高精度正弦波三相發(fā)生器電路的研制

王懷榮

（中國電子科技集團公司第47研究所，沈陽 110032）

1 概述

集成電路（IC）是智能化和自動化控制技術(shù)的基礎(chǔ)器件。由于應(yīng)用的領(lǐng)域和作用不同，對器件的功能和性能也有不同的要求，其中信號發(fā)生器電路是必不可少的器件之一。它的可靠性對整個電子系統(tǒng)的穩(wěn)定度和精度至關(guān)重要。在多數(shù)系統(tǒng)的應(yīng)用中都對信號發(fā)生器電路輸出的頻率、幅度、穩(wěn)定度和失真等有較高的要求。因此，傳統(tǒng)的模擬信號源已不能滿足目前電子設(shè)計和應(yīng)用的要求。以數(shù)字化為基礎(chǔ)的信號源具有程序性和智能性，在性能指標(biāo)上也有了質(zhì)的飛躍，功能也更加強大，應(yīng)用更加方便。它采用直接數(shù)字頻率合成（Direct Digital Frequenty Synthesis，簡稱DDS）技術(shù)，具有頻率和效率高、帶寬輸出較寬、轉(zhuǎn)換速度快、相位變化連續(xù)等特點，便于對頻率、相位、幅度的調(diào)整，滿足數(shù)字化電子系統(tǒng)對信號處理和應(yīng)用的要求。

2 電路結(jié)構(gòu)及工作原理

LM47112型正弦波三相發(fā)生器電路就是為某型號系統(tǒng)要求而研制的電路。該電路采用正向設(shè)計，混合微電路封裝的形式，其主要功能是輸出頻率為500 kHz、相位差嚴格控制在120°、穩(wěn)定度在10-5以上的三相正弦波電路。

圖1 管腳排列及功能說明

圖2 功能邏輯框圖

外接晶體振蕩器與內(nèi)部電路組成環(huán)形振蕩器產(chǎn)生6 MHz方波信號，經(jīng)2分頻獲得3 MHz方波信號。這個信號分為兩路，一路經(jīng)6分頻后得到500 kHz的信號方波，輸入到移位寄存器，并以6 MHz時鐘觸發(fā)，經(jīng)過移位寄存器的移相得到三組相位不同的500 kHz方波信號（每組6個方波）相鄰兩個方波之間依次相差30°，每組方波通過電阻加權(quán)得到基波為500 kHz的階梯波，經(jīng)過濾波放大后得到正弦波，三組正弦波相同，兩兩相位相差120°，另一路3 MHz的方波經(jīng)兩路單穩(wěn)態(tài)延時，用它觸發(fā)一路500 kHz的方波，得到6個500 kHz 的方波，相鄰兩個方波相差60°，用這6個方波組成三相鑒相方波。

3 電路設(shè)計

3.1 電路的總體設(shè)計

根據(jù)用戶對器件的特殊要求，反復(fù)進行模擬試驗，在此基礎(chǔ)上，制訂了總體研制方案。為滿足工作頻率的要求，在該電路中6 MHz振蕩器、二分頻和三分頻均選用54HCT系列電路芯片；三相正弦階梯波發(fā)生器電路選用54HCT174和電阻網(wǎng)絡(luò)組成，完成相鄰兩相500 kHz方波的30°相移（其誤差小于3°）。將不同的相位方波分成三組，經(jīng)過電阻加權(quán)疊加得到三相正弦波階梯波，相位兩兩相差120°；選用高速運算放大器LM811組成濾波放大電路，以保證輸出幅度要求；選用54HCT4538電路做兩相單穩(wěn)態(tài)延時電路；考慮到6個鑒相方波的波形要求，采用40174電路；加權(quán)電阻采用注入工藝完成三路18個電阻的制作；由于芯片之間的連線多，為了防止芯片之間的布線干擾，將所有芯片安裝在四層布線的陶瓷基板上（MCM）；根據(jù)布線的數(shù)量和功率要求，選用淺腔式外殼，采用平行縫焊工藝封蓋。

3.2 加權(quán)電阻的設(shè)計

產(chǎn)生三相正弦階梯波原理是用6 MHz作為時鐘，把分頻后的500 kHz方波逐個移相，每次移相產(chǎn)生的相位移動為360°×（500 kHz/6 MHz）=30°，把不同的相位方波經(jīng)過電阻加權(quán)疊加，這樣就可以得到一相500 kHz的階梯正弦波電壓，把它作為A相階梯正弦波；然后用與A相相差4個時鐘的500 kHz移相方波，作為B相的起始方波，再用6 MHz作為時鐘，將這個B相起始方波逐個移相，每次相移仍然為30°，再把不同相位方波通過電阻加權(quán)疊加，得到B相階段正弦波，同樣方法得到C相階梯正弦波。這樣就得到A、B、C三相正弦波，他們之間的相差為1 200（30°×4）。

3.3 加權(quán)電阻阻值的計算

表1 正弦波形系數(shù)表

設(shè)相位為0時階梯正弦波電壓為U，移位寄存器輸出高電平為Uo。

當(dāng)相位為-60°時有RFUo/（1+R1）=0.134U，相位為-30°時有RFUo/（1/R1+1/R2）=0.5U，相位為 0°時有RFUo/（1/R1+1/R2+1/R3）= U，以此類推，可得R1=R6，R2=R5，R3=R4，所以R1=R6=7.463α，R2=R5=0.273 2α，R3=R4=2α；取α=4 020則R1=R6=30 kΩ，R2=R5=11 kΩ，R3=R4=8 kΩ。

4 研究與試驗

4.1 設(shè)計研究

本項目的難點是如何實現(xiàn)輸出三相正弦波相位嚴格相差120°并且穩(wěn)定度達到10-5以上。從理論上講，經(jīng)過移位寄存器移相得出的相鄰兩個方波之間的相差是30°，用A相移位寄存器移出的第四個方波（30×4=120°）作為B相的輸入使得B相與A相之間的相差為120°，可用同樣的方法得到C相，當(dāng)然這是在未考慮電路延遲時間的理想情況下得出的，在實際工作中會產(chǎn)生一定的誤差，最初選用4000系列電路的40147作為移位寄存器，經(jīng)過多次模擬試驗，測得相鄰兩個方波之間的誤差為5.6°～6.2°左右。為了減少這個誤差，采用了與TTL工藝兼容的高速CMOS電路54HCT174作為移位寄存器，這樣將誤差減少到1.3°～1.5°。經(jīng)過計算得到的加權(quán)電阻為：

A、B、C三相：R1A,1B,1C=30 kΩ，R2A,2B,2C=11 kΩ，R3A,3B,3C=8 kΩ，R4A,4B,4C=8 kΩ，R5A,5B,5C=11 kΩ，R6A,6B,6C=30 kΩ。

為了保證正弦波不失真，三相正弦波相位誤差應(yīng)盡量小，加權(quán)電阻的相對誤差，應(yīng)控制在0.3%范圍內(nèi)，特別是R1A,1B,1C、R2A,2B,2C與R3A,3B,3C，還有R1A與R6A、R2A與R5A、R3A與R4A等18個電阻的阻值嚴格一致。以此類推，電阻的延時誤差拉到10%以下。同時考慮到大輸出幅度的要求，并且要保證波形平滑，選用LM811高速運算放大器作為濾波放大器電路。采用外接反饋電阻結(jié)構(gòu)，對輸出波形進行微調(diào)，保證輸出波形的幅度和相位差均滿足使用要求。

圖3 LM47112封裝以及輸出波形

4.2 試驗結(jié)果

按照用戶對產(chǎn)品的功能和參數(shù)要求，測試時將LM47112電路和用戶所提供的模擬負載對接完成實時全溫區(qū)測量。其測試結(jié)果如表2。

其外部負載配置見圖4。同時為了滿足對輸出頻率的其他要求，可改變外接晶體振蕩器。如接12 MHz振蕩器，輸出頻率可達1 MHz，其功能和參數(shù)在全溫范圍內(nèi)仍可保證。

圖4 負載配置圖

5 結(jié)束語

試驗結(jié)果表明該電路能夠很好地滿足用戶的要求，其各項性能指標(biāo)均達到設(shè)計要求，該電路的成功研制為其他同類電路的研制提供了可借鑒的經(jīng)驗。在該電路的研制過程中得到中船公司707所的大力支持和幫助，在此表示感謝。

表2 LM47112測試結(jié)果

[1] 一種簡單的三相正弦波發(fā)生器實用電路[J].天津冶金，1996,（001）：41-44.

[2] 楊邦朝，張經(jīng)國. 多芯片（MCM技術(shù)應(yīng)用）[M]. 成都：電子科技大學(xué)出版社.

[3] 劉瑜. 快速高精度正弦波頻率的設(shè)計綜合學(xué)方法[J]. 電子學(xué)報，1996.（6）∶ 126-128.

[4] 黃厚，等.時間精度的測量[M].北京：中國計量出版社，1986.

[5] Pradeep lall. An Overive of Multicnip Moduies [J]. Solid State Technogy, 1993, 65-76.