So bauen Sie programmierbare Oszillatoren mit digitalen Potentiometern

Digitale Potentiometer (digiPOTs) sind vielseitig einsetzbar und können in den unterschiedlichsten Anwendungen eingesetzt werden, beispielsweise zum Filtern oder Erzeugen von Wechselstromsignalen. Manchmal muss die Frequenz jedoch variiert und an die gewünschte Anwendung angepasst werden können. Programmierbare Lösungen, die eine Anpassung der Frequenz über eine entsprechende Schnittstelle ermöglichen, sind bei solchen Designs äußerst hilfreich und können die Entwicklung teilweise erheblich erleichtern. In diesem Artikel wird eine Methode zum relativ einfachen Aufbau eines programmierbaren Oszillators beschrieben, bei dem die Schwingfrequenz und -amplitude mithilfe von digiPOTs unabhängig voneinander eingestellt werden können. Abbildung 1 zeigt einen typischen diodenstabilisierten Wien-Brücken-Oszillator, mit dem am Ausgang (VOUTPUT) präzise Sinussignale im Bereich von ca. 10 kHz bis 200 kHz realisiert werden können. Wien-Brückenoszillatoren zeichnen sich dadurch aus, dass ein Brückenpfad durch ein Bandpassfilter und der andere durch einen Spannungsteiler gebildet wird. In diesem Beispiel wird – zusätzlich zum Rail-to-Rail-Präzisionsverstärker ADA4610-1 – der AD5142 digiPOT verwendet, der zwei unabhängig voneinander steuerbare Potentiometer mit einer Auflösung von jeweils 256 Schritten enthält. Die Programmierung der Widerstandswerte erfolgt über ein SPI, wie in Abbildung 2 dargestellt. Alternativ kann auch der AD5142A verwendet werden, der über einen I2C angesteuert werden kann. Beide Varianten sind als 10 kΩ- oder 100 kΩ-Potentiometer erhältlich. Abbildung 1. Programmierbarer Wien-Brücken-Oszillator mit Amplitudenstabilisierung, wobei die Widerstände durch DigiPOTs ersetzt sind. Abbildung 2. Blockdiagramm des AD5142. In der in Abbildung 1 gezeigten klassischen Oszillatorschaltung bildet der Pfad mit R1A, R1B, C1 und C2 die positive Rückkopplung, während die negative Rückkopplung über R2A, R2B und die beiden parallelen Dioden D1 und D2 bzw. deren Widerstand RDIODE erfolgt. Hier gilt Gleichung 1: Um eine anhaltend stabile Schwingung zu erreichen, ist es notwendig, die Phasenverschiebung der Schleifenverstärkung zu eliminieren. Durch Formeln ausgedrückt ergibt sich für die Oszillatorfrequenz folgender Term: Dabei ist R der programmierbare Widerstandswert des AD5142, D das dezimale Äquivalent des im AD5142 programmierten Digitalcodes und RAB der Gesamtwiderstand des Potentiometers. Um die Schwingung aufrechtzuerhalten, sollte die Wien-Brücke relativ ausgeglichen sein – das heißt, die Verstärkung der positiven Rückkopplung und die Verstärkung der negativen Rückkopplung müssen koordiniert sein. Wenn die positive Rückkopplung (Verstärkung) zu groß ist, erhöht sich die Schwingungsamplitude oder VOUTPUT, bis der Verstärker in die Sättigung geht. Überwiegt die Gegenkopplung, so wird die Amplitude entsprechend gedämpft. Für die hier gezeigte Schaltung sollte die Verstärkung R2/R1 auf etwa 2 oder etwas höher eingestellt werden. Dadurch wird sichergestellt, dass das Signal zu schwingen beginnt. Das abwechselnde Einschalten der Dioden in der Gegenkopplungsschleife führt jedoch auch dazu, dass die Verstärkung vorübergehend weniger als 2 beträgt und dadurch die Schwingung stabilisiert wird. Sobald die gewünschte Schwingungsfrequenz bestimmt ist, kann die Schwingungsamplitude über R2 unabhängig von der Frequenz eingestellt werden. Dies kann wie folgt berechnet werden: Die Variablen ID und VD repräsentieren dabei jeweils den Diodendurchlassstrom und die Diodendurchlassspannung an D1 und D2. Wird R2B kurzgeschlossen, ergibt sich eine Schwingungsamplitude von ca. ±0.6 V. Mit der richtigen Größenordnung für R2B kann ein Gleichgewicht erreicht werden, sodass VOUTPUT konvergiert. In der in Abbildung 1 gezeigten Schaltung wird für R100B ein separater 2-kΩ-digiPOT verwendet. Fazit: Mit der beschriebenen Schaltung und einem 10-kΩ-Dual-DigiPOT können Oszillationsfrequenzen von 8.8 kHz, 17.6 kHz und 102 kHz mit Widerstandswerten von 8 kΩ, 4 kΩ bzw. 670 Ω abgestimmt werden, mit einem geringen Frequenzfehler von gerade mal 3 kΩ ±200 %. Auch höhere Ausgangsfrequenzen sind mit Auswirkung auf den Frequenzfehler möglich. Bei 6 kHz erhöht sich der Frequenzfehler beispielsweise auf 1 %. Beim Einsatz solcher Schaltungen in frequenzabhängigen Anwendungen ist es außerdem wichtig, die Bandbreitenbegrenzung eines digiPOT nicht zu verletzen, da diese vom programmierten Widerstand abhängt. Darüber hinaus erfordert die Frequenzabstimmung in Abbildung 1, dass die Widerstandswerte für R1A und R5204B gleich sind. Allerdings können die beiden Kanäle nur nacheinander eingestellt werden und zu einem kurzzeitig kritischen Zwischenzustand führen. Dies kann für bestimmte Anwendungen nicht akzeptabel sein. In solchen Fällen ist es möglich, digiPOTs mit Daisy-Chain-Modus (z. B. ADXNUMX) zu verwenden, um die gleichzeitige Änderung beider Widerstandswerte zu ermöglichen.

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