KEEN SIDE успешно заменяет аналогичные продукты таких известных брендов, как Phoenix Contact, Weidmueller, Degson, Winstar, Hsuan Mao, KLS, G-NOR, Mean Well и др.

Быстродействующий ШИМ ЦАП без пульсаций

Texas Instruments CD74HC4053

Журнал РАДИОЛОЦМАН, июль 2018

Stephen Woodward

EDN

Сравнительное тестирование аккумуляторов EVE Energy и Samsung типоразмера 18650

Благодаря своей непреходящей простоте, ЦАП на основе ШИМ всегда будут занимать место в кулинарных книгах разработчиков, но, как правило, их полезность и привлекательность ограничиваются большим временем отклика и проблемой пульсаций ШИМ. Обычный способ ослабления пульсаций с помощью RC фильтра нижних частот никогда не позволяет избавиться от них полностью, и только делает время установления выходного напряжения мучительно долгим. Другой подход, показанный на Рисунке 1, основан на использовании синхронной выборки и хранения и лишен этого недостатка.

Функция выборки-хранения, выполняемая элементом S1, удаляет пульсации ШИМ.
Рисунок 1. Функция выборки-хранения, выполняемая элементом S1,
удаляет пульсации ШИМ.

Описанная здесь идея базируется на изначально периодическом характере пульсаций ШИМ, что делает их одинаковыми по уровню в любой синхронно выбранной точке диаграммы напряжения VC1 (Рисунок 2). Поэтому, если синхронно выбирать напряжение VC1, как это делается в схеме на Рисунке 1 с помощью аналогового ключа S1 и конденсатора C2 (получается схема выборки-хранения), а затем переносить его на выходной конденсатор C3, результатом будет гладкое, свободное от пульсаций напряжение VOUT, независящее от того, насколько велики выбросы на VC1. Сказанное иллюстрируется графиками динамического режима на Рисунке 2.

За 15 циклов ШИМ точность ЦАП устанавливается на уровне 8 бит.
Рисунок 2. За 15 циклов ШИМ точность ЦАП устанавливается
на уровне 8 бит.

Более того, поскольку синхронная выборка по своей сути исключает пульсации независимо от того, насколько мала постоянная времени RC1, из этого следует, что произведение RC1 может быть сделано достаточно небольшим. Это способно кардинально уменьшить время установления. Так, на Рисунке 1 период ШИМ TC = RC1 = 100 мкс, и установление выходного напряжения, соответствующего 8-битному разрешению, происходит за время, меньшее, чем 15·TC = 1.5 мс. Но, конечно же, как мы прекрасно знаем, у всего хорошего должен быть какой-то предел. Поэтому возникает вопрос: насколько коротким может быть сделано время RC1, и какими конструктивными факторами определяется это ограничение?

Ответ подскажет более внимательный взгляд на форму VC1: VOUT выбирается не из среднего значения VC1, а из максимумов пиков пульсаций. Поэтому

где амплитуда пульсаций

Отсюда видно, что суммирование этого нелинейного компонента с функцией выходного напряжения ЦАП VOUT делает передаточную функцию ЦАП также нелинейной, в результате чего ошибка интегральной нелинейности (INL) при указанных на схеме номиналах компонентов может достигать 8.3% от полной шкалы (Рисунок 3). Для многих приложений столь высокий уровень INL неприемлем. К счастью, есть простой (программный) способ решения проблемы: цифровая коррекция настроек ЦАП. Например, при использовании компонентов с номиналами из Рисунка 1 получаем

Если теперь выбрать другое значение TP:

член VRIPPLE из выражения для VOUT исчезнет, и 8-битный уровень INL будет восстановлен.

Ошибка нелинейности, обусловленная выпрямленными пульсациями.
Рисунок 3. Ошибка нелинейности, обусловленная
выпрямленными пульсациями.

Необходимо упомянуть «необязательные» элементы VS и S2, которые формируют входной сигнал для RC1 из напряжения прецизионного опорного источника VS и, таким образом, позволяют избежать наложения шумов, характерных для источников питания логических схем (и, следовательно, проходящих вместе с сигналом ШИМ на выход). Разумеется, если требования к точности вашего приложения достаточно невысоки, VS и S2 можно опустить, и просто напрямую подключить R к сигналу ШИМ.

Подчеркнем еще раз сказанное в начале: одной из главных прелестей ШИМ ЦАП является их абсолютная простота.

Отклики ЦАП при трех различных настройках.
Рисунок 4. Отклики ЦАП при трех различных настройках.

Материалы по теме

Перевод: AlexAAN по заказу РадиоЛоцман

На английском языке: Fast PWM DAC has no ripple

55 предложений от 31 поставщиков
IC, LOGIC, 74HC, DECODER/DEMULTIPLEXER; Logic IC Function:Triple 2-Channel Analog Multiplexer/Demultiplexer; Logic IC Family:HC; Logic IC Base Number:744053; Resistance, Rds On:40ohm; Outputs,...
CD74HC4053M
Texas Instruments
4.45 ₽
T-electron
Россия и страны СНГ
CD74HC4053M96
Texas Instruments
8.68 ₽
Элитан
Россия
CD74HC4053PW
Texas Instruments
11 ₽
Utmel
Весь мир
CD74HC4053E
Rochester Electronics
по запросу
Электронные компоненты. Бесплатная доставка по России
Для комментирования материалов с сайта и получения полного доступа к нашему форуму Вам необходимо зарегистрироваться.
Имя
Фрагменты обсуждения:Полный вариант обсуждения »
  • Возьмём на заметку. Только вот то, что всегда заставляет усомниться в целесообразности их использования даже для простых задач. Не так уж они просты. В большинстве ARM микроконтроллеров (почти копеечных сегодня) есть встроенный ЦАП на 8-12 бит. И несколько DMA каналов, способных обслуживать его аппаратно. Если говорить о генерации периодических сигналов, в частности гармонических и полигармонических, то фильтр так или иначе всегда необходим. Но, к примеру, куда легче фильтровать уже сформированный синус, а не смодулированный ШИМ сигнал. Во всяком случае камнем преткновения для ШИМ всегда будет указанный в статье вопрос
  • В 2016 году публиковали решение поинтереснее, там автоматически компенсировалось смещение нуля операционных усилителей за счет обратной связи с УВХ на интегратор. Статья [URL="https://www.rlocman.ru/shem/schematics.html?di=194033"]Снижение уровня пульсаций выходного напряжения ШИМ-ЦАП с помощью синхронного фильтра[/URL] И быстродействие там в разы выше, т.к. операционный усилитель буферизирует вход УВХ.
  • Меня всегда "бесят" такие ответы - как выше! Всадник без головы - у него нет головы, этим все сказано!!! В данном случае обсуждается ШИМ и его пульсации и не думаю что здесь начато обсуждение - кто не сходил в туалет или не знает темы из за того, что пропустил время изучения допустим в лечебном заведении.По теме - техника идет вперед, от пульсаций не избавятся, но при необходимости (спросе), появятся ШИМ с меньшими пульсациями, размерами, потреблением - в бизнесе спрос - двигатель прогресса.
  • В самом деле, Владимир_666, не "беситесь" и проясните насчёт туалетной темы, прогресса и всего такого (по Дугласу Адамсу). А главное насчёт спроса - где и почём нынче дают "ШИМ с меньшими пульсациями" и как долго нужно стоять в очереди ? :-) Кроме шуток. Скажите, в какой задаче Вы использовали ЦАП на основе ШИМ и с какими трудностями сталкивались, поделитесь опытом. Был ли искомый сигнал гармоническим, какой разрядности был ШИМ, как считали подавление фильтра, какие результаты получили. Интересно узнать. Пускай это будет "[B]началом обсуждения[/B]". Обсуждение ведь может касаться не только теории и практики фильтрации, но технологических подходов к генерированию сигналов вообще. Ведь одно дело - когда нужно сгенерировать медленный опорный сигнал высокого разрешения для управления источником тока (например, в приборе нужен выход 4-20 мА). И другое - генерировать какой-нибудь задающий синус 10 кГц с очень хорошим гармоническим составом. В этом случае часто накладные расходы на построение фильтров перевесят мнимую "простоту" ШИМ ЦАП. И уж точно пассивными фильтрами не обойтись. Подход, описанный [URL="https://www.rlocman.ru/shem/schematics.html?di=194033"]в статье упомянутой[/URL] [B]novikovfb[/B], действительно теоретически может дать уровень подавления помех близкий к бесконечности. И там и тут используется синхронный фильтр. Но там же сказано Что очень часто становится камнем преткновения при использовании ЦАП на основе ШИМ генераторов. Ну и вот ещё одна недавняя статья к теме [url]https://www.rlocman.ru/shem/schematics.html?di=336259[/url] Эта технология позволяет не столько подавить пульсации, сколько сместить их спектр в область более высоких частот по отношению к частоте ШИМ. А это, в свою очередь, позволяет более эффективно подавлять третью и прочие нечётные гармоники, используя менее сложные фильтры.
  • antonydublin.Это не тяжело понять с выше описанных ответов "В 2016 году публиковали решение поинтереснее, там автоматически " - что автоматически?, организован ШИМ?: "всегда заставляет усомниться в целесообразности их использования " - а кто у кого спрашивает, что целесообразно? Ребят, знаете что то лучшее? Предложение предприятиям - бабок полные карманы. antonydublin - я ответил на Ваш вопрос? Я думаю Вы должны заработать еще 1 +, у нас может и есть народ, который использует ШИМ для опорного напряжения. В последнее время говорят у каждой национальности есть более "умные люди - круглые или квадратные", главное заработать себе рейтинг из ничего!
  • автоматически компенсируется смещение нуля операционных усилителей. Если нужна высокая точность - это будет очень важно, т.к. смещение в УВХ может оказаться очень большим. Вы напрасно так нервничаете, попробуйте спокойно прочитать сообщение, желательно - до конца, подумать и только потом писать свои мысли.
  • novikovfb ! Я могу согласиться только в 1 - иногда сцществуют исключения из правил, когда какое то исключение само напрашивается. В остальном хотелось бы перенести свой предыдущий пост. Производитель у нас умеет считать "свои деньги" - затраты на выпуск "данной, необходимой" продукции. В ней учитываются стоимость деталей, работа и т.д. и если Вы открывали изделия (не установлены детали для разновидностей моделей). За мои лет 10 на этом форуме - мне все равно относительно +/-. Я не нерничаю, Мне просто Не все равно! Меня и вправду бесит, когда заходиш в магазин, береш печенье, а дуняша на кассе код считать не может и просит пойти и выбрать что то другое. (не нужно предлагать добавить к схеме самолет с вертикальным взлетом).
Полный вариант обсуждения »