擬合直線最大的距離。

最佳擬合直線的確定方法有多種，這里采用最常用的最小二乘法來(lái)實(shí)現(xiàn)。測(cè)試實(shí)現(xiàn)步驟如下：

1）將模擬輸入電壓平均分為10個(gè)點(diǎn)為（x1…x10），程控高精度數(shù)字電壓表3458A對(duì)每個(gè)點(diǎn)進(jìn)行校準(zhǔn)，保證輸入信號(hào)線性度不會(huì)對(duì)測(cè)量結(jié)果造成影響，同時(shí)將每一個(gè)輸入點(diǎn)的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)記錄為數(shù)組x[i]（i=1，2，3…10）；

2）對(duì)被測(cè)器件分別輸入上述10個(gè)點(diǎn)，程控高精度數(shù)字電壓表3458A測(cè)量出對(duì)應(yīng)的10個(gè)頻率輸出值（y1…y10），一一記錄到數(shù)組y[i]（i=1，2，3…10）；

3）運(yùn)用最小二乘法，專門設(shè)計(jì)一個(gè)子函數(shù)，計(jì)算通過(guò)采集到的這十個(gè)點(diǎn)（x1，y1）…（x10，y10）的擬合直線的的斜率a和截距b（子函數(shù)說(shuō)明見注1），則最佳擬合直線為y=ax+b；

4）將（x1，y1）…（x10，y10）十個(gè)點(diǎn)與最佳你和直線上的對(duì)應(yīng)的點(diǎn)進(jìn)行比較，得出得出每個(gè)點(diǎn)的偏差，并找出其中的最大偏差Δmax，則非線性誤差按下式計(jì)算：

注1：對(duì)兩個(gè)數(shù)組x[i]和y[i]（i=1，2，3…n）采用最小二乘法計(jì)算最佳擬和直線斜率a和截距b的子函數(shù)如下（n為采樣點(diǎn)的個(gè)數(shù)）。

6 結(jié)束語(yǔ)

本文結(jié)合SP3160VA測(cè)試系統(tǒng)，給出了AD650的測(cè)試線路設(shè)計(jì)方案和具體測(cè)試實(shí)現(xiàn)方法。按上述方法編制的AD650測(cè)試程序可自動(dòng)測(cè)試出滿度誤差、非線性誤差等參數(shù)，驗(yàn)證的結(jié)果與AD公司提供的相應(yīng)技術(shù)指標(biāo)的典型值相符，實(shí)現(xiàn)了對(duì)其的自動(dòng)測(cè)試。該方法適用于所有壓控振蕩器的測(cè)試。只是當(dāng)壓控振蕩器的輸出頻率增高以后，如微波壓控振蕩器，對(duì)工裝、外圍、電連接線等的要求都要相應(yīng)提高，否則引入的雜散和諧波都會(huì)對(duì)其輸出造成影響。

[1]高光天．模數(shù)轉(zhuǎn)換器應(yīng)用技術(shù)[M].北京：科學(xué)技術(shù)出版社，2001：225～229.

[2]牛天蘭．V/F，F(xiàn)/V轉(zhuǎn)換器AD650及其應(yīng)用[J].大連鐵道學(xué)院學(xué)報(bào)，2003，24（2）：91～93.

[3]《中國(guó)集成電路大全》編寫委員會(huì)．集成穩(wěn)壓器與非線性模擬集成電路[M].國(guó)防工業(yè)出版社，1989：11～12.

Automatic Test for Voltage Controlled Oscillator

YUAN Yun-hua CHEN Zhang-tao ZHAO Yong-xing JIAN Li
（The Metrology and Measurement Institute of Hubei Space Academy，Xiaogan，Hubei 432000，China）

TQ172.1+6

A

10.12060/j.issn.1000-7202.2017.03.14

2016-09-10，

2016-12-01

袁云華（1978-），女，工程師，主要研究方向：電子元器件檢測(cè)技術(shù)。

1000-7202（2017）03-0066-05