Интегратор с управляемой амплитудой и регулируемой скоростью изменения выходного напряжения

Журнал РАДИОЛОЦМАН, октябрь 2017

Выходное напряжение интегратора на операционном усилителе растет до насыщения, а ключ разряжает конденсатор. Так работает один из вариантов генератора треугольных импульсов. Альтернативный способ, также используемый в схемах генераторов треугольных импульсов, основан на управлении нарастанием и спадом путем коммутации входа с помощью ключа. Но как сделать интегратор с управляемой амплитудой выходного сигнала? Долгий поиск в сети не дал никаких «рецептов» схем, в которых амплитуда треугольных импульсов на выходе интегратора могла бы поддерживаться на заданном постоянном уровне. В этой статье описывается схема на операционном усилителе с однополярным питанием, выходное напряжение которой линейно нарастает и спадает, управляемое ступеньками входного положительного напряжения, изменяющегося от нуля до напряжения питания V_CC. При показанных на Рисунке 1 номиналах компонентов скорость изменения выходного напряжения dV/dt регулируется до значения 1 В/мин и не зависит от амплитуды ступеньки входного напряжения, а окончание роста происходит на постоянном уровне, приблизительно равном величине входной ступеньки. Любые дальнейшие изменения входного постоянного напряжения приводят к тому, что выходное напряжение увеличивается или спадает с установленной скоростью dV/dt до нового значения. По сути, эта схема представляет собой интегратор с ограниченной амплитудой и постоянной скоростью изменения выходного напряжения.

Рисунок 1.	Скорость нарастания и спада выходного напряжения этого интегратора на операционном усилителе устанавливается потенциометром, а конечное напряжение равно уровню входного постоянного напряжения.

В схеме использован счетверенный rail-to-rail операционный усилитель LMC6484, выпускаемый компанией Texas Instruments. Благодаря rail-to-rail входам и выходам, он очень прост в использовании, низкие входные токи утечки прекрасно подходят для интегрирования с большими постоянными времени, а напряжение смещения 3 мВ является вполне приемлемым для данного приложения. Потенциометр R₁ с линейной зависимостью сопротивления от угла поворота задает входное напряжение, определяющее уровень, на котором прекращается нарастание выходного сигнала. Выход усилителя IC_1A попеременно находится в состояниях положительного или отрицательного насыщения, поднимаясь до V_CC и опускаясь до нуля во время спада или нарастания выходного напряжения, соответственно.

Постоянную времени интегратора IC_1B задают неполярный конденсатор C₁ и потенциометр R₂ с линейной функциональной характеристикой. Диапазон регулировки составляет от 0.5 В/мс до 1 В/мин. Резистивный делитель R₇-R₈ устанавливает опорное смещение 108 мВ на входе усилителя IC_1B, которое транслируется буфером с единичным усилением на элементе IC_1D. Резистор R₆ ограничивает входной ток усилителя IC_1B при выключении питания, когда C₁ разряжается через внутренние входные и выходные диоды микросхемы, исключая возможность перегрузки IC_1D при минимальном сопротивлении R₂.

Делитель R₃-R₄ ослабляет размах выходного напряжения IC_1A до уровня, при котором в отсутствие нагрузки сигнал на выходе микросхемы изменяется примерно на 100 мВ вокруг значения 108 мВ. В результате этого деления на резисторе R₅ падает напряжение приблизительно 20 мВ, интегрируемое со скоростью, определяемой значениями C₁ и R₂. Падение 20 мВ превосходит максимально возможное входное смещение 3 мВ в достаточной степени, чтобы минимизировать эффекты смещения. Когда линейно меняющееся выходное напряжение IC_1B достигает входного напряжения на движке потенциометра R₁, IC_1A выходит из насыщения и остается на уровне порядка 2.5 В, замыкая цепь отрицательной обратной связи, поддерживающей равенство выходного напряжения интегратора IC_1B и входного напряжения. Таким образом происходит установка граничного уровня напряжения, на котором прекращается процесс интегрирования. Усилитель IC_1C можно оставить неиспользованным, или, как показано на Рисунке 1, управлять им с помощью линейно меняющегося или постоянного выходного напряжения IC_1B, превратив его в ШИМ-модулятор для драйвера двигателя (на рисунке не показан).

R₅ устраняет дифференциальные ошибки, возникающие из-за разброса сопротивлений R₇ и R₈, и обеспечивает компромисс между максимальным входным смещением 3 мВ усилителя IC_1B при 25 °C и входной амплитудой 20 мВ, позволяющей установить самую медленную скорость dV/dt. При использовании компонентов с номиналами, указанными на Рисунке 1, минимальная скорость нарастания составит примерно 1 В/мин, что при V_CC = 5 В соответствует максимальному времени 5 мин. Если требуются бóльшие времена, можно увеличить до 15 В напряжение питания V_CC, пересчитав сопротивления резисторов смещения R₇ и R₈, или увеличить емкость C₁, используя параллельные неполярные конденсаторы. Вместо этого можно увеличить R₂, хотя выбор потенциометров с сопротивлениями более 1 МОм достаточно ограничен.

Если большие постоянные времени вашему приложению не нужны, или вы используете вышеперечисленные методы увеличения постоянной времени, резистор R₅ из схемы можно удалить, что увеличит дифференциальное напряжение на входах IC_1B и, соответственно, ускорит интегрирование. Также можно исключить усилитель IC_1D и подключить резистивный делитель смещения R₇-R₈ непосредственно к входу микросхемы IC_1B, но при этом влияние разброса сопротивлений резисторов на дифференциальную ошибку станет более значительным [1] и [2].

Ссылки

Материалы по теме