高精度正弦波三相发生器电路的研制

王怀荣

（中国电子科技集团公司第47研究所，沈阳 110032）

1 概述

集成电路（IC）是智能化和自动化控制技术的基础器件。由于应用的领域和作用不同，对器件的功能和性能也有不同的要求，其中信号发生器电路是必不可少的器件之一。它的可靠性对整个电子系统的稳定度和精度至关重要。在多数系统的应用中都对信号发生器电路输出的频率、幅度、稳定度和失真等有较高的要求。因此，传统的模拟信号源已不能满足目前电子设计和应用的要求。以数字化为基础的信号源具有程序性和智能性，在性能指标上也有了质的飞跃，功能也更加强大，应用更加方便。它采用直接数字频率合成（Direct Digital Frequenty Synthesis，简称DDS）技术，具有频率和效率高、带宽输出较宽、转换速度快、相位变化连续等特点，便于对频率、相位、幅度的调整，满足数字化电子系统对信号处理和应用的要求。

2 电路结构及工作原理

LM47112型正弦波三相发生器电路就是为某型号系统要求而研制的电路。该电路采用正向设计，混合微电路封装的形式，其主要功能是输出频率为500 kHz、相位差严格控制在120°、稳定度在10-5以上的三相正弦波电路。

图1 管脚排列及功能说明

图2 功能逻辑框图

外接晶体振荡器与内部电路组成环形振荡器产生6 MHz方波信号，经2分频获得3 MHz方波信号。这个信号分为两路，一路经6分频后得到500 kHz的信号方波，输入到移位寄存器，并以6 MHz时钟触发，经过移位寄存器的移相得到三组相位不同的500 kHz方波信号（每组6个方波）相邻两个方波之间依次相差30°，每组方波通过电阻加权得到基波为500 kHz的阶梯波，经过滤波放大后得到正弦波，三组正弦波相同，两两相位相差120°，另一路3 MHz的方波经两路单稳态延时，用它触发一路500 kHz的方波，得到6个500 kHz 的方波，相邻两个方波相差60°，用这6个方波组成三相鉴相方波。

3 电路设计

3.1 电路的总体设计

根据用户对器件的特殊要求，反复进行模拟试验，在此基础上，制订了总体研制方案。为满足工作频率的要求，在该电路中6 MHz振荡器、二分频和三分频均选用54HCT系列电路芯片；三相正弦阶梯波发生器电路选用54HCT174和电阻网络组成，完成相邻两相500 kHz方波的30°相移（其误差小于3°）。将不同的相位方波分成三组，经过电阻加权叠加得到三相正弦波阶梯波，相位两两相差120°；选用高速运算放大器LM811组成滤波放大电路，以保证输出幅度要求；选用54HCT4538电路做两相单稳态延时电路；考虑到6个鉴相方波的波形要求，采用40174电路；加权电阻采用注入工艺完成三路18个电阻的制作；由于芯片之间的连线多，为了防止芯片之间的布线干扰，将所有芯片安装在四层布线的陶瓷基板上（MCM）；根据布线的数量和功率要求，选用浅腔式外壳，采用平行缝焊工艺封盖。

3.2 加权电阻的设计

产生三相正弦阶梯波原理是用6 MHz作为时钟，把分频后的500 kHz方波逐个移相，每次移相产生的相位移动为360°×（500 kHz/6 MHz）=30°，把不同的相位方波经过电阻加权叠加，这样就可以得到一相500 kHz的阶梯正弦波电压，把它作为A相阶梯正弦波；然后用与A相相差4个时钟的500 kHz移相方波，作为B相的起始方波，再用6 MHz作为时钟，将这个B相起始方波逐个移相，每次相移仍然为30°，再把不同相位方波通过电阻加权叠加，得到B相阶段正弦波，同样方法得到C相阶梯正弦波。这样就得到A、B、C三相正弦波，他们之间的相差为1 200（30°×4）。

3.3 加权电阻阻值的计算

表1 正弦波形系数表

设相位为0时阶梯正弦波电压为U，移位寄存器输出高电平为Uo。

当相位为-60°时有RFUo/（1+R1）=0.134U，相位为-30°时有RFUo/（1/R1+1/R2）=0.5U，相位为 0°时有RFUo/（1/R1+1/R2+1/R3）= U，以此类推，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则R1=R6=30 kΩ，R2=R5=11 kΩ，R3=R4=8 kΩ。

4 研究与试验

4.1 设计研究

本项目的难点是如何实现输出三相正弦波相位严格相差120°并且稳定度达到10-5以上。从理论上讲，经过移位寄存器移相得出的相邻两个方波之间的相差是30°，用A相移位寄存器移出的第四个方波（30×4=120°）作为B相的输入使得B相与A相之间的相差为120°，可用同样的方法得到C相，当然这是在未考虑电路延迟时间的理想情况下得出的，在实际工作中会产生一定的误差，最初选用4000系列电路的40147作为移位寄存器，经过多次模拟试验，测得相邻两个方波之间的误差为5.6°～6.2°左右。为了减少这个误差，采用了与TTL工艺兼容的高速CMOS电路54HCT174作为移位寄存器，这样将误差减少到1.3°～1.5°。经过计算得到的加权电阻为：

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。

为了保证正弦波不失真，三相正弦波相位误差应尽量小，加权电阻的相对误差，应控制在0.3%范围内，特别是R1A,1B,1C、R2A,2B,2C与R3A,3B,3C，还有R1A与R6A、R2A与R5A、R3A与R4A等18个电阻的阻值严格一致。以此类推，电阻的延时误差拉到10%以下。同时考虑到大输出幅度的要求，并且要保证波形平滑，选用LM811高速运算放大器作为滤波放大器电路。采用外接反馈电阻结构，对输出波形进行微调，保证输出波形的幅度和相位差均满足使用要求。

图3 LM47112封装以及输出波形

4.2 试验结果

按照用户对产品的功能和参数要求，测试时将LM47112电路和用户所提供的模拟负载对接完成实时全温区测量。其测试结果如表2。

其外部负载配置见图4。同时为了满足对输出频率的其他要求，可改变外接晶体振荡器。如接12 MHz振荡器，输出频率可达1 MHz，其功能和参数在全温范围内仍可保证。

图4 负载配置图

5 结束语

试验结果表明该电路能够很好地满足用户的要求，其各项性能指标均达到设计要求，该电路的成功研制为其他同类电路的研制提供了可借鉴的经验。在该电路的研制过程中得到中船公司707所的大力支持和帮助，在此表示感谢。

表2 LM47112测试结果

[1] 一种简单的三相正弦波发生器实用电路[J].天津冶金，1996,（001）：41-44.

[2] 杨邦朝，张经国. 多芯片（MCM技术应用）[M]. 成都：电子科技大学出版社.

[3] 刘瑜. 快速高精度正弦波频率的设计综合学方法[J]. 电子学报，1996.（6）∶ 126-128.

[4] 黄厚，等.时间精度的测量[M].北京：中国计量出版社，1986.

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