如何使用數字電位器構建可編程振蕩器

數字電位器(digiPOT)功能多樣，應用廣泛，例如，用于濾除或生成交流信號。但是，有時(shí)頻率必須能夠有所變化，并根據應用需求調整。在此類(lèi)設計中，支持通過(guò)適當的接口調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)彼此獨立地調節。

圖1.振幅穩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。文氏電橋振蕩器有兩個(gè)橋路，一個(gè)由帶通濾波器構成，另一個(gè)由分壓器構成。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編程設置，如圖2所示?；蛘?，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則形成負反饋。在這種情況下，可以使用公式1：

為了實(shí)現持續穩定的振蕩，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，文氏電橋振蕩器應當相對平衡，也就是說(shuō)，正反饋增益和負反饋增益必須協(xié)調一致。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。如果負反饋占主導，則振蕩幅度將相應衰減。

在此處所示的電路中，增益R2/R1應設置為2左右或更大些。這會(huì )確保信號開(kāi)始振蕩。

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

一旦確定所需的振蕩頻率，就可以通過(guò)R2，不受頻率影響地調諧振蕩幅度?？梢酝ㄟ^(guò)下式計算：

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出現短路，會(huì )產(chǎn)生約±0.6 V的振蕩幅度。R2B的幅度量級正確時(shí)，則可達到平衡，從而使VOUTPUT收斂。在圖1所示的電路中，R2B采用了一個(gè)單獨的100 kΩ digiPOT。

結論

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)應用中使用此類(lèi)電路時(shí)，必須注意不要超過(guò)digiPOT的帶寬限值，因為該值與可編程電阻呈函數關(guān)系。此外，圖1所示的頻率調諧要求R1A和R1B的電阻值相同。但是，兩個(gè)通道只能依次設置，并會(huì )導致瞬時(shí)臨界中間狀態(tài)。對于某些應用，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年加入德國慕尼黑的ADI公司，當時(shí)他還在攻讀碩士。畢業(yè)后，他參加了ADI公司的培訓生項目。2017年，他成為一名現場(chǎng)應用工程師。Thomas為中歐的大型工業(yè)客戶(hù)提供支持，并專(zhuān)注于工業(yè)以太網(wǎng)領(lǐng)域。他畢業(yè)于德國莫斯巴赫的聯(lián)合教育大學(xué)電氣工程專(zhuān)業(yè)，之后在德國康斯坦茨應用科學(xué)大學(xué)獲得國際銷(xiāo)售碩士學(xué)位。