压控振荡器的测试实现

袁云华 陈章涛 赵永兴 简 力

（湖北航天技术研究院计量测试技术研究所，湖北孝感，432000）

压控振荡器的测试实现

袁云华 陈章涛 赵永兴 简 力

（湖北航天技术研究院计量测试技术研究所，湖北孝感，432000）

压控振荡器VCO广泛用于自动控制、数字仪表和无线电设备中，用于完成电压和频率之间的转换，是一种实现模数转换功能的器件。本文在详细分析RC压控振荡器AD650结构和工作原理的基础上，结合SP3160VA超大规模集成电路测试系统资源，提出对压控振荡器的自动测试实现方法，包括程序设计方案，外围元件的选择方法和主要参数的实现方法。

压控振荡器 AD650 SP3160VA 自动测试

AbstractVoltage controlled oscillator（VCO） is widely used in automatic control，digital instrument and radio equipment，which is used to realize the conversion between voltage and frequency.This paper based on voltage controlled oscillator AD650 structure and working principle of a detailed analysis of the RC，according to system resources test SP3160VA VLSI，proposed the automatic test of VCO implementation method，including program design，implementation methods and main parameters of the external components.

Key wordsVoltage controlled oscillator AD650 SP3160VA Automatic test

1 引言

压 控振荡器（Voltage Controlled Oscillator，VCO）也称为电压频率转换器（VFC），是一种以电压输入来控制振荡频率的器件，能将模拟电压量变换为脉冲信号，该输出脉冲信号的频率与输入电压量的大小成正比。将电压量（或电流量）转换成频率信号以后其抗正弦和非正弦周期干扰的能力大为增强，且压频转换关系的单调性不会受电源电压和环境温度变化的影响，稳定性增高，广泛应用于信号隔离和远距离传输的测控系统及调制解调器、自动控制和无线电设备中。

压控振荡器的类型有LC压控振荡器、RC压控振荡器和晶体压控振荡器。高频压控振荡器的电压控制频率部分通常使用变容二极管C和电感L所接成的LC谐振电路，而低频压控振荡器则依照不同频率选择不同的方法，例如AD650就是以改变对电容的充电速率为手段来得到一个电压控制的振荡频率的RC压控振荡器。

下面以AD650器件为例，详细分析压控振荡器的结构特点和工作原理，并结合SP3160VA超大规模集成电路测试系统（以下简称SP3160VA测试系统），提出对其进行自动测试的实现方案。

2 AD650器件介绍

AD650是美国AD公司生产的典型的RC压控振荡器[1]，通过改变对电容的充电速率来得到预期的振荡频率，具有外接电路简单、振荡频率高、非线性误差低、输入方式灵活，集电极开路输出及模拟地和数字地分开等显著特点。DIP-14封装的AD650引脚排列如图1所示。各引脚说明见表1。

表1 AD650各引角说明

AD650器件通过改变外围电路的连接方式，即可实现电压频率转换功能，也可实现频率电压功能。下面详细介绍AD650的结构组成和工作原理。

3 AD650的结构组成和工作原理

AD650的结构如图2所示，其内部主要包括6个部分：①积分放大器；②电压比较器（也称精密阈值电压检测器）；③单稳态触发器；④模拟开关；⑤1mA电流源；⑥输出级（晶体管VT，集电极开路输出）。外围元件主要有输入端限流电阻RIN、积分电容CINT、定时电容COS和输出端上拉电阻RC。

AD650采用电荷平衡式转换原理，如图2所示，输入信号VIN经输入电阻RIN产生输入电流，通过1mA内部电流源开关，控制积分电容CINT充电和放电，使CINT上的电流和内部积分放大器的反馈电流形成回路，达到电流源精确平衡。这种电流脉冲可看成是由精密的电荷群构成。由于单位时间传递到积分电容CINT两端的电荷数量与输入信号电流幅度呈线性函数关系，所以可实现电压-频率转换。

电压频率转换具体过程分为积分和复位两个阶段进行，通过图3至图5所示的示意图详细分析这两个过程的工作原理。

1）积分阶段：该阶段电路原理图如图3所示，当单稳态触发器输出为低电平时，电流开关打向积分放大器输出端。输入电压经输入电阻RIN转换为电流（IIN=VIN/RIN）对积分电容CINT充电，转换成电荷Q1（Q1=CINT·VIN）。由于电容两端的电压不能突变，VOUT端电位呈负斜率变化，直至下降到阈值电平，这段时间称为积分周期T1；

2）复位阶段：简化原理图如图4所示，当积分放大器输出端（VOUT端）电位降到比较器的阈值电平时，比较器输出高电平触发单稳态触发器，电流开关打向积分放大器反相输入端，电流（1mA-IIN）对积分电容CINT反向充电，在CINT上形成电荷Q2。由于Q2与Q1极性相反，将Q1中和掉，导致A点电位降低，使VOUT端电位线性地升高，这段时间称为复位周期tOS。

复位周期tOS由单稳态触发器内部的6.8kΩ定时电阻和外部定时电容COS决定。考虑到tOS还存在300ns的传输延迟时间，故复位周期如公式（1）：

复位周期内分放大器输出端VOUT电位上升幅度ΔV的大小如公式（2）所示。

当复位周期结束时，单稳态触发器输出回到低电平状态，如图3所示，电流开关重新打向积分放大器输出端。开始下一个积分周期，形成自激振荡，如图5所示。积分周期T1可按公式（3）计算：

单稳态触发器每触发一次的时间间隔为tOS+T1，晶体管的输出受单稳控制，因此输出频率为：

式中：COS——单位为pF；44pF——COS引脚的分布电容。

至此，输出频率与输入电压成正比，完成V/F转换。

有两点需要说明：

1）积分放大器输出为锯齿波，但经过单稳态触发器后，压控振荡器输出的是矩形波（窄脉冲）；

2）积分电容CINT与输出频率无关，它仅仅决定锯齿波幅度的大小。

4 AD650测试线路设计

4.1 测试线路设计的总体方案

根据上述压控振荡器的工作原理和AD650自身的特点，设计测试线路时需遵循以下几个原则。

1）合适的外围元件，保证器件正常工作；

2）选择双极性输入方式。通过不同的外部链接，可控制AD650为单极性输入或双极性输入，但AD650的一个典型特点就是可以双极性输入，为了考核这一点，在测试线路设计过程中选择双极性连接；

3）输入电压信号的精度和线性度要高，必要时可由高精度电压表进行校准；

4）进行输出频率采样的测试设备的测量精度要满足要求，且必须能进行程控；

5）电源去耦和接地；

6）若不能保证外围元件精度，则需设计增益和失调的调整电路。

4.2 测试线路图

基于上述原则，结合SP3160VA测试系统的硬件资源，确定测试线路。当满度频率输出范围为100kHz，输入范围为-5V～+5V时的测试连接，如图6所示。

图 4中，VIS1、VIS2、VIS3为程控电源，是SP3160VA测试系统的四象限的电压电流源。

SVR为SP3160VA测试系统的高精度电压基准源，精度达到0.01%，为AD650提供输入电压信号；

3458A为可程控的8位半数字电压表，其内置频率计数器到10MHz，可用于输入电压信号的校准，提高输入信号的精度和线性度，也可用于低频输出时的频率测量；

53132A为可程控的通用计数器，测量范围0.2Hz～240MHz，可用于高频输出时的频率测量；

TDS3032B为可程控的数字荧光示波器，带宽300MHz，可实时监控输出波形。

TP1和TP2为SP3160VA测试系统中3458A的测量通道。

4.3 外围元件的选择方法

根据上述电压频率转换的工作原理，VCO电路正常工作需确定四个外接元件，即输入限流电阻RIN、定时电容COS、上拉电阻RC，积分电容CINT。

1）RC的选择：RC作为上拉电阻，应限制输出晶体管中电流小于8mA，如选用5V逻辑电源，RC应不低于5V/8mA=625Ω。故测试连接图中RC选择为1kΩ；

2）RIN和COS的选择：RIN和COS决定了满度频率和输入电压范围，同时也决定了非线性度的大小。一般说来，COS越高，输入电流越小（RIN越大），线性度越好。在输入电压为0～10V情况下，可根据图5a和图5b来选取RIN和COS。如满度频率100kHz（0～10V输入），选取 RIN=20kΩ 和 COS=620pF有最低的非线性度误差（0.0038%）；如果输入电压范围改变，RIN应成比例变化，如输入电压0～10V，RIN选取100kΩ；若输入电压变为0～1V，则 RIN相应选取10kΩ；±10V则对应200kΩ输入电阻，依此类推；

根据3458A的最佳频率采样范围和SVR的最佳电压输出范围，例如当满度频率输出范围为100kHz，输入范围为-5V～5V。因此，选取 COS为360pF，RIN约40kΩ；

3）积分电容CINT：积分电容CINT仅决定复位周期电压的高低，其最佳值按下式选取，最小为1000pF。

根据测量线路设计的满度频率输出范围100kHz，确定CINT为1000pF。

4.4 电源去耦和接地方法

为了避免数字噪声耦合到模拟电路中去，器件的模拟地和数字地是分开的，模拟地和数字地应分开布线，最后接入电源地线输入端实现一点接地。在正负电源端加入0.1μF的退耦电容。

4.5 增益和失调的调整方法

当不能保证外围元件精度时，可以利用可调电阻或电位器，对AD650的增益和失调进行调整。

AD650增益误差典型值为±5%，若要提高精度，只需将RIN设计为两个电阻R1和R3串联的形式，R3固定为大电阻37.4kΩ，R1为5kΩ可调电位器，就可以实现增益的微调。

可以用20k电位器跨接在两个ADJ调整端之间，中间抽头经250kΩ电阻接到+Vs上，通过电位器的中间抽头对器件内部积分放大器的失调进行调节。

5 主要参数的实现方法

基于上述工作原理，AD650的一个重要的特点就是频率范围宽、非线性误差小。工作频率范围是0～1MHz。在10kHz、100kHz和1MHz时，非线性误差分别为0.002%、0.005% 和0.07%（典型值）。因此，满刻度输出误差和非线性误差指标是衡量其特性的最主要的两个参数。下面介绍在SP3160VA测试系统上，采用源代码编程的方式实现VCO器件的测试的方法，该方法可以灵活的进行各种需要数据处理，实现非线性误差的相关计算非常方便快捷。

测试过程中应用示波器实时监控器件输出波形，剔除波形不正常者。

5.1 满刻度输出误差

将被测VCO接入测试线路，并施加规定的电源电压，输入端施加最大输入电压Vmax，此时用3458A或53132A测试被测VCO输出频率fout，根据公式（6），计算满刻度输出误差δ：

式中：fmax——理想满输出频率。

5.2 线性误差测试实现

线性误差是指实际转换特性曲线与最佳拟合直线偏差间的最大偏差[3]。线性误差表示了器件在所有的数值点上对应的模拟值和真实值之间误差最大的那一点的误差值，也就是输出数值偏离拟合直线最大的距离。

最佳拟合直线的确定方法有多种，这里采用最常用的最小二乘法来实现。测试实现步骤如下：

1）将模拟输入电压平均分为10个点为（x1…x10），程控高精度数字电压表3458A对每个点进行校准，保证输入信号线性度不会对测量结果造成影响，同时将每一个输入点的实测数据记录为数组x[i]（i=1，2，3…10）；

2）对被测器件分别输入上述10个点，程控高精度数字电压表3458A测量出对应的10个频率输出值（y1…y10），一一记录到数组y[i]（i=1，2，3…10）；

3）运用最小二乘法，专门设计一个子函数，计算通过采集到的这十个点（x1，y1）…（x10，y10）的拟合直线的的斜率a和截距b（子函数说明见注1），则最佳拟合直线为y=ax+b；

4）将（x1，y1）…（x10，y10）十个点与最佳你和直线上的对应的点进行比较，得出得出每个点的偏差，并找出其中的最大偏差Δmax，则非线性误差按下式计算：

注1：对两个数组x[i]和y[i]（i=1，2，3…n）采用最小二乘法计算最佳拟和直线斜率a和截距b的子函数如下（n为采样点的个数）。

6 结束语

本文结合SP3160VA测试系统，给出了AD650的测试线路设计方案和具体测试实现方法。按上述方法编制的AD650测试程序可自动测试出满度误差、非线性误差等参数，验证的结果与AD公司提供的相应技术指标的典型值相符，实现了对其的自动测试。该方法适用于所有压控振荡器的测试。只是当压控振荡器的输出频率增高以后，如微波压控振荡器，对工装、外围、电连接线等的要求都要相应提高，否则引入的杂散和谐波都会对其输出造成影响。

[1]高光天．模数转换器应用技术[M].北京：科学技术出版社，2001：225～229.

[2]牛天兰．V/F，F/V转换器AD650及其应用[J].大连铁道学院学报，2003，24（2）：91～93.

[3]《中国集成电路大全》编写委员会．集成稳压器与非线性模拟集成电路[M].国防工业出版社，1989：11～12.

Automatic Test for Voltage Controlled Oscillator

YUAN Yun-hua CHEN Zhang-tao ZHAO Yong-xing JIAN Li
（The Metrology and Measurement Institute of Hubei Space Academy，Xiaogan，Hubei 432000，China）

TQ172.1+6

A

10.12060/j.issn.1000-7202.2017.03.14

2016-09-10，

2016-12-01

袁云华（1978-），女，工程师，主要研究方向：电子元器件检测技术。

1000-7202（2017）03-0066-05