Коммутатор с ШИМ управлением имитирует цифровой потенциометр

Цифровые потенциометры (ЦП) – это разнообразная и полезная категория цифровых/аналоговых компонентов с разрешением до 10 бит, сопротивлением элемента от 1 кОм до 1 МОм и возможностью работы с напряжениями до ±15 В и выше. Однако чаще всего они ограничены 8 битами, однополярными (обычно от 0 В до +5 В) уровнями сигналов и сопротивлениями от 5 до 100 кОм с допусками ±20-30%.

В этой статье описывается простая и недорогая схемная альтернатива ЦП. Она имеет свои недостатки (в основном они связаны с относительно низкими частотами сигнала), но обеспечивает полезные, а иногда и превосходные характеристики в тех областях, где реальные ЦП обычно не справляются. К ним относятся такие параметры, как диапазон биполярных сигналов, потрясающая дифференциальная нелинейность, высокая точность сопротивления и программируемое разрешение. См. Рисунок 1.

Рисунок 1.	Сигнал ШИМ противофазно управляет КМОП-переключателями и RC-цепью для имитации ЦП.

RC-фильтрация пульсаций ограничивает частотную характеристику, как правило, десятками-сотнями Гц.

Переключатель U1b подключает узел W движка к узлу B, когда ШИМ = 1, и к узлу A, когда ШИМ = 0. Считая, что коэффициент заполнения ШИМ P может меняться от 0 до 1, и предполагая отсутствие чрезмерной нагрузки на узел W, получим:

V_W = P(V_B – V_A) + V_A.

В то же время переключатель U1a подключает W к узлу A, когда ШИМ = 1, и к узлу B, когда ШИМ = 0, то есть, в противофазе относительно U1b. Из-за связи по переменному току это не влияет на постоянную составляющую выходного сигнала потенциометра, но инверсия фазы относительно U1b обеспечивает активное подавление пульсаций, как описано в статье «Подавитель пульсаций ШИМ ЦАП с аналоговым вычитанием» [1].

Минимальная постоянная времени RC, необходимая для ослабления пульсаций до уровня, не превышающего 1 LSB (младшего значащего бита), для любого заданного N – количества битов разрешения ШИМ – и периода ШИМ T_PWM определяется формулой:

Например, для N = 8 и F_PWM = 10 кГц

Максимально допустимое значение R определяется требуемой точностью напряжения V_W под нагрузкой. Минимальное значение R определяется:

1. Требуемой точностью сопротивления после учета непостоянства сопротивления r замкнутого ключа U1b, которое составляет 40 ± 40 Ом для микросхемы HC4053, питаемой, как показано на Рисунке 1.
2. Требуемой интегральной нелинейностью, зависящей от производственного разброса сопротивлений замкнутого ключа, который для показанного здесь включения HC4053 составляет всего 5 Ом.

Допустимый рабочий диапазон сопротивлений R для 8-битного разрешения N составит от 1 кОм до 10 кОм. N программируется.

В результате получается эквивалентная схема, показанная на Рисунке 2. Обратите внимание, что в отличие от механического или цифрового потенциометра, где выходное сопротивление существенно меняется в зависимости от установленного положения движка, выходное сопротивление ШИМ-потенциометра (R + r) номинально постоянно и не зависит от установки.

Рисунок 2.	Эквивалентная схема ШИМ-потенциометра, где r – сопротивление замкнутого переключателя, P – коэффициент заполнения ШИМ, а конденсаторы фильтра пульсаций не показаны.

Ссылки

1. Stephen Woodward. Подавитель пульсаций ШИМ ЦАП с аналоговым вычитанием

Материалы по теме

1. Datasheet NXP 74HC4053