Генератор гармонического сигнала с со стабильностью кварцевого генератора
В этой статье рассказывается, как получить высокоточный синусоидальный сигнал с малым дрейфом частоты путём синтеза синусоиды из цифрового источника сигнала. Этот стабильный высокоточный синусоидальный сигнал идеально подходит для сервоприводов, измерительного оборудования и телекоммуникационных систем.
Сервоприводы, измерительное оборудование и телекоммуникационные системы для своей работы требуют стабильный, высокоточный источник синусоидального сигнала. Существует много различных схем генераторов гармонического сигнала, но найти схему с удовлетворительным качеством сигнала и высокой стабильностью частоты является проблемой.
Но если синтезировать синусоидальный сигнал из цифрового, то можно получить синусоиду с низким дрейфом и качественным сигналом. Так как прямоугольный сигнал включает в себя основную частоту плюс бесконечное число нечётных гармоник, можно получить синусоиду с частотой основного сигнала путём удаления гармоник с помощью фильтра нижних частот. Для этого подходит фильтр на переключаемых конденсаторах (Рисунок 1). Микросхема IC3 является ФНЧ Баттерворта 8-го порядка.
Рис. 1. Фильтрация гармоник прямоугольного сигнала позволяет получить на выходе синусоиду со стабильностью частоты как у кварцевого генератора.
Сигнал с кварцевого генератора частотой 8 мГц подаётся на делитель на 8, и полученная в результате деления частота 1 мГц далее подаётся на конденсатор C1. (Сигналы частотой 2 мГц и 500 кГц с выхода IC1 могут быть использованы для генерации синусоиды с другими частотами). Транзистор Q1 преобразовывает уровень сигнала частотой 1 мГц до уровня, необходимого для работы счётчика IC2A. (Для получения выходного сигнала одной полярности можно применить однополярный источник напряжения путём подачи на общий вывод IC3 половины питающего напряжения и добавить разделяющий конденсатор). Синхронный счётчик IC2 делит частоту 1 мГц на 256, что даёт частоту на выходе 3906 Гц, и микросхема IC3 фильтрует гармоники.
Тактовая частота фильтра берётся с первого делителя на два микросхемы IC2, что бы получился сигнал с 50% скважностью. IC2 делит этот сигнал далее на 128, что бы сигнал на входе фильтра 1мГц/256 попал на плоскую часть его частотной характеристики. 50% скважность на выходе счётчика IC2 обеспечивает симметричный синусоидальный сигнал на выходе фильтра. Основной полюс фильтра, или угловая частота, является постоянной относительно тактовой частоты и находится к ней в отношении 100:1. Фильтр снижает амплитуду низших гармоник до уровня -80 Дб.
Так как частота на входе фильтра и тактовая частота находятся в отношении 1:128, то изменение частоты, подаваемой на конденсатор C1 будет пропорционально изменять частоту гармонического сигнала на выходе. Изменение этой частоты, например в диапазоне от 2 мГц до 500 кГц, приведёт к изменению частоты на входе в диапазоне от 7812 Гц до 1953 Гц. При этом амплитуда выходного сигнала не меняется, так как рабочий диапазон лежит гораздо ниже угловой частоты 25 кГц. Эффект наложения тоже не проблема, так как те частоты, которые представляют потенциальную причину алиасинга в этой схеме, являются нечётными гармониками, с частотами, выше половинной частоты дискретизации, имеют пренебрежительно малые амплитуды.
Похожая идея изложена в журнале "Electronic Design", 1994, Июль 25.