В программируемом генераторе используется цифровой потенциометр

Цифровые потенциометры – это универсальные устройства, которые можно использовать во многих приложениях фильтрации и генерации сигналов. В этой статье описывается генератор, в котором установка сопротивлений двух цифровых потенциометров независимо программирует амплитуду и частоту колебаний. На Рисунке 1 показан типичный генератор с диодной стабилизацией на основе моста Вина, вырабатывающий точные синусоидальные сигналы с частотой от 10 до 200 кГц. В классической схеме генератора мост Вина, образованный элементами R, R_S, C и C_S, обеспечивает положительную обратную связь, а резисторы R₁ и R₂ – отрицательную. R₂ – это комбинация из параллельных резисторов R_2A и R_2B и последовательного сопротивления диода. Петлевое усиление A(jω)β(jω) можно определить путем умножения коэффициента усиления усилителя на передаточную функцию V_P/V_O. При R = R_S и C = C_S, петлевое усиление равно

(1)

Подставив s = jω и выделив действительную и мнимую части, получаем

(2)

Фазовый сдвиг при замкнутой петле обратной связи определяется как

(3)

Чтобы сдвиг фаз равнялся 0°, надо сделать равной нулю мнимую часть. В результате частота генерации станет равной

(4)

где R – программируемое сопротивление:

(5)

Здесь

D – десятичный эквивалент цифрового кода, записанного в управляющий регистр AD5232;
R_AB – сопротивление между концами цифрового потенциометра.

Для поддержания колебаний мост должен быть сбалансирован. Если положительная обратная связь слишком велика, амплитуда колебаний увеличивается до тех пор, пока усилитель не войдет в насыщение. Если отрицательная обратная связь слишком велика, амплитуда колебаний затухает. Из выражения (2) видно, что на частоте резонанса петлевое усиление равно 3. Это значит, что условием баланса моста будет R₂/R₁ = 2. На практике отношение R₂/R₁ должно быть чуть больше, чем 2, чтобы гарантировать, что колебания смогут начаться. Попеременное включение диодов на мгновения делает отношение R₂/R₁ меньше 2, тем самым, стабилизируя колебания. Кроме того, с помощью R_2B можно независимо настраивать амплитуду, поскольку 2/3(V_O) = I_DR_2B + V_D.

Рисунок 1.	В этом генераторе с мостом Вина для независимой регулировки амплитуды и частоты используются цифровые потенциометры.

Можно закоротить R_2B, что даст амплитуду колебаний, равную примерно ±0.6 В. Переменные V_O, I_D и V_D независимы друг от друга. При правильном выборе R_2B схема можно достичь равновесия, при котором колебания не будут ни нарастать, ни затухать. Однако сопротивление R_2B не должно быть настолько большим, чтобы выход входил в ограничение. В данной схеме R_2B – это отдельный 100-килоомный цифровой потенциометр. При изменении сопротивления от минимального значения до 35 кОм амплитуда колебаний изменяется от ±0.6 до ±2.3 В. Используя конденсаторы C и C_S емкостью 2.2 нФ и устанавливая сопротивления 10-килоомных потенциометров R и R_S равными 8, 4 и 0.7 кОм, можно получить частоты генерации 8.8, 17.6 и 100 кГц, соответственно (Рисунок 2). Погрешность установки частоты составляет 3%. Достижимы и более высокие частоты, но ценой увеличения погрешности, которая на частоте 200 кГц становится равной 6%.

Рисунок 2.	Эти три частоты соответствуют трем установкам цифрового потенциометра.

Два предостережения в порядке значимости. Необходимо помнить, что в частотно-зависимых приложениях полоса пропускания цифрового потенциометра зависит от запрограммированного сопротивления. Поэтому следует позаботиться о том, чтобы не нарушать ограничений, связанных с рабочей частотой. Кроме того, при настройке частоты необходимо устанавливать одинаковые значения R и R_S. Если настраивать по одному каналу, могут возникать недопустимые промежуточные состояния. Если такая проблема возникнет, можно соединить отдельные устройства шлейфом, что позволит одновременно записывать в микросхемы одни и те же значения.

Материалы по теме

1. Datasheet Analog Devices AD5231
2. Datasheet Analog Devices AD5232
3. Datasheet Analog Devices AD8510