Две микросхемы умножают аналоговый сигнал на цифровой

Журнал РАДИОЛОЦМАН, февраль 2013

Rick Mally, Independent Designs LLC, США

EDN

В представленной здесь схеме аналоговый сигнал смешивается со стандартным сигналом ШИМ с помощью аналогового коммутатора, в качестве которого предлагается использовать, например, DG419 или одну треть микросхемы CD4053. Сигналы ШИМ способно формировать большинство микроконтроллеров. При объединении сигнала ШИМ с аналоговым сигналом и последующей фильтрации высокочастотных компонентов смеси получается схема, эффективно умножающая аналоговый сигнал на цифровое значение. Подобная схема может найти применение при обработке сигналов, коррекции коэффициента мощности, автоматической регулировке усиления и при создании интерфейсов датчиков. Все четыре варианта схемы основаны на одном и том же принципе, использующем аналоговый ключ для управления соотношением времени подключения двух аналоговых входов и фильтр нижних частот для удаления составляющих сигнала с частотой ШИМ.

Рисунок 1.	Аналоговый КМОП ключ и операционный усилитель, включенный в конфигурации фильтра нижних частот, образуют простую схему умножителя, которая может использоваться в качестве блока автоматической регулировки усиления (а) или микшера (б).

На Рисунке 1а изображен умножитель, содержащий низкочастотный фильтр Саллена-Кея второго порядка. Именно активный фильтр позволяет наиболее эффективно подавлять частоту коммутации, пропуская более медленные сигналы переменного тока практически без ослабления. Аналоговый ключ поочередно выбирает либо аналоговый входной сигнал, либо уровень «земли», поэтому среднее значение его выходного напряжения будет равно

V_IN × D,

где

D – коэффициент заполнения импульсов ШИМ, величина которого может находиться в диапазоне от 0 до 1.

На Рисунке 1б показан видоизмененный вариант схемы. К входу, заземленному в предыдущей схеме, теперь подключен второй аналоговый сигнал. Выходное напряжение описывается выражением

(A×D) + B×(1 – D).

Коэффициент заполнения импульсов ШИМ определяет соотношение времени подключения двух входных сигналов, а результат операции представляется напряжением V_OUT.

Частоту среза фильтра следует выбирать в соответствии с используемой частотой ШИМ. При номиналах показанных на схеме частота среза равна приблизительно 10 кГц. Этого должно быть достаточно для большинства приложений с 8-разрядными микроконтроллерами, работающими на частоте 16 МГц (частота ШИМ – 62.5 кГц). Время отклика такой схемы не превысит 200 мкс, а уровень шумов будет меньше единицы младшего разряда (ЕМР). Частоту среза легко изменить подбором резисторов R₁ и R₂ или конденсаторов C₁ и C₂. При этом важно, чтобы выполнялись соотношения R₁ = R₂ и C₂ ≈ 0.5 × C₁. При двукратном увеличении значений сопротивлений или емкостей частота среза уменьшается вдвое, и наоборот, если уменьшить номиналы наполовину, частота среза удвоится.

Рисунок 2.	В том случае, когда допустимо большое время отклика, активный двухполюсный фильтр нижних частот можно заменить более простой пассивной однополюсной схемой.

Упрощенная версия предыдущих схем представлена на Рисунках 2а и 2б. Частота среза этих схем намного ниже, поэтому они пригодны только для формирования постоянного напряжения или медленно меняющихся сигналов переменного тока. Как и в схемах на Рисунке 1, частота среза фильтра должна соответствовать частоте ШИМ. Для 8-битной ШИМ из предыдущего примера при R₁ = 10 кОм и C₁ = 0.1 мкФ время отклика равно 5 мс, а шумы не превышают 1 ЕМР.

Поскольку для всех описанных схем коэффициент усиления по постоянному току равен 1, величины дискретных элементов влияют только на передачу переменной составляющей сигнала. Это означает, что высокая точность схемы обеспечивается без использования дорогостоящих прецизионных компонентов.