一种双路信号源电路的研制

邢变丽，温 洁

（1.陕西华经微电子股份有限公司，陕西 西安 710065；2.西安现代控制技术研究所，陕西 西安 710065）

0 引 言

该双路信号源电路的主要功能是产生两路频率400 Hz、相位相差90°的正弦信号，外围加上集成功率运算放大器，完成功率驱动功能。该产品主要用于平台式惯性导航系统中，作为旋转变压器的激磁信号。该产品的特点是体积小、重量轻、外围元件少、性能稳定、可靠性高以及安装方便[1]。电路经过二次包封，产品的抗绝缘和抗干扰性能良好。

1 主要技术指标

双路信号源电路的主要技术指标如表1所示，产品的外形尺寸见图1。

表1 双路信号源电路的主要的技术指标

图1 产品外形尺寸

2 设计原理

该电路是一个信号发生电路，由时钟产生电路、分频电路、移相分频电路以及滤波电路组成。它是一种输出稳定的正弦波产生电路。经过对该产品技术指标的仔细分析，拟定了产品的设计方案。经过对方案进行论证和评审，最终确定了产品的工作原理，如图2所示[2]。

U1、U2、U3三个数字集成电路均通过电压基准LM431提供±2.5 V的工作电压，U4通过±15 V直接供电。U1外接晶体振荡器产生时钟信号，通过U3对此时钟信号进行10分频，然后通过U2对此时钟信号再进行分频和移相。U4和外接的电阻、电容组成RC有源低通滤波电路，对信号进行低通滤波，从而得到电路所要求的双路正弦波信号。

图2 电路原理图

2.1 时钟产生电路

U1是14级二进制串行计数器，是一种将振荡器和14级二进制分频器结合在一起的多功能集成电路。在它的10脚与11脚之间接上RC振荡电路或晶体振荡电路，则可通过不同的引脚输出不同频率的时钟信号作为后级U3的时钟输入信号。

U1各引出脚输出时钟信号频率的计算方法为f/2n，其中f为晶振频率，n为分频级数。根据输出频率的要求，该电路中晶振的频率选用2 048 kHz，则6脚输出的时钟信号频率为2 048 kHz/27=16 kHz。

2.2 移相分频电路

U2、U3是一种预置N分频器，由5个Johnson计数器位组成。若单独使用，它可以实现10（Q5非连接data）分频、8（Q4非连接data）分频、6（Q3非连接data）分频、4（Q2非连接data）分频以及2（Q1非连接data）分频功能，即偶数分频功能；若与别的元件配合使用，还可以完成奇数分频，同时也可以完成相移功能。此分频器内部包含5个级联的D触发器，将不同的Qn输出端连接到DATA数据输入端，完成不同的分频功能。

为了达到所需频率的要求，先将前级产生的时钟信号进行10分频，再进行移相分频。在该产品中，由于A、B两相要求90°的相位差，将其4脚（Q2非）和1脚（DATA）相连，则5脚（Q1非）和11脚（Q4非）输出的方波相位相差90°，同时完成了4分频的功能。

U2经过10×4分频后，频率为16 kHz/10/4=400 Hz。

2.3 RC有源滤波电路

在方波转化为正弦波的电路中，选用RC有源滤波电路。经查阅大量的有关滤波电路的资料，最后选用有限增益单反馈环型4阶低通滤波电路。如图2所示，低通滤波电路部分，R、C与截止频率有关，R1、R2、R3决定滤波器的放大倍数。经过周密的设计和计算，R选20 kΩ的电阻，C选0.02 μF（两只0.01 μF的电容并联）的电容，R1、R2、R3均选用10 kΩ电阻。大量实验表明，设计的双路信号源电路能达到用户的各项指标要求。

2.4 结构设计

根据产品在整机中的作用、产品的安装方式以及对体积、机械性能、使用环境等的要求，在产品达到用户各方面要求的条件下，根据成本核算，决定选用厚膜组装工艺。内置芯组采用已封装器件，封装结构采用双列直插式环氧树脂灌封塑料外壳封装。

2.5 可靠性设计

为了保证产品的质量和可靠性，从陶瓷基板到浆料、元器件选取，均选用公司经过验证的合格供方的材料，以保证原材料和元器件质量的可靠性，并严格按照《采购产品检验规范》对进厂原材料进行检验。在采购和生产环节，始终以质量为核心。通过用户使用和鉴定检验环节，充分说明产品的可靠性达到了预期的设计要求。

根据电路的工作原理及技术指标要求，经过仔细分析电路中所使用元器件的选用，需选用满足要求的元器件，并根据《设备可靠性预计手册GJB/Z299C—2006》对整个电路的元器件进行可靠性预计。该产品的平均故障间隔时间为1.882 74×105h。

结合以往类似产品的使用情况、验证结果及该产品的使用环境，加上该产品的输出功率很小，对散热没有特殊要求，所以采用塑料外壳环氧树脂灌封封装，能满足产品的使用要求。

3 技术难点和解决措施

3.1 技术难点

此双路信号源电路和产品的电路设计原理比较成熟。但是，在产品的生产过程中发现，对于不同批次的容量相同的电容，尽管相同的精度要求，但供方提供的元件偏离标称值的方向不同，导致不同批次的电容对于同一批次的基片，其技术指标达到的程度不同，甚至整批超差，给该电路模块在生产中造成了困难。

3.2 解决措施

（1）产品配套时，所使用的电容进行仔细分选、配对，使配对后的电容容量之和尽量一致，再根据配对后的电容范围将基片上的两个电阻进行修正，以保证所有的电容都能使用，并且产品的所有性能指标均达到了技术指标的要求。

（2）不同批次的电容对应不同批次的基片时，由于滤波电路部分所有电阻的影响程度不同，对每批次的产品都必须进行试流。在试流的过程中进行功能调阻，以确定要修正的电阻值，再根据确定的电阻值对同一批次的基片上的个别电阻进行统一调阻（确保批量生产和试流产品为同一批次的电容），然后批量投产，保证整批产品的合格率。

4 结 论

该产品选用的是传统的厚膜工艺和塑料外壳封装结构。随着科学技术的发展，人们对产品的体积要求越来越小，对产品的工作环境要求越来越严酷，这就要求改进产品的工艺（如采用管芯化工艺）和封装结构（金属全密封结构）缩小产品的体积。所以，在保证产品质量的前提下，为用户提供更小、更可靠、更稳定的小型化产品将是不断追求的目标。