Možnosti digitálního řízení v analogových obvodech

Rok / Year: 2010

Svazek / Volume: 12

Číslo / Number: 2

Možnosti digitálního řízení v analogových obvodech Possibilities for digital control in analogue circuits Břetislav Ševčík [email protected] Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií VUT v Brně

Abstrakt: Tento článek popisuje využití digitálně řízených prvků při řešení a konstrukci analogových obvodů. Postupně je tak představena funkční koncepce komunikačního řetězce umožňujícího efektivně řídit širokou škálu těchto prvků včetně řídící aplikace. Tato je poté využita pro praktické testování a vyhodnocení vlastností těchto prvků.

Abstract: Possibilities for digital control in analoque circuits are discussed in this paper. Fore part is focused on production of communication unit for easy control of digital potentiometers and other devices. Another part describes properties of these devices based on practical testing and experimental results in a few applications.

2010/17 – 24. 3. 2010

VOL.12, NO.2, APRIL 2010

MOŽNOSTI DIGITÁLNÍHO ŘÍZENÍ V ANALOGOVÝCH OBVODECH Ing. Bc. Břetislav Břetislav Ševčík Ševčík Ústav radioelektroniky Fakulta elektrotechniky a komunikačnich technologii, Vysoke učeni technicke v Brně, Purkyňova 118, 612 00 Brno Email: [email protected] Abstrakt Tento článek –Samotné popisuje digitální využitířízení digitálně v dnešní řízených doběprvků samozřejmě při řešení nenía konstrukci žádnou novinkou. analogových Je dobré obvodů. však ukázat Postupně jeho je možné tak představena využití při řešení funkční a konstrukci komunikačního koncepce v analogových řetězce obvodech. umožňujícího V následujícím efektivně článku říditbude širokou postupně škálu těchto představena prvků včetně funkční řídícíkoncepce aplikace.představující Tato je poté využita jednoduchý pro praktické komunikační testování řetězec, a vyhodnocení který nám umožní vlastností efektivně těchto prvků. řídit vybrané moderní prvky. Nedílnou součástí je také řídící aplikace, která umožní široké škále uživatelů pohodlně řídit digitální potenciometry, které jak bude také dálo ukázáno byly využity jak pro praktickou část řízení obvodů tak také k otestování spolehlivosti navržené struktury komunikace.

2. KOMUNIKAČNÍ INTERFACE

1. ÚVOD

S ohledem na aktuální produkci digitálních potenciometrů je trh s těmito prvky v dnešní době poměrně velmi rozmanitý. Můžeme vybírat hned s několika výrobců jako např. Analog Devices, Maxim, Dallas Semiconductor, Intersil, Catalyst, Microchip a jiní. Pro komunikaci nejen s těmito prvky se převážně ustálily následující dvě komunikační rozhraní. Jsou to sériové rozhraní SPI (Serial Peripheral Interface) vynikající značnou jednoduchostí a tím i snadností implementace a poměrně flexibilnější rozhraní I2C ( Inter-Integrated Circuit).

Digitální řízení, jakožto donedávna zástupce spíše mikroprocesorové techniky, proniká do stále více oborů elektrotechniky. Je možné zaznamenat neustále se rozšiřující trh s digitálně řízenými prvky. Za všechny jmenujme např. digitální teplotní senzory, řízené zesilovače, D/A převodníky a jim velmi podobné digitální potenciometry. Tyto a další je možné využít v širokém spektru analogových aplikací. Při řešení projektu zabývajícím se právě využitím digitálních potenciometrů s více kanály v analogových obvodech dojdeme při bližším zájmu o tuto problematiku k závěru, že většina nastíněných možnosti komunikace s těmito obvody prostřednictvím počítače zahrnuje řadu poměrně zbytečně komplikovaných řešení pomocí velmi rozšířených mikroprocesorových obvodů např. od firmy Atmel a nebo je komunikace prostřednictvím počítače jednostranně zaměřena na daný typ obvodu. Zároveň zde chybí možnost efektivně řídit vícekanálové potenciometry s možnostmi práce jako s jejími mechanickými předchůdci a to pomocí aplikace, která by kromě základních funkcí disponovala také možností využít všechny dostupné doplňkové funkce těchto obvodů jako jsou paměť, rychlé instrukční sady a tzv. read-back funkce pro odezvu obvodu vůči uživateli a to bez nutnosti jakkoliv měnit strukturu aplikace při libovolné záměně jednotlivých typů komunikačních rozhraní uvedených dále. Tímto můžeme docílit velice snadno možnosti přesného souběžného přelaďování odporových kanálů se zaručenou přesností hodnoty odporu na daných pozicích, neboť hodnota odporu jezdce je nezávislá na počtu přelaďovacích operací.

2.1. PODPOROVANÉ KOMUNIKAČNÍ ROZHRANÍ SPI v základu představuje několik externě propojených posuvných registrů, kde posun je řízen jednotným hodinovým signálem. Jednoduchost a možná i částečná nevýhoda přenosového protokolu plyne z toho, že data je nutné přenášet obousměrně po samostatných vodičích, což zbytečně komplikuje komunikaci mezi uživatelem a digitálně řízeným prvkem a to především nutností dalšího datového vodiče pro komunikaci a není tak nutné řešit přepínání mezi vysíláním a příjmem, jako tomu bude u dále zmiňované sběrnice I2C. Při komunikaci s digitálními potenciometry se však jedná o poměrně jednoduchou záležitost, která se tak nemusí jevit jako nevýhoda této sběrnice. Sběrnice I2C je vybavena jen jedním datovým vodičem SDA, z toho plyne poloduplexní přenos dat. Lze tedy očekávat poněkud složitější interní strukturu všech připojených zařízení, neboť je nutné příslušné piny přepínat ze vstupního režimu na režim výstupní. Master i slave mohou být tak v jednom okamžiku jak přijímači tak vysílači dat. Navíc ke každému uzlu je přiřazena jednoznačná adresa a komunikační protokol je také přesně stanoven. I přesto se z praktického pohledu jeví digitální potenciometry vybavené touto sběrnicí jako snadněji řiditelné.

Následující text bude tedy nejprve věnován konstrukčnímu řešení pro jednoduchou a spolehlivou komunikaci s digitálními potenciometry a s mnoha dalšími digitálně řízenými prvky. Dále bude pozornost zaměřena také na vyvinutou univerzální aplikaci pro řízení vícekanálových digitálních potenciometrů a v neposlední řadě bude pojednáno o praktickém využití těchto digitálně řízených prvků při konstrukci aplikací v analogové technice s ohledem na maximální dosažitelnou frekvenční stabilitu doplněné o experimentální výsledky a praktické závěry při práci s těmito prvky.

Konečně nemělo by se ani zapomínat na typy digitálních potenciometrů vybavené s možností řízení pomocí tzv. Up/Down rozhraní. I tyto typy bude možné pomocí níže představeného interface řídit. V tomto případě se bude jednat z principu o využití jedné či více 17-1

2010/17 – 24. 3. 2010


interface a vytvořenou řídící aplikací. Na následujícím obr. 1 je možné vidět blokovou strukturu interface.

řízených linek, kde postačí pro zvýšení / snížení hodnoty daného potenciometru pouze cíleně měnit logické stavy linky bez jakéhokoliv striktního řídícího protokolu pro řízení prvku.

2.2. STRUKTURA INTERFACE Hlavním požadavkem při konstrukci interface byla podpora dvou rozhraní SPI a I2C. Jako nejvýhodnější pro řízení se v tomto případě jeví využití linek sériového portu, které je možné pomocí počítače přímo hardwarově řídit. Tím se nám v konečné fázi velmi zjednoduší i tvorba komunikačního software. Dnešní přenosné počítače však většinou již sériovým rozhraním nedisponují a vzhledem k tomu, že v rámci laboratorního měření se předpokládá především jejich využití bylo nutné zachovat možnost jednoduché a spolehlivé komunikace s využitím velmi dostupného komunikačního portu USB.

Obr.1: Struktura komunikačního řetězce.

Pro tyto účely lze využít stále se rozrůstající nabídku integrovaných obvodů od společnosti FTDI, které umožňují realizovat plnohodnotný sériový port s využitím komunikace prostřednictvím sběrnice USB. Představovaný interface využívá základní variantu těchto obvodů a to obvod FT232BM, který představuje plnohodnotný jedno-kanálový sériový port řízený právě touto sběrnicí [1]. Pro bezproblémový chod je nutné doplnit samotný obvod ještě o přídavnou paměť, pomocí které lze přeprogramovat USB identifikaci zařízení. Tímto lze docílit, aby každé zařízení připojené prostřednictvím USB portu disponovalo jednoznačnou a nezaměnitelnou identifikaci. K tomuto účelu se používají dvě 16-bitová identifikační čísla - Vendor ID (VID) a Product ID (PID). VID slouží k identifikaci výrobce a PID slouží pro označování jednotlivých typů výrobků. Pokud uvažujeme o nasazení zařízení jen pro experimentální účely a navíc je-li zaručena nemožnost kolize dvou takto stejných identifikačních čísel, je možné od nutnosti unikátní kombinace ustoupit. Co se týče možné rozšiřitelnosti interface lze uvažovat také již o nejnovějším přírůstku v této kategorii obvodů a to o obvodu FT4232H [2], pomocí kterého můžeme přes jednu sběrnici USB ovládat až čtyři sériové porty, jejichž komunikační strukturu si můžeme libovolně přizpůsobit podle požadavků na vytvářené komunikační rozhraní. Oba dva zde výše představené obvody se v počítací hlásí jako virtuální sériové porty, takže uživatel nemusí mít starost o to jestli bude doopravdy pomocí vytvořeného programu komunikovat ze zvoleným sériovým portem. Navíc u čtyřkanálového provedení si uživatel pomocí jednoduché aplikace dostupné na stránkách výrobce může pro každý svůj kanál zvolit jeho identifikaci v operačním systému tj. např. první kanál bude vyčleněn přímo pro rozhraní I2C a druhý pro rozhraní SPI nebo bude veden jako sériový port apod. Dalšími neméně důležitými doplňky v interface jsou LCD displej 2x16 znaků [3] a jemu příslušející expandér portů PCF8574 [4], který zajišťuje jeho komunikaci prostřednictví I2C sběrnice se samotným

Uvažovaný interface umožňuje efektivně využívat pro řízené aplikace jak plnohodnotného sériového portu RS232 tak také komunikační rozhraní typu SPI a I2C. Na obr. 2 je uveden již hotový a funkční přípravek pro laboratorní využití. Vývojové laboratorní přípravky tak stačí pouze vybavit konektory pro připojení daných signálů a je možné okamžitě řídit např. i ve smíšeném módů digitálně řízené potenciometry pro oba typy rozhraní. Navíc jsou zajištěné příslušné TTL úrovně řídících signálů, které by při přímém využití sériového portu bylo nutné získat pomocí převodníků ať už realizovaných pomocí pasivních součástek tak také pomocí velmi známého integrovaného obvodu MAX232 [5]. LCD displej je v tomto případě ve spojení s dále představenou aplikací využit pro zobrazování vyslaných pozic odporového jezdce do daných kanálů potenciometru a k indikaci otevření zvoleného portu.

3. ŘÍDÍCÍ SOFTWARE Pro řízení digitálních potenciometrů je možné využít komerční aplikace např. od společnosti Analog Devices. Samotná aplikace je vytvořena v programovacím prostředí Visual Basic a svou strukturou je určena pro řízení digitálních potenciometrů pomocí paralelního rozhraní. Většinou je pro každý typ potenciometru dodávána trochu jinak upravená aplikace, která ve většině případů ani nedisponuje prostředky pro využití všech dostupných funkcí u digitálních potenciometrů obsahujících např. paměť nebo umožňující načíst toleranci jejich odporových kanálů, které jsou přímo deklarovány již při výrobě samotnou firmou. A navíc je krajně nepohodlné mít ovládací program pro každý typ, značku a provedení digitálního potenciometru. Proto dalším cílem zefektivnění práce s těmito prvky bylo vytvoření univerzální aplikace Digipot [6]. Tímto lze zajistit možnost řízení všech typů a značek

17-2

2010/17 – 24. 3. 2010


Obr. 2: Univerzální interface USB -> RS-232 / SPI / I2C.

digitálních potenciometrů, které využívají již zmíněné typy komunikačních rozhraní. V dnešní době je to prakticky valná většina. Aplikace je díky své univerzálnosti využitelná také pro další digitálně řízené prvky s možností jednoduché úpravy pro daný prvek.

doporučit literaturu [7]. Tuto knihovnu je nutné pro úspěšné provozování aplikace umístit do adresáře Windows nebo společně do složky s aplikací.

3.2. UNIVERZÁLNÍ APLIKACE DIGIPOT Vzhledem k poměrně omezeným možnostem výběru a funkce volně dostupných aplikací pro ovládání digitálních potenciometrů např. od firmy Analog Devices, byla vytvořena univerzální řídící aplikace Digipot pro co nejširší škálu dostupných digitálních potenciometrů využívajících rozhraní SPI, I2C, Up & Down a další. Pomocí výše zmíněného interface a této aplikace je pokryta prakticky valná většina dostupných typů potenciometrů.

3.1. KOMUNIKACE S INTERFACE Pro přímé hardwarové řízení linek sériového portu je možné se v operačních systémech Windows obracet na sériový port buď přímým řízením pomocí hardwarových adres a nebo je možné zvolit jakéhosi prostředníka využívajícího jednoduchých a uživatelsky srozumitelnějších příkazů, což představuje výhodné řešení i pro méně zkušené uživatele. Touto alternativou je využití knihovny PORT.DLL, která je v různých modifikacích dostupná na internetu. Knihovna obsahuje základní rutiny pro sériový přenos dat a také umožňuje přímý přístup k linkám portů a mnoho dalších funkcí. Zájemcům o bližší problematiku lze doporučit literaturu [7] a [8].

Samotná aplikace byla vytvořena s důrazem na snadné a intuitivní ovládání bez nutnosti pročítat dalekosáhlé nápovědy. Zároveň však obsahuje další důležité a užitečné doplňky, kterými konkurenční aplikace nedisponují. Jedná se především o možnost efektivně pracovat s vestavěnou pamětí u digitálních potenciometrů, která je součástí celé řady těchto digitálních prvků. Uživatel má také zároveň možnost s těmito prvky pracovat na úrovni, která odpovídá práci s mechanickými ekvivalenty a dokonce v jistých případech je tato úroveň i výrazně překročena. Za všechny uveďme např. typ digitálního potenciometru AD5255 [9] se třemi odporovými kanály, který disponuje uživatelskou pamětí a tzv. firemní pamětí, která obsahuje toleranční hodnoty jednotlivých kanálů uložené při samotné výrobě těchto prvků. Uživatel si pomocí aplikace Digipot na zvoleném odporovém rozsahu načte z paměti příslušné tolerance. Další práci s těmito hodnotami převezme již samotná aplikace. Dojde tedy k automatickému přednastavení hodnot pro daný rozsah a hodnota, kterou udává analogový ukazatel je automaticky přizpůsobena novému nastavení. Zároveň

Samotná řídící aplikace, která bude později také představena byla napsána a vytvořena v jazyce Delphi, ve kterém lze zároveň velmi jednoduchým způsobem naprogramovat obecnou DLL knihovnu pro použití v různých programovacích jazycích. Knihovna s názvem PORTCOM.DLL, která je využívána v této aplikaci, rozšiřuje možnosti stávajícího programu a v některých případech dokonce předčí dostupné knihovny na internetu, neboť umožňuje případně rozšíření čí modifikaci stávajícího komunikačního interface a to ve smyslu možnosti současného používání několika portů v jednom programu. Konkrétně se jedná o využití až čtyřech sériových portů. Uživatel tak může například zvolit porty COM1 až COM4 a cíleně vysílat a přijímat data všemi čtyřmi porty nebo měnit stavy přímo řízených linek portů. Zájemcům o bližší problematiku lze opět 17-3

2010/17 – 24. 3. 2010


Struktura vysílaných dat samotným programem se odvíjí nejen od správného nastavení počtu vysílaných datových bytů pro zvolený typ potenciometru, ale také od správné volby počtu pozic, kterými potenciometr disponuje. Tím umožníme aplikaci rozeznat, jestli je nutné vysílat jeden nebo dva datové byty. Celou situaci je možné osvětlit na následujícím příkladu. K dispozici máme digitální potenciometr AD5255 [9] , který má dva odporové kanály umožňující nastavení až 512 pozic odporového jezdce a komunikuje přeš rozhraní I2C. Uživatel jednoduchým způsobem nastaví první dva počáteční byty, z nichž první zajišťuje správnou adresaci na sběrnici I2C a druhý umožňuje volbu zápisu do odporových kanálů potenciometru nebo do vestavěných přídavných pamětí potenciometru ( paměť tolerancí odporu, paměť pro ukládání pozic odporového jezdce, registr rychlých příkazů). Po tomto nastavení stačí nastavit poziční byte pomocí analogového ukazatele, který při správném nastavení programu umožní nastavit číslo pozice až do hodnoty 511. Celou kontrolu nad dělením bytů pro čísla pozic větších než 255 převezme za uživatele program. Je tedy možné cíleně přecházet mezi řízením potenciometrů s menším počtem pozic až k nejmodernějším potenciometrům dosahujícím hodnoty počtu pozic 1024 bez jakéhokoliv dalšího nutného dodatečného nastavení. Stačí jen v aplikaci navolit příslušný počet pozic.

může uživatel také kontrolovat nastavené pozice v samotném digitálním potenciometru využitím tzv. readback funkcí, kterými aplikace také disponuje. Po počátečním nastavení se nemusí uživatel obtěžovat dalšími doplňkovými měřeními na samotném digitálním potenciometru, což by u mechanických potenciometrů bez doplňkových obvodů nebylo možné. Z následujícího obr. 3 je vidět názorná struktura programu. Program je rozdělen na pomyslné tři základní sekce. První sekce z leva představuje nastavení pozičního byte, obsluhu zápisu a čtení dat. Druhou sekci na pravé straně lze označit jako nastavovací a přehledovou. Tato sekce umožňuje jednoduchým způsobem sestavit zadávací proceduru a sestavit tak konečnou podobu řídícího slova pro daný typ potenciometru. Konečně třetí sekce obsahuje v podobě přepínací panelové lišty další doplňkové funkce, které se odvíjejí od typu potenciometru a umožňuje také manuální řízení jednotlivých linek, což můžeme využit při řízení již zmíněných potenciometru s ovládacím rozhraním typu Up/Down. Nesmíme zapomenout také na jednoduché menu v horní části programu, které nám umožňuje přístup k základním nastavením samotného programu. Jedná se o možnosti volby počtu pozic a odporového rozsahu potenciometru. Dále je to možnost nastavení ukazatele do podoby požadované pro řízení dané aplikace viz obr. 4, která se jeví v případě využití potenciometrů na hranici jejich frekvenční stability, diskutovanou v následující kapitole, jako velmi praktická. Rovněž je zde možnost upravení hodnot pro výpočet přibližných hodnot odporu jezdců.

Obr.3: Univerzální aplikace pro řízení vícekanálových digitálních potenciometrů.

17-4

2010/17 – 24. 3. 2010


U potenciometrů uzpůsobených pro komunikaci pomocí rozhraní SPI je situace o to jednodušší, že není nutné vkládat mezi každý vysílaný / přijímaný byte jakékoliv další pomocné sekvence pro start, ukončení či oznámení přijetí dat. Proto nám stačí pro řízení potenciometrů s více než 256 pozicemi vysílat jen tři byty. První byte resp. jeho první část slouží k rozlišení čísla odporového kanálu, do kterého mají být vlastní data zasílána. Druhá část prvního bytu slouží k rozlišení zápisu do vlastního odporového kanálu nebo do již zmíněných přídavných pamětí. Druhý a třetí byte je vyhrazen pro samotná data a nebo se tyto byty využívají stejně jako u potenciometru s rozhraním I2C k volbě dalších doplňkových příkazů pro dané kanály.

4.1. DIGITÁLNĚ ŘÍZENÉ KMITOČTOVÉ FILTRY Samotnou strukturu obvodu Sallen-Key není nutné dalekosáhle představovat a je možné ji vidět na obr.5 dole. Jedná se o nejznámější zapojení aktivního filtru 2. řádu, které nachází uplatnění v mnoha různorodých aplikacích. Všechny čtyři odpory jsou v tomto zapojení nahrazeny digitálně řízenými potenciometry. Tímto je možné nejen ladit souběžnou změnou dvou odporů hodnotu mezního kmitočtu filtru, ale také můžeme dosáhnout souběžnou změnou dvou různých odporů s dodržením požadovaného poměru jejich hodnot přesného nastavení činitele jakosti obvodu, jehož hodnota odpovídá příslušnému typu aproximační funkce modulové charakteristiky daného filtru.

Obr. 5: Digitálně řízený filtr Sallen-Key. Podle toho na jakých frekvencích budeme obvod provozovat je nutné s rozmyslem volit vícekanálové potenciometry a nebo využít jednotlivě 4 digitální potenciometry s tím, že bude nutné zajistit externě jinou adresaci. Toto platí pro sběrnici I2C. Při využití potenciometrů s rozhraním SPI je situace poněkud jednoznačnější, neboť abychom zajistili možnost nezávislého řízení čtyř odporových kanálů, bude nutné prakticky volit jen z variant potenciometrů se čtyřmi kanály, protože výše popsané komunikační rozhraní disponuje jen jedním využitelným kanálem SPI. Pro tyto účely a další je však velmi výhodné rozšíření tohoto rozhraní na čtyř-kanálové pomocí obvodu popsaného v podkapitole 2.2 a do programu implementovat modifikovanou knihovnu pro řízení až čtyř portů současně. také již zmíněnou a to v podkapitole 3.1. Frekvenční hledisko volby typu potenciometru je velmi důležité především ze dvou základních důvodů. Nejprve je nutné na co nejvyšších frekvencích mít možnost stabilně využívat aspoň desetinu odporového rozsahu pro naladění příslušné aproximační funkce filtru viz. obr.8 a také je důležité zajistit možnost stabilního souběhu dvou odporových hodnot, aniž by se nám během tohoto přelaďování samovolně měnily dané odporové pozice jezdce včetně odporové hodnoty samotného kanálu potenciometru.

Obr. 4: Vyznačení aktivního pracovního pásma

4. PRAKTICKÉ MĚŘENÍ Celá tato představená koncepce byla testována v rámci diplomové práce [15] na jednoduchých přípravcích představujících digitálně řízený aktivní filtr Sallen-Key 2. řádu typu dolní propust [10], digitálně řízený oscilátor s Wienovým článkem a univerzální filtr též známý pod názvem State Variable Filter [11]. U všech těchto zapojení byl kladen důraz na možností přesného souběhu stejných odporových hodnot více kanálů a také na možnosti efektivního přelaďování různých odporových hodnot. Během experimentálního vyhodnocování chování těchto obvodů při různých vstupních obvodových parametrech bylo také jedním z cílů zjištění a v jistém obecnějším smyslu přibližná kvalifikace parazitních projevů těchto digitálně řízených prvků. 17-5

2010/17 – 24. 3. 2010


U digitálních potenciometrů využívajících pro svoji komunikaci sběrnici SPI lze využít možnosti řetězového řazení většinou až 8 digitálních potenciometrů, kdy přenášené řídící slovo je postupně rozděleno do všech jednotek. To nám dovoluje využívat takto utvořený řetězec jako jeden potenciometr, u kterého konce odporových drah jednotlivých kanálu na sebe plynule navazují a tvoří tak jeden celek. Tímto můžeme vytvořit i potenciometry s poměrně velkou hodnotou nominálního odporu např. 100 kΩ a velmi dobrou frekvenční stabilitou odpovídající maximálnímu kmitočtu pro největší z potenciometrů v celém řetězci, který lze tímto zvětšit čtyřnásobně i více. Na obr.7 níže je uveden hotový testovací přípravek digitálně řízeného filtru pro rozhraní I2C.

Jednoduchou úvahou lze dojít k závěru, že se snižující se hodnotou odporu laděného v tandemu s druhým odporovým kanálem, dochází ke snížení počtu kroků k dosažení příslušné mezní frekvence filtru. Tuto situaci je možné pro každou z popisovaných sběrnic řešit specifickým způsobem. U sběrnice I2C je výhodné využít pro ladění mezního kmitočtu filtru např. jeden dvoukanálový digitální potenciometr s nominální hodnotou odporu 10 kΩ a s 256 pozicemi odporového kanálu. Tímto máme zajištěno přelaďování mezního kmitočtu při použití shodných hodnot kapacit pro oba dva kondenzátory C1 = C2 = C =220 pF viz obr. 5 v rozsahu od přibližně 72 kHz až do několika MHz. Horní hranice je v tomto případě dána frekvenční stabilitou zvoleného digitálního potenciometru. Zároveň se však dostáváme k výše zmíněnému problému a to, že asi od hodnoty odporu 1 kΩ a směrem níže dochází k poměrně skokové změně mezního kmitočtu. Z tohoto pohledu se jeví velmi výhodné využít ještě v zapojení do série ke každému z výše uvedených odporu jeden laditelný odpor o nižší nominální hodnotě např. 1 kΩ nebo 2,5 kΩ. Nezvýšíme tak sice celkovou maximální dosažitelnou frekvenční stabilitu celého obvodu, ale můžeme docílit poměrně slušné frekvenční stability a laditelnosti obvodu i v pásmech frekvencí nad 1MHz, neboť díky nižšímu odporu v sérii, který mívá obvykle deklarovanou vyšší frekvenční stabilitu lze ponechat odpor s vyšší nominální hodnotou nastavený na určitou mezní hodnotu s ohledem na [12]. Druhý odpor s nižší nominální hodnotou zato však s vyšší deklarovanou stabilitou na vyšších frekvencích může v konečné fázi také přispět k stabilitě obvodu. V tomto případě je vhodné ovšem již uvažovat i o celkové modifikací samotné struktury obvodu s ohledem na menší parazitní projevy, jež jsou u této obvodové varianty specifické především velkým poklesem hodnoty potlačení přenosu v nepropustném pásmu filtru se zvyšující se hodnotou mezní frekvence. V tomto ohledu bylo zvoleno zapojení představující univerzální filtr viz obr. 6 využívající konstrukce integračních článků a vhodnější pro pásmo frekvencí nad 1 MHz. Tímto bylo dosaženo za použití digitálních potenciometrů s nominálními hodnotami do 5 kΩ poměrně dobré frekvenční stability i v pásmu kmitočtů nad 1,5 MHz.

Obr. 7: Digitálně řízený filtr Sallen-Key s rozhraním I2C. Z následujícího obr. 8 lze vidět experimentální výsledky měření digitálně řízeného filtru v porovnání s průběhy simulovanými v simulačním programu PSpice. Pro realizaci tohoto filtru byly využity jak potenciometry disponující rozhraním I2C tak také potenciometry s rozhraním SPI. Je zřejmé, že můžeme dosáhnout velmi dobré shody s teoretickými předpoklady pro dosažení příslušné aproximační funkce ovšem na nižších frekvencích pohybujících se dle experimentálních výsledků do hodnoty mezního kmitočtu přibližně 500 kHz. Poté se již chyba nastavení aproximace začíná poměrně významně zvyšovat. Při testování potenciometrů pro rozhraní I2C byly využity dva dvoukanálové potenciometry AD5242 [13] v pouzdře TSSOP s 256 pozicemi a nominální hodnotou odporu 10 kΩ. Co se týče souběhu hodnot každé z dvojice kanálů je třeba říci, že v tomto případě byl rozdíl u jednoho z potenciometrů až 10 pozic pro dosažení stejné odporové hodnoty obou kanálů. Tato situace se logicky zhoršuje při práci v pásmu vyšších kmitočtů, kdy zmenšující se počet pozic k dosažení daného vyššího kmitočtu komplikuje v tomto případě dosažení souběhu odporových hodnot. Tento fakt společně s přítomností parazitních kapacit jezdce potenciometru tak utváří v konečném důsledku jednu z hlavních příčin zvětšující se chybovosti deklarované již výše při nastavování dané aproximační funkce.

Obr. 6: Digitálně řízený State Variable Filter.

17-6

2010/17 – 24. 3. 2010


Obr.8: Experimentální výsledky digitálně řízeného filtru s tabulkou pro nastavení příslušných aproximací.

4.2. DIGITÁLNĚ ŘÍZENÝ OSCILÁTOR

Pro rozhraní SPI byl využit potenciometr AD5204 [14] disponující čtyřmi kanály, počtem 256 pozic odporového jezdce a dostupný v pouzdře PDIP. U tohoto typu je nutné především vyzdvihnout velmi dobrou shodu všech čtyř odporových kanálů, kdy při všech hodnotách odporového jezdce není dosaženo odchylky při stejných hodnotách pozic větší než jen několik jednotek Ohmů. Zpravidla byla měřená odchylka 2 Ω až 5 Ω. Zároveň maximální deklarovaná frekvenční stabilita udávaná výrobcem dosahuje hodnoty 720 kHz, což je v oblasti digitálních potenciometrů se čtyřmi kanály jedna z nejlepších hodnot. Tyto aspekty uvedené výše zaručují dobrou laditelnost a řiditelnost filtru až do frekvencí kolem 1MHz, kdy se kromě parazitních vlivů samotných potenciometrů začíná projevovat také vliv samotné struktury celého obvodu. Na obr.9 níže je uvedena podobná charakteristika jako na obr.8 s tím rozdílem, že filtr vykazuje poměrně dobré vlastnosti nastavení aproximační funkce i na vyšších frekvencích.

Druhé zapojení, které také využívá digitálně řízené potenciometry, představuje oscilátor s Wienovým článkem se stabilizací amplitudy pomocí antiparalelního zapojení dvou diod uvedený na obr. 10. U tohoto zapojení byl využit také již výše zmíněný potenciometr AD5204 [14], jehož dva kanály jsou určené pro nastavení kmitočtu oscilátoru a další dva kanály zajišťují nastavení amplitudy výstupního signálu. Opět je nutná velmi dobrá shoda mezi dvěma odporovými kanály zajišťujícími naladění příslušného kmitočtu oscilací.

Obr. 10: Schéma digitálně řízeného oscilátoru

Obr.9: Digitálně řízený filtr ( rozhr. SPI) s nastavenou ..............Čebyševovou aprox. (3 dB) přenosové funkce.

17-7

2010/17 – 24. 3. 2010


Uvedenou hodnotu je s ohledem na konstrukční a laboratorní možnosti brát v úvahu s jistou rezervou. Nicméně do hodnoty frekvence přibližně 300 kHz se parazitní kapacity v celém rozsahu potenciometru pohybovaly v rozmezí 5 pF až 15 pF, což nemá na výsledný průběh přenosové charakteristiky filtru ani testovaného digitálně říz. oscilátoru téměř žádný vliv.Na obr. 12 je možné vidět závislost parazitní kapacity jednoho kanálu potenciometru při nastavené 40 pozici což je asi šestina z celkového rozsahu potenciometru v závislosti na frekvenci vstupního sinusového signálu jehož amplituda bylo zvolena s ohledem na maximální dovolenou hodnotu napájecího napětí na UVST P- P = 2 V.

Z naměřeného grafu uvedeného na obr.11 lze pozorovat velmi dobrou shodu kmitočtu oscilací s teoretickým průběhem až do kmitočtu přibližně 500 kHz, což můžeme také vidět v přidružené tabulce na tomtéž obrázku, kde je uvedená relativní chyba odchylky. Je nutné si uvědomit, že rozdíl v souběhu kanálů naměřený u tohoto potenciometru a uvedený výše se ze snižující odporovou hodnotou jednotlivých kanálů stává významnější a může se tak podílet na celkovém zvýšení chybovosti oscilátoru při vyšších kmitočtech oscilací.

4.3. PARAZITNÍ KAPACITY

POTENCIOMETRU AD5204

Pojmem frekvenční stabilita digitálního potenciometru je reflektována v katalogových listech [9],[13],[14] běžně udávaná hodnota max. kmitočtu resp. šířka pásma potenciometru, při které nedochází k poklesu signálu o 3 dB oproti referenční úrovni, která je dosažena na daném výstupu potenciometru při určité nastavené pozici s minimálním vlivem parazitních kapacit jezdce a jednotlivých odporových výstupů potenciometru vztažených k zemi viz. parazitní model [15]. Důležitým faktorem pro dosažení frekvenční stability na daném kmitočtu je tedy kromě použité nominální hodnoty odporu také počet využívaných pozic jezdce potenciometru a také jeho parazitní model resp. hodnoty parazitních kapacit udávané v katalogových listech pro jednotlivé odporové výstupy.

Poslední část praktického testování vlastností digitálně řízených prvků je věnována projevům jejich nežádoucích vlastností zvláště při vysokých kmitočtech. Ze specifikací v katalogovém listu je možné najít hodnotu parazitní kapacity jezdce potenciometru měřenou při frekvenci 1 MHz vůči zemi při čtvrtinovém využití rozsahu potenciometru. Tato hodnota činí CW = 60 pF. Ze simulací provedených v [15] je patrné, že výraznější ovlivnění přenosové charakteristiky filtru právě nastává přibližně při této hodnotě frekvence. Při praktickém měření se ukázala pro tento typ potenciometru jako mezní frekvence 900 kHz. Při této frekvenci dosahovali parazitní kapacity jezdce potenciometru hodnoty přibližně 62 pF s využitím desetiny odporového rozsahu.

teoretická

měřená

Obr. 11: Závislost kmitočtu oscilátoru na nastavované odporové hodnotě tandemově .............nastavovaných digitálních odporů v porovnání s teoretickými hodnotami

17-8

2010/17 – 24. 3. 2010


S ohledem na výše uvedené praktické výsledky je možné učinit pro použití digitálních potenciometrů ve filtračních aplikacích několik důležitých závěrů. Při použití těchto obvodů na nízkých kmitočtech přibližně do 200 kHz je možné provozovat všechny typy potenciometrů s nominální hodnotou do 25 kΩ. Zároveň nejsme v tomto pásmu ani omezení počtem pozic a je tak možné např. využitím potenciometrů s počtem 1024 pozic dosáhnout velmi dobrou šířku provozního pásma v oblasti audio aplikací. Dalším limitujícím faktorem je nutnost dodržovat přesně napěťové úrovně vztažené vůči zemi a také proudové omezení, které se pohybuje v řádech jednotek až několik málo desítek mA (obvykle max. 20 mA) na každou možnou dvojici výstupů . Tedy např. mezi koncovými body nebo mezi jezdcem a zvoleným koncovým bodem. Se zvyšujícími se frekvenčními požadavky se výběr vhodného typu potenciometru zužuje jak z hlediska využitého počtu pozic tak také z hlediska volby nominální hodnoty jednotlivých typů. Tímto také logicky dochází k omezení širokopásmovosti dané aplikace. Vezmeme-li ovšem v potaz využitelnost struktury Sallen-Key z hlediska maximální provozovatelné frekvence dají se frekvenční vlastnosti potenciometrů s nominální hodnotou 10 kΩ a méně považovat při pracovních frekvencích mírně přesahujícím pásmo 1 MHz za dostatečné

Obr. 12 Závislost parazitní kapacity odporového kanálu ................. na frekvenci vstupního sinusového signálu

5. ZÁVĚR Představená koncepce možnosti digitálního řízení prvků v analogových obvodech umožňuje jednoduchým způsobem realizovat komunikační řetězec, pomocí kterého je možné ovládat prostřednictví počítače přes sběrnici USB široké spektrum digitálně řízených prvků, jejichž spektrum se stále rozšiřuje. Vlastní řídící koncepce byla úspěšně testována na vytvořených jednoduchých laboratorních aplikacích analogových obvodů.

Zároveň je však nutné také upozornit na nevýhody resp. nežádoucí vlastnosti těchto prvků, které plynou většinou již ze samotné konstrukce. Jedná se především o nezanedbatelný vliv parazitních kapacit odporového jezdce, který je umocňován se zvyšujícími se nároky na frekvenční stabilitu daného potenciometru na vyšších frekvencích a s počtem využívaného odporového rozsahu v daném frekvenčním pásmu. To má v konečném důsledku zásadní vliv na celkové chování a stabilitu obvodu a degraduje to jak vlastnosti samotného potenciometru tak také vlastnosti celého obvodu. Obecně je možné pro práci na frekvencích přesahujících pásmo 1MHz doporučit potenciometry o nominální hodnotě 10 kΩ a níže. Zajímavou možností je ovšem řešení představené v podkapitole 4.1 s názvem Digitálně řízené kmitočtové filtry, které nám umožňuje sestavit zřetězením digitálních potenciometrů jeden potenciometr s poměrně velkou nominální hodnotou, který může dosahovat několikanásobně lepší frekvenční použitelnosti než by tomu bylo u digitálního potenciometru přímo vyrobeného v této nominální hodnotě.

Dá se říct, že použitím digitálních potenciometrů v analogové technice přináší oproti jejich mechanickým předchůdcům řadu nepopíratelných výhod. Zejména se jedná o možnost rychlého a přesného nastavení požadované hodnoty odporu a to velmi jednoduchým způsobem i v případě souběžného ladění více kanálů, u kterých nemusí být ani omezujícím faktorem rozdílná hodnota odporů. Vždy je možné dosáhnout opakovaným nastavováním přesně deklarované odporové hodnoty, které se během užívání potenciometru nemění. Další výhoda v použití těchto prvků ční také v tom, že není nutné dalších přídavných periférií pro zajištění odezvy nastavení daného prvku vůči uživateli. Všechny tyto procedury je možné provádět pomocí představené koncepce. Navíc jak už tomu bývá u elektronických komponent ani v tomto případě se výrobci digitálních potenciometrů nevzdali možnosti integrovat spolu s těmito prvky další přídavné periférie v podobě přídavné paměti jak pro samotné ukládání pozic jednotlivých kanálů tak také paměti, ve které jsou uloženy např. informace o tolerancích jednotlivých kanálů deklarované již během samotného výrobního procesu. Můžeme tak jednoduchým způsobem např. u výše zmíněného filtru Salen-Key předdefinovat odporové hodnoty jednotlivých kanálů pro příslušné aproximační funkce a zajistit tak jednoduchou kalibraci filtru pro požadované nastavení. Také se naskytla zároveň možnost předdefinovat pro jednotlivé kanály jednoduché rychlé instrukce, které umožní uživateli pohodlným způsobem řídit a nastavovat souběžně více kanálů najednou, aniž by toto musel dále nějak softwarově řešit.

LITERATURA [1] .FUTURE TECHNOLOGY DEVICES INTERNATIONAL ..........LTD. .FT232BM USB UART IC .[online]. Datasheet, 43 .......-..s., 2008. Dostupné na www: . [2] FUTURE TECHNOLOGY DEVICES INTERNATIONAL . .LTD. FT4232H Hi-Speed USB –Quad..UART ..........IC....[online]. .Datasheet, 43 s., 2009. Dostupné na ..........www: ..

17-9

2010/17 – 24. 3. 2010


[3] .POWERTIP TECHNOLOGY, INC. 26231 Enterprise ..........Court, Lake Forest, CA 92630. PC-1602F LCD ..........Module [online]. 65 s., 2001. Dostupné na www: ...........

.............Fakulta.elektrotechniky a komunikačních ..............technologií. Ústav ..radioelektroniky, 2009. 54 s., .............24 s. příloh. Diplomová práce

[4] TEXAS INSTRUMENTS INC. DALLAS, TEXAS 75243.........1108 USA. 8-bit expander PCF8574 .[online]. .........Datasheet, 12 s., 2001. Dostupné na www: ........... [5]...MAXIM DALLAS SEMICONDUCTOR, 120 SAN .........GABRIEL DRIVE, SUNNYVALE, .CA94086. Max232: .........5V-..Powered, Multichannel RS-232 Drivers/Receiver ..........online]. Datasheet, 16 s., 1999. Dostupné z www: .......... Břetislav. Universal Interface for [6]...ŠEVČÍK, .........Controlof Digital Potentiometers in Analog ..........Systems. In ..Proceedings of the 15th Conference ..........Student EEICT..2009. Brno: Brno University of ..........Technology, 2009, .p. 50–52. ISBN 978-80-214..........3868-2 [7]...BURKHARD, K. Elektronika s podporou PC, ..........Ostrava-Plesná: Nakladatelství HEL, 2004. 183 ..........s. ISBN 80-86167-22-4 [8] .BURKHARD, K. Využití rozhraní PC pod .Windows, ..........Ostrava-Plesná: Nakladatelství HEL 2000. 150 s. ..........ISBN 80-86167-13-5. [9] .Analog Devices, P. O. Box 9106, Norwood, MA ..........02062-9106,USA. 3-Channel, I2C Compat., 512. ..........Position, Digital Potentiometer AD5255 [online]. ..........Datasheet, 20 s., 2005. Dostupné na www: ........... [10].HÁJEK, K., SEDLÁČEK, J. Kmitočtové filtry, ..........Praha: Nakladatelství BEN – technická .literatura, ..........2002. 535 s. ISBN 80-7300-023-7. [11]..PUNČOCHÁŘ, J. Operační zesilovače v ...........elektrotechnice, Praha: Nakladatelství BEN – ...........technická literatura, 2002. 495 s. .ISBN 80-7300...........059-8. [12]...VRBA, K., KUBÁNEK, D. Použití digitálních ............potenciometrů k řízení parametrů kmitočtových ............filtrů. Elektrorevue [online]. 2002, č.50. Dostupné ............na www:. . [13] ..ANALOG DEVICES, P. O. Box 9106, Norwood, MA .............02062-9106,USA. Dual-Channel, I2C Compat., 256 .............Position, Digital Potentiometer AD5242 [online]. .............Datasheet, 16 s., 2002. Dostupné na www: ............... [14] .ANALOG DEVICES, P. O. Box 9106, Norwood, MA .......... .02062-9106,USA. Quad - Channel, SPI Compat., ......... .256. .Position, Digital Potentiometer AD5204 .............[online]. Datasheet, 20 s., 2009. Dostupné na ..............www: .. [15] .ŠEVČÍK, B. Elektronicky řiditelný aktivní filtr .............2.řádu..Brno: Vysoké učení technické v Brně, 17-10

Možnosti digitálního řízení v analogových obvodech

Recommend Documents