Цифровые потенциометры (ЦП) универсальны и могут использоваться в самых разных областях применения, например, для фильтрации или генерации сигналов переменного тока. Однако иногда необходимо иметь возможность изменять частоту и адаптировать ее к требуемому приложению. Программируемые решения, позволяющие регулировать частоту через соответствующий интерфейс, чрезвычайно полезны в таких конструкциях и в некоторых случаях могут значительно облегчить разработку. В этой статье описан метод создания относительно простого программируемого генератора, частота и амплитуда колебаний которого могут регулироваться независимо друг от друга с помощью цифровых потенциометров.
 |
|
| Рисунок 1. | Программируемый генератор с мостом Вина со стабилизацией амплитуды, в котором резисторы заменены цифровыми потенциометрами. |
На Рисунке 1 показан типичный стабилизированный диодами генератор с мостом Вина, с помощью которого на выходе (VOUT) могут быть получены точные синусоидальные сигналы в диапазоне частот примерно от 10 кГц до 200 кГц. Генераторы с мостом Вина отличаются тем, что одно плечо моста образовано полосовым фильтром, а другое – делителем напряжения. В этом примере в дополнение к прецизионному rail-to-rail усилителю ADA4610-1 используется ЦП AD5142, который содержит два независимо управляемых потенциометра, каждый с разрешением 256 шагов. Программирование значений сопротивления выполняется через интерфейс SPI, как показано на Рисунке 2. В качестве альтернативы можно использовать ЦП AD5142A, управлять которым можно с помощью интерфейса I2C. Оба ЦП доступны в вариантах 10 кОм или 100 кОм.
 |
|
| Рисунок 2. | Блок схема цифрового потенциометра AD5142. |
В классической схеме генератора, показанной на Рисунке 1, путь через R1A, R1B, C1 и C2 образует цепь положительной обратной связи, тогда как отрицательная обратная связь обеспечивается через R2A, R2B и два параллельных диода D1 и D2 или их сопротивление RDIODE. Здесь используется формула (1):
 |
(1) |
Чтобы добиться устойчивых стабильных колебаний, необходимо устранить сдвиг фазы, вносимый цепью обратной связи. Частота колебаний определяется следующими формулами:
 |
(2) |
Здесь R – значение запрограммированного сопротивления AD5142:
 |
(3) |
D – это десятичный эквивалент цифрового кода, запрограммированного в AD5142, а RAB – общее сопротивление потенциометра.
Чтобы поддерживать колебания, мост Вина должен быть относительно сбалансирован, то есть усиление петли положительной обратной связи и усиление петли отрицательной обратной связи должны быть согласованы. Если положительная обратная связь (усиление) слишком велика, амплитуда колебаний или VOUT будет увеличиваться до тех пор, пока усилитель не войдет в насыщение. Если преобладает отрицательная обратная связь, то амплитуда, соответственно, будет затухать.
Для показанной здесь схемы коэффициент усиления R2/R1 должен быть установлен примерно равным 2 или несколько больше. Это дает гарантию возникновения генерации.
Однако попеременное включение диодов в цепи отрицательной обратной связи также приводит к тому, что усиление временно становится меньше 2, благодаря чему стабилизируется уровень колебаний.
Как только необходимая частота колебаний определена, амплитуда колебаний может быть настроена независимо от частоты с помощью резистора R2. Ее можно рассчитать следующим образом:
 |
(4) |
Переменные ID и VD, представляют, соответственно, прямой ток диодов и прямое падение напряжение на диодах D1 и D2. Если резистор R2B закорочен, амплитуда колебаний составляет приблизительно ±0.6 В. При правильном порядке величины R2B может быть достигнуто равновесие, при котором установится стабильный уровень VOUT. В схеме, показанной на Рисунке 1, в качестве R2B используется отдельный ЦП 100 кОм.
Заключение
С помощью описанной схемы и сдвоенного 10-килоомного цифрового потенциометра можно настроить частоты колебаний 8.8 кГц, 17.6 кГц и 102 кГц при значениях сопротивления 8 кОм, 4 кОм и 670 Ом, соответственно, с частотной погрешностью всего ±3%. Выходные частоты можно увеличить, но это повлияет на погрешность частоты. Например, при 200 кГц погрешность частоты увеличится до 6%.
При использовании таких схем в частотно-зависимых приложениях также важно не нарушать ограничения на полосу пропускания ЦП, поскольку она зависит от запрограммированного сопротивления. Кроме того, для настройки частоты в схеме на Рисунке 1 требуется, чтобы значения сопротивлений R1A и R1B были одинаковыми. Однако два канала могут программироваться только последовательно, что приводит к кратковременному критическому промежуточному состоянию. Для некоторых приложений это может быть неприемлемо. В таких случаях можно использовать ЦП с возможностью последовательного включения (например, AD5204), чтобы обеспечить одновременное изменение обоих значений сопротивления.
Купить AD5142 на РадиоЛоцман.Цены
