Цифровой потенциометр управляет частотой среза

Журнал РАДИОЛОЦМАН, июль 2019

Chuck Wojslaw

EDN

Традиционный метод управления верхней частотой среза в базовой схеме инвертирующего усилителя состоит в подключении конденсатора C параллельно резистору R₂ (Рисунок 1). Емкость конденсатора C определяет частоту среза. R₁ и R₂ независимо устанавливают величину усиления схемы, которая равна R₂/R₁. Если частота среза должна быть переменной, можно использовать конденсатор переменной емкости. Однако с этим подходом связаны две основные проблемы. Во-первых, схема непригодна для компьютерного управления, а во-вторых, выбор переменных конденсаторов с емкостью в области нанофарад очень мал.

Рисунок 1.	Управление частотой среза с использованием традиционной схемы инвертирующего усилителя сопряжено с рядом проблем, таких как ограниченный выбор конденсаторов переменной емкости.

Схема на Рисунке 2а представляет собой инвертирующий усилитель, в котором цифровой потенциометр и конденсатор постоянной емкости используются в качестве входа Т-образной схемы. Величина коэффициента усиления этой инвертирующей схемы также равна R₂/R₁. Однако частота среза теперь задается номиналами R₁, C, сопротивлением потенциометра и положением его движка. Цифровое управление положением движка потенциометра позволяет программировать верхнюю частоту среза.

Рисунок 2.	Инвертирующий усилитель, в котором использованы цифровой потенциометр и конденсатор постоянной емкости, позволяет программировать частоту среза (а). Эту схему можно представить в виде четырехполюсника (б).

Найти выражение, описывающее зависимость коэффициента усиления схемы от частоты, можно несколькими способами. Один из подходов заключается в использовании Y-параметров, или параметров комплексной проводимости. Если рассматривать цепи A и B как два порта (Рисунок 2б), то отношение комплексной проводимости прямой передачи входного порта y_21A к комплексной проводимости обратной передачи порта обратной связи y_12B дает следующее выражение для коэффициента усиления:

В этом выражении k представляет собой число, которое изменяется от 0 до 1 и отражает пропорциональное положение движка относительно одного конца потенциометра (0) до другого конца (1).

Коэффициент усиления схемы выражается формулой

Это выражение имеет тот же вид, что и выражение для усилителя или фильтра нижних частот с коэффициентом усиления –R₂/R₁ и частотой среза

По мере того, как движок программно перемещается от одного конца потенциометра к другому, k изменяется от 0, проходит через среднюю точку (1/2) и достигает 1, а частота среза изменяется от бесконечного значения до минимального, и вновь до бесконечного. Минимальная частота равна

Величина k для цифровых потенциометров семейства XDCP может изменяться от 0 до 1. Количество отводов, или программируемых положений движка определяет разрешение схемы. R₁ на схеме представляет полное сопротивление R_TOTAL потенциометра. В зависимости от типа потенциометра в семействе, количество отводов может составлять от 32 до 256, а R_TOTAL может иметь значения от 1 кОм до 1 МОм. Потенциометр может сохранять настройку положения движка в энергонезависимой памяти, что позволяет при включении питания возвращаться к заданному значению частоты среза.

Для схемы на Рисунке 2а коэффициент усиления равен 4.7, а частота среза регулируется от 6.4 кГц до теоретически бесконечного значения. В схеме использована микросхема 10-килоомного цифрового потенциометра X9C103 со 100 отводами и трехпроводным интерфейсом. Схема будет полезной в приложениях воспроизведения звука, управления и обработки сигналов.

Материалы по теме