Устранение ошибок «насыщения» ШИМ методом грубой силы

Выдержка из книги Кристофера Пола «Анализ характеристик ШИМ (ЦАП). Часть 1 – Устранение ошибок» [1]:

«Я был удивлен, обнаружив, что когда выход популярного микропроцессора, который я использовал, настроен на постоянный низкий или высокий логический уровень и нагружен только цифровым мультиметром с входным сопротивлением 10 МОм, уровни напряжения в некоторых случаях отличаются от напряжения питания V_DD и земли более чем на 100 мВ… Назовем это ошибками насыщения».

Точность ШИМ ЦАП зависит от нескольких факторов, но самым важным из них является способность их аналоговых коммутационных элементов надежно и точно выводить нулевые и опорные уровни напряжения в ответ на соответствующие цифровые состояния. Однако иногда, как замечает Кристофер Пол в цитируемой статье (часть 1 серии из 4 частей), этого не происходит. Механизм, лежащий в основе этих отклонений, не совсем ясен, но если бы их можно было надежно устранить, то влияние на характеристики ШИМ было бы положительным. На Рисунке 1 показано решение проблемы (буквально) методом грубой силы.

Рисунок 1.	U1 – это многоканальный (например, шестиканальный инвертор 74AC04) ШИМ-переключатель, где операционный усилитель A1 принудительно устанавливает нулевое состояние для точного отслеживания «лог. 0» = 0 В, а усилитель A2 выполняет эту работу для «лог. 1» = VDD.

Подключение вывода 5 микросхемы U1 к выводу 14 устанавливает «лог. 0» на выводе 6, который воспринимается выводом 6 операционного усилителя A1. Подключение вывода 7 усилителя A1 к выводу 7 U1 приводит к тому, что напряжение на выводе 6 становится в точности равным нулю, а значит, и на любом выходе U1 устанавливается такой же точный нулевой уровень, когда соответствующий переключатель находится в состоянии «лог. 0».

Аналогично, соединение вывода 13 микросхемы U1 с выводом 7 устанавливает «лог. 1» на выводе 12, который воспринимается выводом 2 операционного усилителя A2. Подключение вывода 1 усилителя A2 к выводу 14 U1 приводит к тому, что напряжение на выводе 12 становится в точности равным напряжению питания V_DD, а значит, на любом выходе U1 устанавливается такой же точный уровень V_REF, когда соответствующий переключатель находится в состоянии «лог. 1».

Таким образом, любые существующие «ошибки насыщения» принудительно сводятся к нулю, независимо от того, откуда они берутся на самом деле.

Обычно напряжение V_DD составляет около 5.00 В. А напряжения V+ и V- можно получить от одного источника питания 5 В с помощью любой из множества дискретных или монолитных схем повышения напряжения. На Рисунке 2 представлена одна из практических возможностей.

Рисунок 2.	Практический источник напряжений V+ и V-. Для ∆ = 1 В установить сопротивления R1 и R2 равными 200 кОм.

Схема на Рисунке 2 была первоначально описана в статье «Эффективная биполярная схема вольтодобавки с цифровым управлением» [2].

Ссылки

1. Paul, Christopher. ”Parsing PWM (DAC) performance: Part 1 – Mitigating errors.”
2. Stephen Woodward. Эффективная биполярная схема вольтодобавки с цифровым управлением

Материалы по теме

1. Datasheet Texas Instruments TLV9162
2. Datasheet Texas Instruments SN74AC04
3. Datasheet ON Semiconductor MC74AC132