Цифровое управление источником опорного напряжения

Журнал РАДИОЛОЦМАН, сентябрь 2016

Christopher Dean, Texas Instruments

Electronic Design

При добавлении цифрового потенциометра и логометрической схемы делителя в цепь обратной связи микросхемы источника опорного напряжения вы сможете устанавливать выходное напряжение опорного источника с помощью цифрового кода

Регулируемые источники опорного напряжения очень удобны для разработчиков схем, поскольку их выходные напряжения не ограничиваются значениями, установленными изготовителями. Типовая конфигурация такого регулируемого источника создается с помощью делителя напряжения, включаемого между выходом схемы и входом обратной связи (Рисунок 1). Для регулировки выходного напряжения схема сравнивает напряжение на выводе обратной связи с напряжением внутреннего опорного источника (которое в этой статье мы будем обозначать V_{REF_INT}), типичное значение которого составляет 1.2 В. Устройство подстраивает выходное напряжение до тех пора, V_FB и V_{REF_INT} не совпадут.

Рисунок 1.	В типичном регулируемом источнике опорного напряжения для установки выходного значения используется делитель напряжения, включенный между выходом и входом обратной связи.

Одни регулируемые шунтовые опорные источники, такие, как LM4041-N, поддерживают напряжение V_FB равным падению напряжения на резисторе R1, другие, например, TLV431 – на R2. Эта усовершенствованная схема демонстрирует один из возможных вариантов замены резистивного делителя для управления опорным напряжением с помощью цифровых сигналов. В предлагаемой схеме для этого используется микросхема LM4041-N, однако с равным успехом концепцию можно расширить на другие шунтовые опорные источники.

Рисунок 2.	При замене двух постоянных резисторов цифровым потенциометром появляется возможность цифровой установки выходного напряжения.

Метод основан на замене двух постоянных резисторов одним цифровым потенциометром. Идея схемы иллюстрируется Рисунком 2, где вывод обратной связи V_REF соединен с движком потенциометра, верхний и нижний выводы которого подключены к шинам V_{REF_OUT} и GND, соответственно. На Рисунке 3 показана та же схема, в которой в качестве делителя напряжения используется цифрой потенциометр TPL0102.

Рисунок 3.	В этой схеме отношение сопротивлений резисторов определяется положением движка цифрового потенциометра, позиция которого, в свою очередь, устанавливается цифровым кодом.

Для того чтобы цифрой потенциометр выполнял функцию делителя, надо подключить верхний и нижний выводы внутреннего резистора к источнику напряжения, а выход схемы к движку. Позиция движка, задаваемая посылкой в устройство цифрового кода, определяет соотношение сопротивлений между движком и верхним и нижним выводами. В микросхеме TPL0102 для этого используется интерфейс I²C, в то время как доступны и другие потенциометры с последовательным периферийным интерфейсом (SPI) или с параллельными интерфейсами.

Поскольку выходное напряжение устанавливается соотношением сопротивлений, их абсолютные значения некритичны. Это позволяет легко заменить резистивный делитель цифровым потенциометром. При этом зависимость регулируемого выходного напряжения от соотношения резисторов будет описываться следующим выражением:

(1)

Это очень важное соображение, поскольку абсолютные значения сопротивлений цифровых потенциометров могут иметь значительный разброс, но отношение сопротивлений выдерживается с высокой точностью. Например, для того чтобы получить выходное опорное напряжение 3.3 В, отношение сопротивлений R2 к R1 должно равняться 1.66.

В технической документации на потенциометр приведены формулы для расчета выходного напряжения делителя при заданном цифровом коде формулы (2) и (3).

В этих формулах:

V_HW – напряжение между верхним выводом (H) и движком (W),
V_WL – напряжение между движком (W) и нижним выводом (L).

(2)

(3)

Поскольку V_FB падает на резисторе R1, мы используем формулу (2), определяющую напряжение между верхним выводом и движком. Движок подключен к выводу обратной связи опорного источника, и напряжение V_FB отслеживает V_{REF_INT}. Решение уравнения (4) относительно значения цифрового кода, требуемого для установки напряжения V_{REF_OUT}, дает:

(4)

Здесь N_TAPS – число отводов. Подставляя в (4) числовые значения N_TAPS = 256, V_{REF_INT} = 1.24 В и V_{REF_OUT} = 3.3 В, получаем выражение (5), из которого находим, что в цифровой потенциометр должно быть записано десятичное число 160, при котором сопротивления резисторов R1 и R2 будут равны 37.50 кОм и 62.50 кОм, соответственно. Что еще более важно, отношение этих сопротивлений, равное 1.66, также вычисляется с использованием выражения (1)

(5)

Если нужно изменить опорное напряжение, просто передайте новый код по шине I²C, чтобы передвинуть движок потенциометра в соответствующую позицию. В результате изменится напряжение на входе обратной связи, и на выходе установится новое значение V_{REF_OUT}. Потенциометр можно использовать также для цифровой «подстройки» опорного напряжения. При большем количестве отводов потенциометра увеличивается разрешающая способность установки отношения сопротивлений и, соответственно, разрешение выходного опорного напряжения.

Применение цифровых потенциометров в этих схемах ограничивается их напряжением питания, которое в типичном случае не может превышать 5.5 В. Поэтому очень важно, чтобы отношение сопротивлений не принимало значений, при которых напряжение V_{REF_OUT} было бы больше 5.5 В. Для цифрового потенциометра с 256 отводами и параллельного источника с внутренним опорным напряжением 1.24 В значение десятичного кода не должно превышать 200. На Рисунке 4 изображена зависимость выходного опорного напряжения от цифрового кода потенциометра с 256 отводами при напряжении опорного устройства 1.24 В.

Рисунок 4.	Зависимость опорного напряжения от цифрового кода имеет нелинейный характер, но при необходимости легко рассчитывается, или определяется заранее и сохраняется в памяти.

Пред подачей питания на шунтовой опорный источник вы должны включить и сконфигурировать цифровой потенциометр, чтобы гарантировать, что движок, то есть коэффициент деления, установлен правильно. Если же это невозможно, добавьте большое сопротивление, включив его параллельно тому резистору, на котором не падает напряжение V_FB. Для LM4041 это может быть резистор 1 МОм, включенный между выводом обратной связи и землей (параллельно R2), или резистор 1 МОм между выводом обратной связи и выходом (параллельно R1) для TLV431.

Рисунок 5.	Реостатное включение потенциометра позволяет исключить дополнительный параллельный резистор. Однако теперь схема в большей степени зависит от абсолютного значения сопротивления, чем от точно известного отношения сопротивлений.

Для того чтобы не ставить параллельный резистор, подберите подходящие сопротивления постоянных резисторов R1 и R2, а цифровой потенциометр установите последовательно с ними. Тогда потенциометр вы должны включить реостатом (Рисунок 5). Эта конфигурация зависит от абсолютного значения сопротивления цифрового потенциометра, которое будет не столь точным, как в схеме логометрического делителя напряжения, поэтому для окончательного выбора цифрового кода здесь потребуется обратная связь к микроконтроллеру. Дополнительную информацию по источникам опорного напряжения, их топологиям и принципам работы можно найти по ссылкам [1]…[3].

Ссылки

Материалы по теме