一種雙路信號源電路的研制

邢變麗，溫 潔

（1.陜西華經微電子股份有限公司，陜西 西安 710065；2.西安現(xiàn)代控制技術研究所，陜西 西安 710065）

0 引 言

該雙路信號源電路的主要功能是產生兩路頻率400 Hz、相位相差90°的正弦信號，外圍加上集成功率運算放大器，完成功率驅動功能。該產品主要用于平臺式慣性導航系統(tǒng)中，作為旋轉變壓器的激磁信號。該產品的特點是體積小、重量輕、外圍元件少、性能穩(wěn)定、可靠性高以及安裝方便[1]。電路經過二次包封，產品的抗絕緣和抗干擾性能良好。

1 主要技術指標

雙路信號源電路的主要技術指標如表1所示，產品的外形尺寸見圖1。

表1 雙路信號源電路的主要的技術指標

圖1 產品外形尺寸

2 設計原理

該電路是一個信號發(fā)生電路，由時鐘產生電路、分頻電路、移相分頻電路以及濾波電路組成。它是一種輸出穩(wěn)定的正弦波產生電路。經過對該產品技術指標的仔細分析，擬定了產品的設計方案。經過對方案進行論證和評審，最終確定了產品的工作原理，如圖2所示[2]。

U1、U2、U3三個數(shù)字集成電路均通過電壓基準LM431提供±2.5 V的工作電壓，U4通過±15 V直接供電。U1外接晶體振蕩器產生時鐘信號，通過U3對此時鐘信號進行10分頻，然后通過U2對此時鐘信號再進行分頻和移相。U4和外接的電阻、電容組成RC有源低通濾波電路，對信號進行低通濾波，從而得到電路所要求的雙路正弦波信號。

圖2 電路原理圖

2.1 時鐘產生電路

U1是14級二進制串行計數(shù)器，是一種將振蕩器和14級二進制分頻器結合在一起的多功能集成電路。在它的10腳與11腳之間接上RC振蕩電路或晶體振蕩電路，則可通過不同的引腳輸出不同頻率的時鐘信號作為后級U3的時鐘輸入信號。

U1各引出腳輸出時鐘信號頻率的計算方法為f/2n，其中f為晶振頻率，n為分頻級數(shù)。根據(jù)輸出頻率的要求，該電路中晶振的頻率選用2 048 kHz，則6腳輸出的時鐘信號頻率為2 048 kHz/27=16 kHz。

2.2 移相分頻電路

U2、U3是一種預置N分頻器，由5個Johnson計數(shù)器位組成。若單獨使用，它可以實現(xiàn)10（Q5非連接data）分頻、8（Q4非連接data）分頻、6（Q3非連接data）分頻、4（Q2非連接data）分頻以及2（Q1非連接data）分頻功能，即偶數(shù)分頻功能；若與別的元件配合使用，還可以完成奇數(shù)分頻，同時也可以完成相移功能。此分頻器內部包含5個級聯(lián)的D觸發(fā)器，將不同的Qn輸出端連接到DATA數(shù)據(jù)輸入端，完成不同的分頻功能。

為了達到所需頻率的要求，先將前級產生的時鐘信號進行10分頻，再進行移相分頻。在該產品中，由于A、B兩相要求90°的相位差，將其4腳（Q2非）和1腳（DATA）相連，則5腳（Q1非）和11腳（Q4非）輸出的方波相位相差90°，同時完成了4分頻的功能。

U2經過10×4分頻后，頻率為16 kHz/10/4=400 Hz。

2.3 RC有源濾波電路

在方波轉化為正弦波的電路中，選用RC有源濾波電路。經查閱大量的有關濾波電路的資料，最后選用有限增益單反饋環(huán)型4階低通濾波電路。如圖2所示，低通濾波電路部分，R、C與截止頻率有關，R1、R2、R3決定濾波器的放大倍數(shù)。經過周密的設計和計算，R選20 kΩ的電阻，C選0.02 μF（兩只0.01 μF的電容并聯(lián)）的電容，R1、R2、R3均選用10 kΩ電阻。大量實驗表明，設計的雙路信號源電路能達到用戶的各項指標要求。

2.4 結構設計

根據(jù)產品在整機中的作用、產品的安裝方式以及對體積、機械性能、使用環(huán)境等的要求，在產品達到用戶各方面要求的條件下，根據(jù)成本核算，決定選用厚膜組裝工藝。內置芯組采用已封裝器件，封裝結構采用雙列直插式環(huán)氧樹脂灌封塑料外殼封裝。

2.5 可靠性設計

為了保證產品的質量和可靠性，從陶瓷基板到漿料、元器件選取，均選用公司經過驗證的合格供方的材料，以保證原材料和元器件質量的可靠性，并嚴格按照《采購產品檢驗規(guī)范》對進廠原材料進行檢驗。在采購和生產環(huán)節(jié)，始終以質量為核心。通過用戶使用和鑒定檢驗環(huán)節(jié)，充分說明產品的可靠性達到了預期的設計要求。

根據(jù)電路的工作原理及技術指標要求，經過仔細分析電路中所使用元器件的選用，需選用滿足要求的元器件，并根據(jù)《設備可靠性預計手冊GJB/Z299C—2006》對整個電路的元器件進行可靠性預計。該產品的平均故障間隔時間為1.882 74×105h。

結合以往類似產品的使用情況、驗證結果及該產品的使用環(huán)境，加上該產品的輸出功率很小，對散熱沒有特殊要求，所以采用塑料外殼環(huán)氧樹脂灌封封裝，能滿足產品的使用要求。

3 技術難點和解決措施

3.1 技術難點

此雙路信號源電路和產品的電路設計原理比較成熟。但是，在產品的生產過程中發(fā)現(xiàn)，對于不同批次的容量相同的電容，盡管相同的精度要求，但供方提供的元件偏離標稱值的方向不同，導致不同批次的電容對于同一批次的基片，其技術指標達到的程度不同，甚至整批超差，給該電路模塊在生產中造成了困難。

3.2 解決措施

（1）產品配套時，所使用的電容進行仔細分選、配對，使配對后的電容容量之和盡量一致，再根據(jù)配對后的電容范圍將基片上的兩個電阻進行修正，以保證所有的電容都能使用，并且產品的所有性能指標均達到了技術指標的要求。

（2）不同批次的電容對應不同批次的基片時，由于濾波電路部分所有電阻的影響程度不同，對每批次的產品都必須進行試流。在試流的過程中進行功能調阻，以確定要修正的電阻值，再根據(jù)確定的電阻值對同一批次的基片上的個別電阻進行統(tǒng)一調阻（確保批量生產和試流產品為同一批次的電容），然后批量投產，保證整批產品的合格率。

4 結 論

該產品選用的是傳統(tǒng)的厚膜工藝和塑料外殼封裝結構。隨著科學技術的發(fā)展，人們對產品的體積要求越來越小，對產品的工作環(huán)境要求越來越嚴酷，這就要求改進產品的工藝（如采用管芯化工藝）和封裝結構（金屬全密封結構）縮小產品的體積。所以，在保證產品質量的前提下，為用戶提供更小、更可靠、更穩(wěn)定的小型化產品將是不斷追求的目標。