注入锁定维也纳桥振荡器

微功耗 6MHz LTC625 运算放大器，该运算放大器驱动 12 位、250k 采样/秒 LTC2361 ADC。我想获取大约 5 kHz 的纯正弦波的 FFT。问题是获得纯正弦曲线的FFT需要一个纯正弦曲线。然而，与专用运算放大器和良好的ADC相比，大多数可编程信号发生器的噪声和失真性能相当差，更不用说数字“散列”地板了。您无法使用“60 dB-ish”的源测量 90 dB 失真和噪声。因此，与其尝试寻找并保留一个几乎理想的可编程信号发生器，我决定使用超低失真 LT1468-2 运放构建一个低失真 Meacham 灯泡稳定的 Wienbridge 振荡器（图 1）。

图1.这款 Meacham 灯泡稳定、低失真、低噪声 5kHz 维恩桥正弦振荡器的 RC 反馈网络在其中频段衰减了 3 倍。灯泡的自热迫使运算放大器增益为3。

灯泡稳幅技术依赖于灯泡阻抗的正温度系数稳定运算放大器的增益，以匹配维也纳电桥中心频率处的衰减因子3。随着输出幅度的增加，灯泡灯丝升温，阻抗增加，增益降低，从而幅度减小。我无法立即使用通常称为327灯，所以我决定尝试一个相当低功率，高压的灯泡，就像所示的C7圣诞灯泡一样。在室温下，测量为316Ω;刚从冰箱里出来（约-15°C），测量值为270Ω。根据5W，120V规格，白热时应该在2.8k左右。这似乎有足够的阻抗范围来稳定3的增益，所以我决定用一个串联的100Ω电阻对其进行线性化。

对于增益为3，灯泡加100Ω必须是1.24k反馈的一半（或等于612Ω），因此灯泡必须（316–270Ω）/[25−（−15°C）]=1.15Ω/°C意味着灯泡灯丝约为195°C。

振荡器上电良好，在几伏电压下提供良好的正弦 5.15kHz 输出，独立的 EDN DI5291 测量显示二次和三次谐波失真产物低于 −120 dBc。在阻断并调整直流电平和交流幅度后，我使用图3.eps DIANE电容和电位器将振荡器施加到LTC6255运放输入，如图2所示。

图2.维也纳桥振荡器驱动被测运算放大器和ADC对。生成的FFT在开窗后是干净的，但不是特别的，如图3所示。

交流幅度调整为−1 dBFS，直流电平调整为信号在ADC范围内居中。但是，当然，该振荡器是纯模拟的，背面没有“10 MHz基准输入”，无法与ADC时钟同步。结果是FFT中有大量的光谱泄漏，因此它看起来更像是一个马戏团帐篷，而不是一个尖峰。对数据应用 92 dB Blackman-Harris 窗口以减少 FFT 泄漏，可生成外观精美的 FFT（图 3）。

图3.这种 4096 点 FFT 是使用具有 92 dB Blackman-Harris 窗口的未锁频振荡器实现的。请注意，峰值看起来不像–1 dBFS，并且峰值周围的箱中有功率。

尽管该FFT在某些方面是准确的，但仔细检查会发现一些问题。例如，输入信号为−1 dBFS，但它在图形上看起来肯定低于−1 dB。原因是，即使是出色的窗口功能，也会将一些基波功率留在主尖峰附近的频率箱中。该软件在其功率计算中包含这些箱，这是正确的，但事实是尖峰看起来太低，无法拍出好照片。

谐波的高度也是如此;尽管它们计算正确并且相对于基本面准确，但它们在绝对值上看起来也太低了。因此，窗口不能替代相干的锁相系统。

当提出这些反对意见时，我感到绝望，我将不得不回到绘图板，也许留在那里，或者找到一个具有低失真和噪声或具有出色后滤波的锁定振荡器。在如此压倒性的数字环境中，我怎么可能使这样一个基本模拟振荡器与FFT箱相干？在5 kHz时，带陷波的无源滤波器会很大而且很挑剔。我想到通过降低增益来失谐维恩桥振荡器，从而将其转换为滤波器。

但后来我突然想到，来自失真但锁定良好的外部振荡器的温和模拟正弦轻推可能足以将维恩桥频率调整到需要的位置。我决定尝试在Wienbridge运算放大器电路的输入中注入正弦波，并选择使用高串联阻抗以避免同时注入噪声和失真。我想出了200k（大约1000×已经存在的阻抗），并如图4左侧所示（“新输入”）将其放入。

图4.当发生器相位通过 10MHz 基准锁定时，低噪声和失真维恩桥振荡器通过高阻抗 200k 电阻轻轻推入相干状态。

我将 Agilent 33250A 设置为 5kHz 正弦波，并将其应用于新输入。用示波器观察 33250A 和维恩桥输出，我慢慢地调高了 33250A 频率，很高兴终于看到正弦曲线“接近”然后卡入锁定状态。

我连接了 10 MHz 后面板基准电压源，并将 33250A 频率更改为 5.157 kHz，这是 FFT 中最接近的相干箱。正弦波保持锁定状态，可编程 33250A 发生器成功地将维恩桥振荡器从其固有频率稍微拉到所需的频率。结果是一个近乎理想的FFT;所有相关的基本功率和失真功率都位于唯一的箱中，并被准确表示（图5）。

图5.使用相同的维恩桥振荡器获得更精确的FFT，但使用HP33250A在“新输入”处驱动200k电阻，频率注入锁定为相干的5.157 kHz。请注意，峰值现在明显是可信的–1 dBFS，并且与峰值相邻的箱中几乎没有功率。

可编程正弦发生器通常具有出色的相位噪声特性和10 MHz锁定能力，但它们也具有高输出宽带本底噪声和失真。FFT对所有这些形式的源损坏都很敏感，并且输出箱频率的数量也有限。为了测试高性能模拟和混合信号系统，经典维恩桥振荡器与可编程发生器的正确组合可以提供具有同步采样的近乎完美的源，从而生成精确的FFT。

审核编辑：郭婷