Efaster - быстрый поиск электронных компонентов

5-декадный антилогарифмический источник тока с ШИМ-управлением

На страницах раздела Конструкторские идеи в последнее время появилось множество проектов генераторов с регулируемой частотой, частотные диапазоны которых можно перестраивать в пределах нескольких порядков ([1] – [5]).

Линейка высокоэффективных AC/DC ИП MEAN WELL пополнилась новой серией NSP

Но, несмотря на их большое количество, бросается в глаза отсутствие во всех этих схемах возможности цифрового управления частотой колебаний (например, с помощью вывода GPIO микроконтроллера). В данной статье эта тема будет рассмотрена.

Приступая к разработке любого цифроаналогового интерфейса, в первую очередь необходимо ответить на вопрос, какое разрешение (в битах) нам требуется? Для перечисленных выше приложений ответ неочевиден. Это связано с чрезвычайно широким диапазоном используемых аналоговых величин (частот), например, 100,000:1 для 5-декадного генератора Кристофера Пола с перестройкой от 10 Гц до 1 МГц [1].

5 десятичных знаков – это 10 ppm, что эквивалентно линейному двоичному разрешению в 16.6 бит. Таким образом, даже если бы мы выбрали избыточное значение в 16 бит (1/65536 = 15 ppm), мы все равно потеряли бы разрешение в нижней части диапазона. Инкремент первого младшего значащего бита с 10 Гц составил бы 15 ppm от 1 МГц, то есть, 15 Гц, что увеличило бы выходную частоту до 25 Гц, почти утроив ее.

В схеме на Рисунке 1 используется подход, существенно отличающийся от линейного преобразования. Работая всего лишь с 8-битным ШИМ, он обеспечивает постоянное и равномерно распределенное разрешение порядка 5% на каждый инкремент младшего значащего бита. Вот как это работает.


Рисунок 1.	Антилогарифмическая 8-битная ШИМ обеспечивает постоянный шаг приращения около 5% на младший значащий бит. Компоненты, отмеченные звездочкой, имеют точность 1% или выше (металлопленочные или C0G).

Антилогарифмическое преобразование происходит за четыре шага длительностью около 1 мс, определяемой суммарными состояниями бита ШИМ GPIO и D-триггера, декодируемыми аналоговым мультиплексором 4052, как показано на Рисунке 2.


Рисунок 2.	*Время T_Wравно антилогарифму R_TC_T и составляет от 2 до 500 мкс.*

Последовательность антилогарифмического преобразования следующая:

BA = 3: длительность 12 мкс. Времязадающий конденсатор C_T заряжен до напряжения V_DD – 1.24 В.
BA = 2: длительность TW от 2 мкс до 500 мкс. Конденсатор C_T экспоненциально разряжается до V_DD с постоянной времени R_TC_T = 43.4 мкс.
BA = 1: длительность от 0 до 498 мкс. Остаточный заряд конденсатора C_T передается в конденсатор выборки и хранения C_SH.
BA = 0: длительность от 2 до 500 мкс. Остаточный заряд C_T продолжает передаваться в C_SH.

В конце каждого 4-шагового цикла длительностью 1024 мкс напряжение на конденсаторе C_SH будет стремиться к напряжению (относительно V_DD) от 12 мкВ до 1.2 В, определяемому антилогарифмом длительности шага 2 (от 2 мкс до 500 мкс) последовательности преобразования. Типовое входное напряжение смещения микросхемы LT2066, равное 1 мкВ, позволяет использовать ее для (достаточно) точного цифро-аналогового преобразования. Установление напряжения на конденсаторе C_SHдо 8-битной точности занимает не более 8 циклов, то есть, не более 8.2 мс.

Окончательное преобразование полученного 5-декадного источника тока в 5-декадный выходной сигнал частоты (что и является целью данного упражнения) можно выполнить простым (хотя, надо признать, довольно грубым) способом с помощью схемы, показанной на Рисунке 3.


Рисунок 3.	Минимальный 5-декадный генератор пилообразных импульсов, позволяющий в конечном итоге преобразовать результирующий 5-декадный тока источника в 5 декад выходной частоты.

Или же это можно сделать гораздо точнее, позаимствовав для схемы на Рисунке 1 источник тока, программируемый резистором, из схемы Кристофера Пола (выделенный желтым цветом) на Рисунке 4.


Рисунок 4.	Максимальный 5-декадный генератор пилообразных импульсов, предложенный Кристофером Полом [1]. (D – код ШИМ (0…255), I_C– ток управления, I_MAX – максимальный ток управления).

Графики зависимости вытекающего тока от ШИМ показаны на Рисунке 5.


Рисунок 5.	Логарифмический (красный) и линейный (черный) графики зависимости вытекающего тока от кода ШИМ D.