Моделирование аналоговой части DDS генератора. Часть 2 — Управление амплитудой сигнала, регулировка смещения сигнала и результирующая схема аналоговой части DDS генератора
В первой части статьи мы рассмотрели два этапа модернизации аналоговой части варианта DDS генератора на микроконтроллере ATmega16.
Управление амплитудой выходного сигнала
После того, как мы скорректировали напряжение смещения и отфильтровали сигнал (или не отфильтровали, если не включили фильтр), нам необходима регулировка амплитуды выходного сигнала DDS генератора. Диапазон регулировки должен быть 0 – 12 В. Для этого мы собираемся использовать инвертирующий усилитель с потенциометром для регулировки усиления. Номинал входного резистора потребуется рассчитать, и его значение должно таким, чтобы получить хорошую регулировку амплитуды во всем диапазоне положений потенциометра.
К примеру, номинал регулируемого резистора выберем 47 кОм. Напомним, что входное напряжение равно 2.5 В (первая часть статьи). Мы хотим получить амплитуду сигнала 12 В на выходе, потому коэффициент усиления будет равен 12/2.5=4.8. Если установить потенциометр в крайнее левое положение, мы получим:
Для того, чтобы получить амплитуду 0 В, нужно просто установить потенциометр в крайнее правое положение, усиление в этом случае будет близко к 0.
Регулировка смещения сигнала
Последний этап модернизации аналоговой части – регулировка смещения сигнала в диапазоне –12 В…+12 В. Самый простой способ реализации этого – прибавить напряжение смещения к напряжению сигнала.
Поскольку у нас уже есть два инвертирующих каскада, мы не хотим, чтобы последний каскад так же был инвертирующим, т.к. в этом случае на выходе DDS генератора мы получим инвертированный сигнал. Таким образом, мы должны реализовать неинвертирующее суммирование.
Давайте теперь посмотрим, как рассчитываются номиналы резисторов. Резисторы R6 и R7 мы выберем номиналом 100 кОм, т.к. они не критичны, и значение сопротивления находится в рекомендуемом диапазоне от 1 кОм до 1 МОм. Более интересным является коэффициент усиления данной схемы. Рассмотрим выходное напряжение неинвертирующего суммирующего усилителя:
Как мы видим, здесь напряжения суммируются и умножаются на коэффициент усиления. Если использовать резисторы R7 и R8 по 100 кОм, получим, что суммироваться будет только половина напряжений. Таким образом, нам нужен коэффициент усиления равный 2, чтобы работать с полными значениями напряжений. Итак, нам нужно:
После решения уравнения мы видим, что номиналы этих двух резисторов должны быть одинаковыми. Во избежание большого разброса резисторы выбраны по 100 кОм.
Результирующая схема аналоговой части DDS генератора
Теперь все узлы аналоговой части у нас модернизированы, и можно построить единую схему.
Здесь мы объединили все четыре узла схемы: регулировка напряжения смещения, фильтр нижних частот, управление амплитудой сигнала и управление смещением сигнала. Мы добились такой функциональности, применив лишь одну микросхему TL074, представляющую собой четырехканальный JFET операционный усилитель с низким уровнем шума. Если пользователей интересует схема симуляция аналоговой части в программе LTspice, то в секции загрузок можно скачать архив с необходимыми файлами. В симуляторе микросхема TL074 заменена на аналогичный LT1359, поэтому фактические результаты не должны отличаться.
Формы сигнала в различных точках схемы
Как видите, входной сигнал (Vinput) имеет небольшие искажения и смещен на величину 2.5 В. После схемы корректировки смещения (Voffadjust) он все еще имеет искажения, но уже пересекает уровень 0 В. После схемы фильтрации (Vfiltered) искажения исчезли – гладкая синусоида. Следующая схема корректирует амплитуду сигнала (Vgained), и на выходе мы получаем сигнал (Vout) с заданным уровнем смещения на уровне около –5 В.
Результаты выглядят многообещающе, поэтому для пользователей следующим шагом будет самостоятельное подключение усовершенствованной аналоговой части к микроконтроллеру.
Усилители сигналов на одиночных ОУ (для МК)
Чтобы увеличить амплитуду очень слабых входных сигналов, применяют микросхемы интегральных ОУ. Коэффициент усиления и питающие напряжения ОУ выбираются такими, чтобы на вход М К поступали сигналы в диапазоне цифровых (НИЗКИЙ/ВЫСОКИЙ) или аналоговых (+0.05. -0.05 В) уровней.
Из широкораспространённых ОУ часто используют «классические» LM358, LM324, LM2902, TL062, допускающие работу как при однополярном питании +3. +30 В, так и при двухполярном питании ±(1.5. 15) В. Типовой ток потребления 1. 2 мА; ток нагрузки до 40. 50 мА; коэффициент усиления не менее 100000.
Для снижения амплитудных искажений рекомендуется выбирать специальные типы ОУ, допускающих размах сигналов «rail-to-rail» по входу и (или) «rail-to-rail» по выходу. Для справки, «rail» в переводе с английского — это «перила, поручни, рельсы», в электронике — это пороговые напряжения вблизи GND и Vcc.
На Рис. 3.19, а. ц показаны схемы усилителей сигналов на одиночных ОУ, а на Рис. 3.20, а. ж — усилителей сигналов, состоящих из нескольких ОУ.
Рис. 3.19. Схемы усилителей сигналов на одиночных ОУ (начало):
а) высокое входное сопротивление за счёт повторителя напряжения на микросхеме DA1
б) прямое соединение ОУ DA1 с МК применяется, если они питаются от единого источника положительного напряжения +3. +5 В при отсутствии отрицательного питания ОУ;
Рис. 3.19. Схемы усилителей сигналов на одиночных ОУ (продолжение):
в) защитный диод VD1 может отсутствовать, если ток, протекающий через резистор R4 при отрицательном напряжении на выходе ОУ, меньше 1 мА. Это ток через внутренний диод М К;
г) делитель на резисторах R2, R3 снижает максимальное напряжение, подаваемое на линию МК с выхода ОУ DA /, с +12 до +5 В (резисторное согласование уровней);
д) резистор R2 регулирует усиление каскада на микросхеме DA1. Цепочка R3, С2 сглаживает «шорохи», возникающие при механическом вращении движка резистора R2
е) ОУ на микросхеме DA 1 не имеет обратных связей и выполняет функцию компаратора. Порог регулируется резистором R3, элементы защиты — R2, VDI, VD2, С1;
ж) резистор R1 — это нагрузка выхода интегрального компаратора DA /, имеющего открытый коллектор. Возможные замены — LM392N, LM311;
з) ОУ DA 1 выполняет функцию компаратора, сравнивающего входной сигнал с напряжением +2.5 В (делитель /?/, R2). Конденсатор С1 устраняет самовозбуждение на высоких частотах;
и) резистор RI обязателен при питании ОУ DA 1 от напряжений больше, чем +5 В, и меньше, чем-5 В. Этот резистор ограничивает ток, протекающий через внутренние защитные диоды МК при большом положительном и при большом отрицательном напряжении на выходе ОУ;
Рис. 3.19. Схемы усилителей сигналов на одиночных ОУ (продолжение):
к) преобразователь уровней: на входе -5. +5 В, на выходе 0. +5 В. Резисторами R3, R4 подбирается точная центровка и коэффициент ослабления сигнала, приходящего к МК;
л) резистором /Урегулируется постоянная составляющая на входе МК;
м) сигнал верхнего входа от датчика скорости «привязан» к уровню +2.5 В через делитель R3, R4. Диоды VDI, VD2 — защитные, конденсаторы С1, С2 фильтрующие;
н) резистор R2 защищает М К от отрицательного напряжения -5 В, которое может появиться на выходе DA /. Если движок резистора R1 перевести в крайнее правое положение, то DA 1 из интегратора превращается в повторитель напряжения;
о) входной сигнал проходит через активный ФНЧ с частотой среза 22 кГц. Если амплитуда на входе АЦП МК больше, чем 0. +5 В, то надо последовательно поставить резистор 1. ЮкОм;
Рис. 3.19.Схемы усилителей сигналов на одиночных ОУ <продолжение):
п) входной усилитель выполнен на высокоскоростном ОУ DAI v имеет защиту от всплесков напряжения с помощью диодов Шоттки VDI, VD2. Диапазон частот до 10 МГц; р) регулировка чувствительности (усиления) переменным резистором R2 с) диод VDI не пропускает отрицательную полуволну напряжения. Резистор R2ограничивает ток через внутренний диод МК при амплитуде на выходе DAI больше, чем +5 В;
т) резистор обратной связи RI, в отличие от аналогичных схем, соединяется с защитным резистором R2 на входе МК, а не на выходе ОУ DA1;
у) трёхполосный регулятор тембра с коррекцией АЧХ на низких (R4), средних (R5) и верхних (R6) частотах. Напряжение +2.5 В может подаваться от ИОН МК;
Рис. 3.19. Схемы усилителей сигналов на одиночных ОУ (окончание):
ф) усилитель DAI является компаратором, порог срабатывания которого определяется резистором R4. На выводе 3 микросхемы DAI суммируются отрицательное (резистор RI) и положительное (резисторы R4, R6) напряжения. Конденсатор С1 сглаживает пульсации сигнала ШИМ, генерируемого с выхода МК;
х) активный ФНЧ на микросхеме DA I дополняется пассивным ФНЧ на элементах R3, СЗ. Делитель R3, согласует уровни сигналов, поскольку у DA1 и М К разное питание;
ц) защита входа М К стабилитроном VDI и резисторами R2, R3, что необходимо при высоком двухполярном напряжении питания ОУ DAI.
Источник: Рюмик С.М. 1000 и одна микроконтроллерная схема. (Выпуск 1)