Zema caurlaidība filtrē PWM signālu analogajā spriegumā

Как снизить сахар и холестерин в крови быстро? Нужно готовить и приготовить кофе в турке правильно! (Jūnijs 2019).

$config[ads_text] not found
Anonim

Zema caurlaidība filtrē PWM signālu analogajā spriegumā


Šajā rakstā mēs rūpīgāk aplūkosim to, kā efektīvi filtrēt PWM signālu analogajā spriegumā.

Atbalsta informācija

  • Ievads digitālā-analogā konversijā
  • Impulsu platuma modulācija

Iepriekšējais pants

  • Pagrieziet savu PWM DAC

PWM frekvences domēnā

Iepriekšējā rakstā mēs redzējām, ka impulsa plūsmas modulēto signālu var "izlīdzināt" uz diezgan stabilu spriegumu, sākot no zemes uz loģiku augstu (piemēram, 3, 3 V); izlīdzināšana tiek veikta ar vienkāršu zemas caurlaidības filtru. Tādējādi mēs varam panākt digitālo-analogo konversiju, izmantojot programmaparatūru vai aparatūru, lai mainītu PWM darba ciklu saskaņā ar šādu attiecību:

\ (vēlamais \ DAC \ spriegums = A \ times duty \ cycle \)

kur A (attiecībā uz "amplitūdu") ir loģiski augsts spriegums.

Sāksim rūpīgāk izpētīt PWM DAC, aplūkojot PWM signāla frekvences domēna pārstāvību. Šeit ir LTspice shematisks:

Spektrs, protams, mainās attiecībā pret 50% darba ciklu, bet viena lieta nemainās: pirmais smaile ir uz nesējfrekvenci. Tātad, neatkarīgi no darba cikla, šajā gadījumā mums ir diezgan liela frekvenču josla, no DC līdz 100 kHz -, kurā zemfrekvenču filtrs var pāriet no neaizslodzes līdz ievērojamai vājināšanai.

Ripple un atbilde ar vienu pole

Apskatīsim, kāda veida DAC kvalitāte mēs varam iegūt ar pamata RC filtru. Sāksim ar sagriežamo frekvenci (apzīmēts ar fc) DC-to-nesēja diapazona vidū:

\ (f_c = 50 \ kHz = \ frac {1} {2 \ pi RC}; \ select \ C = 10 \ nF \\\\ Rightarrow \ \ \ R \ approx318 \ Omega \)

Ne tik lieliski . . protams, mums ir nepieciešams vairāk vājināšanās nekā šis. Noregulēsim frekvenci līdz 1 kHz:

Spraugas tagad ir daudz uzlabojušās, bet jūs droši vien pamanījāt, ka mums ir jauna problēma: izejas sasniegšanai nepieciešams ilgs laiks, lai sasniegtu vēlamo DAC spriegumu. Tas notiek tāpēc, ka augstāka pretestība RC filtrā ne tikai pazemina nogriešanas frekvenci, bet arī palielina laika konstanti; lielāka pretestība nozīmē mazāku strāvas plūsmu uz kondensatoru, un tādējādi kondensators uzlādējas lēnāk. Nākamais gabals palīdz izpaust ierobežojumus, ko tas uzliek DAC:

Šajā attēlā redzamais diezgan pārsteidzošais "nosēdināšanas laiks" ir specifikācija, kas norāda, cik ātri DAC var pielāgot savu izeju uz jaunizveidoto spriegumu. Apzīmējums norāda, ka šī konkrētā shēma nodrošina gandrīz 1 ms nostādināšanas laiku, kad izeja palielinās vai samazinās uz pusi no pilna mēroga diapazona. Tagad mani nepareizi, daudzās lietojumprogrammās 1 ms būtu pilnīgi pieņemams, taču tas nemaina to, ka šis norēķinu veiktspēja ir ārkārtīgi nejūtīga salīdzinājumā ar to, ko jūs sagaidāt no tipiskas DAC.

Iepriekš minētie rezultāti noved mūs pie pirmā no diviem dominējošajiem kompromisiem, kas iesaistīti PWM DAC projektēšanā.

  • Kompensācija Nr. 1: zemāka samazināšanas frekvence nozīmē mazāku pulsāciju un ilgāku nostādināšanas laiku; augstāka griezuma frekvence nozīmē vairāk pulsāciju un īsāku nostādināšanas laiku. Tātad, jums ir jādomā par jūsu pieteikumu un jāizlemj, vai vēlaties, lai DAC, kas ir atsaucīgāk vai mazāk pakļauti izlaides spraigumam.

Vai divi poļi ir labāki par vienu?

Apskatīsim divu polu filtru rezultātus vienām un tām pašām divām izslēgšanās frekvencēm. Sekojošā shēma ir kritiski nosusināta RLC filtrs ar fc ≈ 50 kHz (es izmantoju šo tiešsaistes filtru kalkulatora rīku, lai noteiktu komponentu vērtības):

Kā gaidīts, tas ir ievērojams uzlabojums, salīdzinot ar vienpolu 50 kHz filtru; maksimuma pulsācija ir samazinājusies no aptuveni 2, 15 V līdz mazāka nekā 900 mV. Šeit ir ķēde kritiski nosusinātam RLC filtram ar f c ≈ 1 kHz:

Šeit mēs esam gandrīz likvidējuši pulsāciju; ja jums vajadzētu tuvināt, jūs atradīsit, ka maksimuma pulsācija ir tikai aptuveni 500 μV. Bet tagad atkal rodas problēmas ar atrisināšanas problēmu (atcerieties kompromisu Nr. 1):

Šajā brīdī jūs varētu domāt par to, kā jūs varētu uzlabot šo filtru, lai panāktu ātru reaģēšanu kopā ar zemu pulsāciju. Varbūt jūs pamanījāt, ka iepriekšējā ķēde bija nepieciešama 2, 2 mili henries-tas ir dūšīgs induktors. Tātad, ko tā vietā par aktīvo filtru? Sallen-Key? Varbūt Sallen-Key, kam seko RC filtrs? Pagaidiet, kāpēc ne tikai izmantot ieslēgtā kondensatora filtru? Četri stabi vai pat pieci vai septiņi. . . . Tas mūs noved pie otrā kompromisa:

  • Kompensācija Nr. 2: augstākā līmeņa filtri uzlabo veiktspēju, taču tie arī palielina izmaksas un sarežģītību. Tā vietā, lai pavadītu laiku un naudu, ieviešot iedomātā filtru vidējai PWM DAC, mums vajadzētu tikai izmantot ārēju DAC! Manuprāt, jums nevajadzētu iet tālāk par vienu pole. Ārējie DAC (un mikrokontrolleri ar integrētiem DAC) ir tik pievilcīgi un plaši pieejami, ka PWM DAC zaudē savu apelāciju, ja jūs nevarat izpildīt savas darbības prasības ar RC filtru.

Viegli uzlabot savu PWM DAC

Mums nevajadzētu kavēt kompromiss Nr. 2, jo ir vienkāršs veids, kā iegūt lielāku veiktspēju no RC filtra: tikai palielināt PWM signāla frekvenci! Atcerieties, ka PWM spektrs ir tukšs no DC uz nesējfrekvenci. Tādējādi augstāka nesējfrekvence nozīmē plašāku diapazonu, kurā filtra reakcija var nobloķēt tādu pašu filtru, vienādu stabilizācijas laiku, lielāku vājinājumu. Atgriezīsimies pie mūsu RC filtra ar f ≈ 50 kHz, un palielināsim nesējfrekvenci līdz 10 MHz. Šeit ir rezultāti:

Iestatīšanas laiks ir tikai aptuveni 15 μs, un pulsācija ir tikai 25 mV (salīdzinot ar 2, 15 V, kad mēs izmantojām 50 kHz filtru ar nesējfrekvenci 100 kHz).

Praktiski ierobežojumi

Pirms pabeidzam darbu, es vēlos norādīt, ka šīs idealizētās simulācijas neatklāj nozīmīgu neoptimālu PWM DAC veiktspēju, proti, neuzticamu un līdz ar to neprognozējamu loģikas augstu un loģiski zemu spriegumu. Analogais izejas spriegums ir tieši proporcionāls digitālajai PWM amplitūdai, un tādēļ variācijas PWM signāla faktiskajā loģika-augstajā un loģiski zemā spriegumā novedīs pie attiecīgām izmaiņām DAC spriegumā. Šī problēma ir īpaši svarīga attiecībā uz baterijām darbināmiem lietojumiem; ja mikrokontrolleru darbina ar akumulatoru, loģikas augstspriegums pēc akumulatora izlādes pakāpeniski samazināsies. Pat ar regulētu pievadu jūs, iespējams, nezināt precīzu barošanas spriegumu - regulators ar ± 2% precizitāti nozīmē DAC spriegumu ar (labākajā gadījumā) ± 2% precizitāti. Un pat tad, ja jums ir ārkārtīgi precīzs sprieguma regulators un būtiskas pieplūdes svārstības, ko izraisa akumulatora izlāde vai vides apstākļu izmaiņas, faktiskais loģikas un loģikas zemais spriegums var ietekmēt ierīces, kas ģenerē PWM darbību, stāvoklis signāls (parasti mikrokontrolleris). Viens no veidiem, kā mazināt šo problēmu, ir izmantot ārējo bufera IC, kas palīdzēs PWM signālam saglabāt prognozējamos sprieguma līmeņus, bet tajā brīdī jūs atkal atrodaties kompromitētai teritorijai - vai jums vajadzētu iztērēt 40 centi uz bufera IC, vai 71 centus par mazu 8 bitu DAC?

Secinājums

Mēs esam apskatījuši divus galvenos kompromisus, kas regulē PWM DAC dizainu, un mēs esam redzējuši, ka lielāka nesējfrekvence ir lielisks veids, kā uzlabot veiktspēju. Ar ātrdarbīgu mikrokontrolleru, kas nodrošina 16 bitu PWM izšķirtspēju, jūs varētu izveidot diezgan pienācīgu DAC ar ne vairāk kā RC filtru. Nākamajā rakstā mēs izmantosim SAM4S Xplained Pro starteru komplektu, lai izpētītu PWM digitālās-analogās konversijas praktiskāko pusi.

Ekspertu Padomi

Daloties Pieredze