微功耗 6MHz LTC625 運(yùn)算放大器，該運(yùn)算放大器驅(qū)動 12 位、250k 采樣/秒 LTC2361 ADC。我想獲取大約 5 kHz 的純正弦波的 FFT。問題是獲得純正弦曲線的FFT需要一個(gè)純正弦曲線。然而，與專用運(yùn)算放大器和良好的ADC相比，大多數(shù)可編程信號發(fā)生器的噪聲和失真性能相當(dāng)差，更不用說數(shù)字“散列”地板了。您無法使用“60 dB-ish”的源測量 90 dB 失真和噪聲。因此，與其嘗試尋找并保留一個(gè)幾乎理想的可編程信號發(fā)生器，我決定使用超低失真 LT1468-2 運(yùn)放構(gòu)建一個(gè)低失真 Meacham 燈泡穩(wěn)定的 Wienbridge 振蕩器（圖 1）。

圖1.這款 Meacham 燈泡穩(wěn)定、低失真、低噪聲 5kHz 維恩橋正弦振蕩器的 RC 反饋網(wǎng)絡(luò)在其中頻段衰減了 3 倍。燈泡的自熱迫使運(yùn)算放大器增益為3。

燈泡穩(wěn)幅技術(shù)依賴于燈泡阻抗的正溫度系數(shù)穩(wěn)定運(yùn)算放大器的增益，以匹配維也納電橋中心頻率處的衰減因子3。隨著輸出幅度的增加，燈泡燈絲升溫，阻抗增加，增益降低，從而幅度減小。我無法立即使用通常稱為327燈，所以我決定嘗試一個(gè)相當(dāng)?shù)凸β剩?a target="_blank">高壓的燈泡，就像所示的C7圣誕燈泡一樣。在室溫下，測量為316Ω;剛從冰箱里出來（約-15°C），測量值為270Ω。根據(jù)5W，120V規(guī)格，白熱時(shí)應(yīng)該在2.8k左右。這似乎有足夠的阻抗范圍來穩(wěn)定3的增益，所以我決定用一個(gè)串聯(lián)的100Ω電阻對其進(jìn)行線性化。

對于增益為3，燈泡加100Ω必須是1.24k反饋的一半（或等于612Ω），因此燈泡必須（316–270Ω）/[25?（?15°C）]=1.15Ω/°C意味著燈泡燈絲約為195°C。

振蕩器上電良好，在幾伏電壓下提供良好的正弦 5.15kHz 輸出，獨(dú)立的 EDN DI5291 測量顯示二次和三次諧波失真產(chǎn)物低于 ?120 dBc。在阻斷并調(diào)整直流電平和交流幅度后，我使用圖3.eps DIANE電容和電位器將振蕩器施加到LTC6255運(yùn)放輸入，如圖2所示。

圖2.維也納橋振蕩器驅(qū)動被測運(yùn)算放大器和ADC對。生成的FFT在開窗后是干凈的，但不是特別的，如圖3所示。

交流幅度調(diào)整為?1 dBFS，直流電平調(diào)整為信號在ADC范圍內(nèi)居中。但是，當(dāng)然，該振蕩器是純模擬的，背面沒有“10 MHz基準(zhǔn)輸入”，無法與ADC時(shí)鐘同步。結(jié)果是FFT中有大量的光譜泄漏，因此它看起來更像是一個(gè)馬戲團(tuán)帳篷，而不是一個(gè)尖峰。對數(shù)據(jù)應(yīng)用 92 dB Blackman-Harris 窗口以減少 FFT 泄漏，可生成外觀精美的 FFT（圖 3）。

圖3.這種 4096 點(diǎn) FFT 是使用具有 92 dB Blackman-Harris 窗口的未鎖頻振蕩器實(shí)現(xiàn)的。請注意，峰值看起來不像–1 dBFS，并且峰值周圍的箱中有功率。

盡管該FFT在某些方面是準(zhǔn)確的，但仔細(xì)檢查會發(fā)現(xiàn)一些問題。例如，輸入信號為?1 dBFS，但它在圖形上看起來肯定低于?1 dB。原因是，即使是出色的窗口功能，也會將一些基波功率留在主尖峰附近的頻率箱中。該軟件在其功率計(jì)算中包含這些箱，這是正確的，但事實(shí)是尖峰看起來太低，無法拍出好照片。

諧波的高度也是如此;盡管它們計(jì)算正確并且相對于基本面準(zhǔn)確，但它們在絕對值上看起來也太低了。因此，窗口不能替代相干的鎖相系統(tǒng)。

當(dāng)提出這些反對意見時(shí)，我感到絕望，我將不得不回到繪圖板，也許留在那里，或者找到一個(gè)具有低失真和噪聲或具有出色后濾波的鎖定振蕩器。在如此壓倒性的數(shù)字環(huán)境中，我怎么可能使這樣一個(gè)基本模擬振蕩器與FFT箱相干？在5 kHz時(shí)，帶陷波的無源濾波器會很大而且很挑剔。我想到通過降低增益來失諧維恩橋振蕩器，從而將其轉(zhuǎn)換為濾波器。

但后來我突然想到，來自失真但鎖定良好的外部振蕩器的溫和模擬正弦輕推可能足以將維恩橋頻率調(diào)整到需要的位置。我決定嘗試在Wienbridge運(yùn)算放大器電路的輸入中注入正弦波，并選擇使用高串聯(lián)阻抗以避免同時(shí)注入噪聲和失真。我想出了200k（大約1000×已經(jīng)存在的阻抗），并如圖4左側(cè)所示（“新輸入”）將其放入。

圖4.當(dāng)發(fā)生器相位通過 10MHz 基準(zhǔn)鎖定時(shí)，低噪聲和失真維恩橋振蕩器通過高阻抗 200k 電阻輕輕推入相干狀態(tài)。

我將 Agilent 33250A 設(shè)置為 5kHz 正弦波，并將其應(yīng)用于新輸入。用示波器觀察 33250A 和維恩橋輸出，我慢慢地調(diào)高了 33250A 頻率，很高興終于看到正弦曲線“接近”然后卡入鎖定狀態(tài)。

我連接了 10 MHz 后面板基準(zhǔn)電壓源，并將 33250A 頻率更改為 5.157 kHz，這是 FFT 中最接近的相干箱。正弦波保持鎖定狀態(tài)，可編程 33250A 發(fā)生器成功地將維恩橋振蕩器從其固有頻率稍微拉到所需的頻率。結(jié)果是一個(gè)近乎理想的FFT;所有相關(guān)的基本功率和失真功率都位于唯一的箱中，并被準(zhǔn)確表示（圖5）。

圖5.使用相同的維恩橋振蕩器獲得更精確的FFT，但使用HP33250A在“新輸入”處驅(qū)動200k電阻，頻率注入鎖定為相干的5.157 kHz。請注意，峰值現(xiàn)在明顯是可信的–1 dBFS，并且與峰值相鄰的箱中幾乎沒有功率。

可編程正弦發(fā)生器通常具有出色的相位噪聲特性和10 MHz鎖定能力，但它們也具有高輸出寬帶本底噪聲和失真。FFT對所有這些形式的源損壞都很敏感，并且輸出箱頻率的數(shù)量也有限。為了測試高性能模擬和混合信號系統(tǒng)，經(jīng)典維恩橋振蕩器與可編程發(fā)生器的正確組合可以提供具有同步采樣的近乎完美的源，從而生成精確的FFT。

審核編輯：郭婷