Журнал РАДИОЛОЦМАН, январь 2012
Jim Wilson, Allied Healthcare Products
Electronic Design Europe
У большинства микроконтроллеров есть один или несколько выходов широтно-импульсных модуляторов (ШИМ), которые могут эффективно использоваться для управления всевозможными нагрузками, такими, например, как соленоиды пропорциональных клапанов, электромоторы или светорегуляторы. По существу, во всех случаях ШИМ используется как цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП). Программированием регистра устанавливается требуемый коэффициент заполнения импульсов (цифра), а затем, с помощью нескольких компонентов, выполняющих функцию интегратора, формируется постоянное напряжение (аналог). Аналоговое напряжение, пропорциональное коэффициенту заполнения, заданному записанным в регистр ШИМ числом, может изменяться от уровня «лог. 0» до «лог. 1».
Однако очень часто управляемое устройство не работает в полном диапазоне выходных напряжений ШИМ. К примеру, электромотор может не вращаться при напряжении ниже 2 В, а пропорциональный клапан полностью откроется уже при напряжении 4 В. Если логические уровни ШИМ заключены между 0 и 5 В, часть разрешающей способности будет потеряна. Так, при 8-разрядной ШИМ из 256 возможных уровней реально воздействовать на клапан будут только 200.
Чтобы сделать точность управления максимально возможной, можно найти в учебниках несколько простых аналоговых схем и согласовать диапазон ШИМ с требованиями конкретного устройства. Изображенная на рисунке схема состоит из шести каскадов, некоторые из которых вам, возможно, не понадобятся, и их можно будет просто опустить.
Схема выбора
Ключ U1 позволяет выбирать из нескольких устройств одно, требующее управления. Применительно к приложению, которое побудило к разработке данной схемы, это несколько клапанов и насосов на одной линии ШИМ. Вход Разрешение предназначен для индивидуального включения и выключения каждого устройства.
Интегратор
Этот каскад (R1 и C1) преобразует прямоугольные импульсы ШИМ в постоянное напряжение, пропорциональное коэффициенту заполнения. От типа и емкости конденсатора C1 зависит скорость, с которой он способен перезаряжаться и превращать ШИМ последовательность в гладкое постоянное напряжение. У меня одинаково хорошо работали и керамические, и электролитические конденсаторы.
Делитель
Резисторы R2 и R3 образуют простой делитель, задающий верхний уровень выходного управляющего напряжения схемы. К примеру, в моем случае напряжение питания микроконтроллера равно 5 В, и выход ШИМ, соответственно, переключается между 0 и 5 В. Используемый клапан полностью открывается при напряжении 4 В. Без делителя 20% разрешения ШИМ терялись бы понапрасну из-за того, что диапазон от 4 до 5 В использоваться не может.
Сумматор
Можно привести множество примеров устройств, которым нижняя часть диапазона ШИМ абсолютно не нужна. Электромоторы, например, не сдвинутся с места до тех пор, пока напряжение на них не достигнет определенного минимального порога. Чтобы сместить вверх нижнюю точку выходного диапазона напряжений драйвера, на резисторах R4 и R5 сделан еще один делитель, напряжение на котором должно быть чуть ниже требуемого на выходе минимума. Если ваш мотор не стартует при напряжении ниже 2 В, можете установить на делителе такое напряжение, чтобы на резисторе R7 было 1.8 В. При этом вы потеряете всего лишь 0.2 В, или 4% от полного диапазона ШИМ, но не 40%, что было бы при нижней границе равной нулю.
Умножитель
Нередко устройству требуется напряжение, большее, чем амплитуда импульсов ШИМ. С помощью умножителя выходное напряжение драйвера можно увеличить в любое число раз. Коэффициент умножения задается резисторами R8 и R9. На схеме R8 и R9 равны и образуют удвоитель напряжения. Для других коэффициентов умножения используйте формулу:
где
VO – напряжение на выходе усилителя U2,
VI – напряжение на неинвертирующем входе IN+ усилителя U2.
Преобразователь и драйвер
Микросхема U3 используется для преобразования выходного напряжения драйвера ШИМ в ток и компенсации температурного дрейфа параметров нагрузки. Индуктивные нагрузки, подобные моторам и клапанам, как правило, содержат обмотки с большим количеством провода, сопротивление которого зависит от температуры. Повторитель напряжения U3 компенсируют эту зависимость. При испытании схемы наилучший в своем классе результат показала микросхема операционного усилителя OPA137, выпускаемая Texas Instruments. D1 – это диод свободного хода для подавления индуктивных выбросов, возникающих при резком снижении или отключении напряжения питания нагрузки. Одинаково хорошо здесь работают и диод Шоттки SK32, и обычный диод LL4148.
Для того чтобы при подборе сопротивлений не идти путем проб и ошибок, используйте потенциометры. Получив оптимальные результаты, замените потенциометры постоянными резисторами.
После надлежащей настройки схема, подобная описанной, позволит повысить точность управления драйвером ШИМ. Полезный диапазон выходных напряжений с 20…40%, ценою нескольких дешевых компонентов, можно расширить до 90% и более.
При использовании ШИМ в качестве источника аналогового напряжения для управления такими устройствами, как электромоторы и пропорциональные клапаны, схема позволяет смещать и масштабировать диапазон управляющих напряжений в соответствии с требованиями, предъявляемыми нагрузкой.
