Як побудувати програмований генератор з використанням цифрових потенціометрів

Як побудувати програмований генератор з використанням цифрових потенціометрів

Цифрові потенціометри (digiPOT) універсальні і можуть використовуватися в найрізноманітніших областях, наприклад, для фільтрації або генерації синусоїдальних сигналів. У цій статті описаний спосіб відносно простого побудови програмованого генератора, у якому частоту і амплітуду коливань можна регулювати незалежно один від одного за допомогою цифрових потенціометрів.

Т. Бренд

Схема генератора на основі моста Віна

На рис. 1 наведена схема генератора синусоїдальних сигналів, виконана на основі моста Віна, за допомогою якого на виході можуть бути отримані потрібні синусоїдальні коливання з високим ступенем точності в діапазоні приблизно від 10 до 200 кГц. Генератори на основі моста Віна характеризуються тим, що одне плече утворене смуговим фільтром, а інше — дільником напруги. У цій схемі на додаток до прецизійного підсилювача ADA4610-1 включений цифровий потенціометр (digiPOT) AD5142, який містить два незалежно керовані потенціометри, кожен з роздільною здатністю 256 кроків. Програмування величини опору виконується через SPI-інтерфейс, як показано на рис. 2. Як альтернативу можна використовувати ІМС AD5142A, яка керується через інтерфейс I²C. Обидва потенціометри випускаються з максимальними опорами 10 і 100 кОм.

У схемі генератора, показаній на рис. 1, коло R1A, R1B і C1, C2 формує додатний зворотний зв’язок, тоді як від’ємний зворотний зв’язок забезпечується резисторами R2A, R2B і двома паралельними діодами D1 і D2 з опором RDIODER_{\text{DIODE}}RDIODE​. Співвідношення опорів резисторів визначається з такого виразу

R2= R2A||(R2B + RDIODE)

Для досягнення стійких коливань необхідно усунути фазовий зсув у контурі підсилення. Для визначення частоти генератора скористаємося таким виразом

f0= 1/(2π RC),

де $R$ — опір цифрового потенціометра AD5142, рівний R=(256−D)⋅RAB/256R = (256 – D) \cdot R_{AB}/256R=(256−D)⋅RAB​/256, RABR_{AB}RAB​ — опір потенціометра, $D$ — десятковий еквівалент коду, записаного в регістр потенціометра AD5142.

Умови стійких коливань і регулювання амплітуди

Щоб підтримувати стійкий коливальний процес, міст Віна повинен бути добре збалансований, тобто коефіцієнти додатного і від’ємного зворотного зв’язку повинні бути узгоджені між собою. Якщо коефіцієнт додатного зворотного зв’язку більший за коефіцієнт від’ємного зворотного зв’язку, амплітуда коливань або напруга VOUTPUTV_{\text{OUTPUT}}VOUTPUT​ буде збільшуватися до насичення підсилювача. Якщо переважатиме від’ємний зворотний зв’язок, то амплітуда коливань буде згасати. Для схеми на рис. 1 відношення R2/R1R_2/R_1R2​/R1​ повинно бути приблизно рівним 2 або дещо вищим. Це гарантує стійкий коливальний процес на виході схеми. Включення діодів у контур від’ємного зворотного зв’язку призводить до деякого зменшення цього відношення, що додатково сприяє стабілізації коливань. Як тільки встановлена потрібна частота коливань, амплітуда коливань може бути налаштована незалежно від частоти за допомогою цифрового потенціометра R2. Її можна розрахувати таким чином

V_OUTPUT = 3( I_DxR_2B + V_D)/2.

Струм IDI_DID​ і напруга VDV_DVD​ — це відповідно прямий струм через діоди D1 і D2 та пряме падіння напруги на діодах D1 і D2. Якщо цифровий потенціометр R2B закорочений, амплітуда коливань становить приблизно ±0,6 В. При коректному виборі величини опору R2B можна забезпечити стійку роботу схеми генератора (рис. 1). У цій схемі цифровий потенціометр R2B має максимальний опір 100 кОм.

Висновки

За допомогою схеми на рис. 1 і здвоєного цифрового потенціометра з максимальним опором 10 кОм може бути побудований генератор синусоїдальних коливань з частотами 8,8 кГц (опір потенціометра 8 кОм), 17,6 кГц (опір потенціометра 4 кОм) і 102 кГц (опір потенціометра 670 Ом). Похибка встановлення заданої частоти синусоїдального сигналу становить не більше ±3 %. При більш високих частотах, наприклад, 200 кГц, похибка встановлення частоти збільшується до 6 %.