Преобразование шим в напряжение

В данной статье мы подробнее рассмотрим, как эффективно использовать фильтр нижних частот для преобразования ШИМ сигнала в аналоговое напряжение.

Вспомогательная информация

Предыдущая статья

• Превратите ШИМ модулятор в цифро-аналоговый преобразователь

Широтно-импульсная модуляция в частотной области

• В предыдущей статье мы видели, что сигнал с широтно-импульсной модуляцией можно «сгладить» до достаточно стабильного напряжения в диапазоне от уровня земли до высокого логического уровня (например, 3,3 В); сглаживание выполняется простым фильтром нижних частот. Таким образом, мы можем реализовать цифро-аналоговое преобразование, используя встроенное программное обеспечение или аппаратное обеспечение для изменения коэффициента заполнения в ШИМ сигнале в соответствии со следующей формулой:
• ( ext{Необходимое напряжение ЦАП}=A imes ext{коэффициент заполнения})
• где A («амплитуда») – напряжение высокого логического уровня.
• Давайте начнем наше более подробное исследование ЦАП на базе ШИМ с рассмотрения представления ШИМ сигнала в частотной области. Вот схема LTspice:

Рисунок 1 – Схема моделирования в LTspice

Как видно из характеристик PULSE, ширина импульса составляет 5 мкс, а период – 10 мкс. Таким образом, коэффициент заполнения составляет 50%, а несущая частота ШИМ сигнала составляет 100 кГц. Также обратите внимание, что A = 3,3 В, а время нарастания и спада составляет 10 нс. Вот сигнал во временной области:

Рисунок 2 – Представление ШИМ сигнала во временной области

А вот и результаты быстрого преобразования Фурье (БПФ):

Рисунок 3 – Представление рассматриваемого ШИМ сигнала в частотной области

Вы можете узнать в этой диаграмме спектр общего вида, который мы ожидаем увидеть от прямоугольного сигнала, то есть всплеск на несущей частоте, а затем уменьшающиеся по амплитуде гармоники на частотах, равных несущей частоте, умноженной на 3, несущей частоте, умноженной на 5, и так далее. Однако БПФ LTspice не показывает нам постоянной составляющей, которая не равна нулю, потому что этот прямоугольный сигнал не симметричен относительно оси x. Я изменил следующий график, чтобы включить компонент постоянной составляющей:

Рисунок 4 – Измененное представление в частотной области, учитывающее наличие постоянной составляющей

Итак, нам нужны стабильные 1,65 В, расположенные в левом краю, и нам не нужен этот проблемный всплеск на частоте 100 кГц (а также все более высокочастотные всплески). В этот момент вы, вероятно, можете понять, зачем мы используем фильтр нижних частот в ЦАП на базе ШИМ: фильтр сохраняет компонент постоянной составляющей, подавляя всё остальное.

Если бы у нас был идеальный фильтр, у нас было бы совершенно стабильное напряжение ЦАП – просто оглянемся на предыдущий график и представим фильтр с АЧХ в виде «кирпичной стены», которая на частоте 50 кГц переходит от отсутствия затухания к полному затуханию.

Все не связанные с постоянной составляющей компоненты сигнала будут устранены, и мы получим постоянное напряжение на уровне 1,65 В.

В этот момент вам может быть интересно узнать, как меняется спектр при изменении ширины импульса. Что если частотные составляющие перемещаются так, что фильтр нижних частот становится менее эффективным? Рассмотрим следующие два результата БПФ для коэффициентов заполнения 10% и 90%:

Рисунок 5 – Спектр ШИМ сигнала с коэффициентом заполнения 10%Рисунок 6 – Спектр ШИМ сигнала с коэффициентом заполнения 90%

Спектр, безусловно, изменяется относительно коэффициента заполнения 50%, но одно не меняется: первый всплеск находится на несущей частоте. Таким образом, независимо от коэффициента заполнения, мы имеем довольно большую полосу частот (в данном случае от постоянного напряжения до 100 кГц), в которой фильтр нижних частот может переходить от отсутствия затухания к существенному затуханию.

Пульсации и отклик при одном полюсе

Давайте посмотрим, какое качество ЦАП мы можем получить с помощью простейшего RC фильтра. Начнем с частоты среза (обозначаемой fср) в середине полосы от постоянной составляющей до частоты несущей:

(f_{ср}=50 кГц=frac{1}{2pi RC}; выбираем C=10 нФ Rightarrow Rapprox318 Ом)

Рисунок 7 – Схема моделирования в LTspice: генератор ШИМ сигнала и RC фильтр нижних частотРисунок 8 – Пульсации напряжения, полученного на выходе фильтра нижних частот

Не очень хорошо… Очевидно, нам нужно большее затухание, чем сейчас. Давайте переместим частоту среза на 1 кГц:

Рисунок 9 – Схема моделирования в LTspice: генератор ШИМ сигнала и RC фильтр нижних частот с частотой среза 1 кГцРисунок 10 – Время установления напряжения, полученного на выходе фильтра нижних частот с частотой среза 1 кГц

Теперь пульсации значительно уменьшились, но вы, вероятно, заметили, что у нас возникла новая проблема: выходной сигнал достаточно долго достигает требуемого напряжения ЦАП.

Это происходит потому, что более высокое сопротивление в RC фильтре не только снижает частоту среза, но также увеличивает постоянную времени – большее сопротивление означает меньший ток, протекающий к конденсатору, и, следовательно, конденсатор заряжается медленнее. Следующий график помогает показать ограничение, накладываемое этим действием на ЦАП:

Рисунок 11 – Время установления напряжения

На этом графике вы видите довольно плохое «время установления», которое представляет собой характеристику, которая показывает, как быстро ЦАП может установить свой выходной сигнал на новое запрограммированное напряжение.

График показывает, что, когда выходной сигнал увеличивается или уменьшается на половину диапазона полной шкалы, эта конкретная схема приводит к времени установления почти 1 мс.

Не поймите меня неправильно, во многих приложениях время 1 мс было бы вполне приемлемым, но это не меняет того факта, что эта производительность установления никак не сравнится с тем, что вы ожидаете увидеть от типового ЦАП.

Приведенные выше результаты приводят нас к первому из двух основных компромиссов, связанных с проектированием ЦАП на базе ШИМ.

• Компромисс № 1: более низкая частота среза означает меньшие пульсации и большее время установления; более высокая частота среза означает большие пульсации и меньшее время установления. Поэтому вы должны подумать о своем приложении и решить, хотите ли вы, чтобы ЦАП быстрее реагировал на изменения или был менее подвержен пульсациям выходного сигнала.

Два полюса лучше одного?

Давайте посмотрим на результаты работы двухполюсного фильтра для тех же двух частот среза. Следующая схема представляет собой RLC фильтр с критическим затуханием с fср ≈ 50 кГц:

Рисунок 12 – Схема моделирования в LTspice: генератор ШИМ сигнала и RLC фильтр нижних частот с частотой среза 50 кГцРисунок 13 – Пульсации напряжения, полученного на выходе RLC фильтра нижних частот с частотой среза 50 кГц

Как и ожидалось, это значительное улучшение по сравнению с однополюсным фильтром 50 кГц; размах пульсаций уменьшился с примерно 2,15 В до менее чем 900 мВ.

Вот схема для RLC фильтра с критическим затуханием с fср ≈ 1 кГц:

Рисунок 14 – Схема моделирования в LTspice: генератор ШИМ сигнала и RLC фильтр нижних частот с частотой среза 1 кГцРисунок 15 – Пульсации напряжения, полученного на выходе RLC фильтра нижних частот с частотой среза 1 кГц

Здесь мы почти устранили пульсации; если бы вы увеличили масштаб, то обнаружили бы, что размах пульсаций составляет всего около 500 мкВ. Но теперь у нас снова есть проблема со временем установления (вспомните компромисс № 1):

Рисунок 16 – Время установления напряжения на выходе RLC фильтра нижних частот с частотой среза 1 кГц

В этот момент вы можете подумать о том, как можно улучшить этот фильтр для достижения быстрого отклика в сочетании с низкими пульсациями.

Возможно, вы заметили, что для предыдущей схемы требовалось 2,2 миллигенри – это огромная индуктивность.

А что насчёт активного фильтра? Фильтр Саллена-Ки? Может быть, фильтр Саллена-Ки после RC фильтра? Подождите, почему бы просто не использовать фильтр с переключаемым конденсатором? Четыре полюса, или даже пять или семь… Это подводит нас ко второму компромиссу:

• Компромисс № 2: Фильтры высшего порядка улучшают производительность, но они также увеличивают стоимость и сложность. Вместо того, чтобы тратить время и деньги на внедрение причудливого фильтра для посредственного ЦАП на базе ШИМ, мы просто должны использовать внешний ЦАП! На мой взгляд, вы не должны выходить за пределы одного полюса. Внешние ЦАП (и микроконтроллеры со встроенными ЦАП) настолько широко доступны, что ЦАП на базе ШИМ теряет свою привлекательность, если вы не можете удовлетворить свои требования к производительности с помощью RC фильтра.

Простой способ улучшить ваш ЦАП на базе ШИМ

Мы не должны падать духом из-за компромисса № 2, потому что есть простой способ получить больше производительности от RC фильтра: просто увеличьте частоту ШИМ сигнала! Помните, что спектр ШИМ сигнала в полосе от постоянной составляющей до частоты несущей пуст.

Таким образом, более высокая частота несущей означает более широкую полосу, в которой АЧХ фильтра может постепенно спадать – тот же фильтр, то же время установления, большее затухание. Давайте вернемся к нашему RC фильтру с fср ≈ 50 кГц и увеличим частоту несущей до 10 МГц.

Вот результаты:

Рисунок 17 – Время установления напряжения на выходе ЦАП на базе ШИМ с тактовой частотой 10 МГц RC фильтром с частотой среза 50 кГцРисунок 18 – Пульсации на выходе ЦАП на базе ШИМ с тактовой частотой 10 МГц RC фильтром с частотой среза 50 кГц

Время установления составляет всего около 15 мкс, а пульсации составляют всего 25 мВ (по сравнению с 2,15 В, когда мы использовали фильтр 50 кГц и частоту несущей 100 кГц).

Практические ограничения

Прежде чем мы закончим, я должен отметить, что эти идеализированные симуляции не раскрывают основного источника неидеальной производительности ЦАП базе ШИМ, а именно ненадежных и, следовательно, непредсказуемых напряжений высокого и низкого логических уровней.

Напряжение на аналоговом выходе прямо пропорционально амплитуде цифрового ШИМ сигнала, и, таким образом, изменения реальных напряжений высокого и низкого логических уровней ШИМ сигнала приведут к соответствующим изменениям выходного напряжения ЦАП.

Эта проблема особенно актуальна для приложений с питанием от батареек; если микроконтроллер питается напрямую от батареи, напряжение высокого логического уровня по мере разряда батареи будет постепенно уменьшаться.

Однако даже при стабилизированном питании вы можете не знать точное напряжение питания – стабилизатор с точностью ±2% означает, что точность выходного напряжения ЦАП будет (в лучшем случае) ±2%.

И даже если у вас очень точный стабилизатор напряжения, и нет значительных отклонений в напряжении питания, вызванных разрядом батареи или изменениями условий окружающей среды, тем не менее, на реальные напряжения высокого и низкого логических уровней может влиять рабочее состояние устройства, генерирующего ШИМ сигнал (обычно микроконтроллер). Одним из способов решения этой проблемы является использование внешней буферной микросхемы, которая поможет ШИМ сигналу поддерживать предсказуемые уровни напряжения, но в этот момент вы снова находитесь на компромиссной территории – вы потратите 40 с небольшим центов на буферную микросхему или 71 цент на крошечный 8-разрядный ЦАП?

Заключение

Мы рассмотрели два основных компромисса, которые влияют на проект ЦАП на базе ШИМ, и увидели, что более высокая частота несущей – это отличный способ улучшить его производительность.

С высокоскоростным микроконтроллером, который обеспечивает 16-разрядное разрешение ШИМ, вы можете реализовать довольно приличный ЦАП, добавив просто RC фильтр.

В следующей статье мы будем использовать стартовый набор SAM4S Xplained Pro, чтобы изучить более практическую сторону цифро-аналогового преобразования на базе широтно-импульсной модуляции.

Оригинал статьи:

• Robert Keim. Low-Pass Filter a PWM Signal into an Analog Voltage

Теги

DAC / ЦАП (цифро-аналоговый преобразователь)PWM / ШИМ (широтно-импульсная модуляция)Время установления ЦАПКоэффициент заполненияФНЧ (фильтр нижних частот)

Шим — широтно-импульсная модуляция

ШИМ или PWM (англ. Pulse-Width Modulation) — широтно-импульсная модуляция — это метод предназначен для контроля величины напряжения и тока. Действие ШИМ заключается в изменении ширины импульса постоянной амплитуды и постоянной частотой.

Свойства ШИМ регулирования используются в импульсных преобразователях, в схемах управления двигателями постоянного тока или яркостью свечения светодиодов.

Принцип действия ШИМ

Принцип действия ШИМ, как указывает на это само название, заключается в изменении ширины импульса сигнала. При использовании метода широтно-импульсной модуляции, частота сигнала и амплитуда остаются постоянными. Самым важным параметром сигнала ШИМ является коэффициент заполнения, который можно определить по следующей формуле:

Также можно отметить, что сумма времени высокого и низкого сигнала определяет период сигнала:

• Ton — время высокого уровня
• Toff — время низкого уровня
• T — период сигнала

Время высокого уровня и время низкого уровня сигнала показано на нижнем рисунке. Напряжение U1- это состояния высокого уровня сигнала, то есть его амплитуда.

На следующем рисунке представлен пример сигнала ШИМ с определенным временным интервалом высокого и низкого уровня.

Расчет коэффициента заполнения ШИМ

• Расчет коэффициента заполнения ШИМ на примере:
• Для расчета процентного коэффициента заполнения необходимо выполнить аналогичные вычисления, а результат умножить на 100%:

Как следует из расчета, на данном примере, сигнал (высокого уровня) характеризуется заполнением, равным 0,357 или иначе 37,5%. Коэффициент заполнения является абстрактным значением.

Важной характеристикой  широтно-импульсной модуляции может быть также частота сигнала, которая рассчитывается по формуле:

Значение T, в нашем примере, следует взять уже в секундах для того, чтобы совпали единицы в формуле. Поскольку, формула частоты имеет вид 1/сек, поэтому 800ms переведем в 0,8 сек.

Благодаря возможности регулировки ширины импульса можно изменять, например, среднее значение напряжения. На рисунке ниже показаны различные коэффициенты заполнения при сохранении той же частоты сигналов и одной и той же амплитуды.

Для вычисления среднего значения напряжения ШИМ необходимо знать коэффициент заполнения, поскольку среднее значение напряжения является произведением коэффициента заполнения и амплитуды напряжения сигнала.
Для примера, коэффициент заполнения был равен 37,5% (0,357) и амплитуда напряжения U1 = 12В даст среднее напряжение Uср:

В этом случае среднее напряжение сигнала ШИМ составляет 4,5 В.

ШИМ дает очень простую возможность понижать напряжение  в диапазоне от напряжения питания U1 и до 0. Это можно использовать, например, для регулировки яркости свечения светодиодов, или скорости вращения двигателя DC (постоянного тока), питающиеся от величины среднего напряжения.

Сигнал ШИМ может быть сформирован микроконтроллером или аналоговой схемой. Сигнал от таких схем характеризуется низким напряжением и очень малым выходным током. В случае необходимости регулирования мощных нагрузок, следует использовать систему управления, например, с помощью транзистора.

Это может быть биполярный или полевой транзистор. На следующих примерах будет использован биполярный транзистор BC547.

Пример управления светодиодом при помощи ШИМ.

Сигнал ШИМ поступает на базу транзистора VT1 через резистор R1, иначе говоря, транзистор VT1 с изменением сигнала то включается, то выключается. Это подобно ситуации, при которой транзистор можно заменить обычным выключателем, как показано ниже:

Упрощенная схема управления светодиодом.

Когда переключатель замкнут, светодиод питается через резистор R2 (ограничивающий ток) напряжением 12В. А когда переключатель разомкнут, цепь прерывается, и светодиод гаснет. Такие переключения с малой частотой в результате дадут мигающий светодиод.

Однако, если необходимо управлять интенсивностью свечения светодиодов необходимо увеличить частоту сигнала ШИМ, так, чтобы обмануть человеческий глаз. Теоретически переключения с частотой 50 Гц уже не незаметны для человеческого глаза, что в результате дает эффект уменьшения яркости свечения светодиода.

Чем меньше коэффициент заполнения, тем слабее будет светиться светодиод, поскольку во время одного периода светодиод  будет гореть меньшее время.

Такой же принцип и подобную схему можно использовать и для управления двигателем постоянного тока. В случае двигателя необходимо, однако, применять более высокую частоту переключений (выше 15-20 кГц) по двум причинам.

Первая из них касается звука, какой может издавать двигатель (неприятный писк). Частота 15-20 кГц является теоретической границей слышимости человеческого уха, поэтому частоты выше этой границы будут неслышны.

Второй вопрос касается стабильности работы двигателя. При управлении двигателем низкочастотным сигналом с малым коэффициентом заполнения, обороты двигателя будут нестабильны или может привести к его полной остановке. Поэтому, чем выше частота сигнала ШИМ, тем выше стабильность среднего выходного напряжения. Также меньше пульсаций напряжения.

Не следует, однако, слишком завышать  частоту сигнала ШИМ, так как при больших частотах транзистор может не успеть полностью открыться или закрыться, и схема управления  будет работать не правильно. Особенно это относится к полевым транзисторам, где время перезарядки может быть относительно большое, в зависимости от конструкции.

Слишком высокая частота сигнала ШИМ также вызывает увеличение потерь на транзисторе, поскольку каждое переключение вызывает потери энергии. Управляя большими токами на высоких частотах необходимо подобрать быстродействующий транзистор с низким сопротивлением проводимости.

Управляя  двигателем постоянного тока с помощью ШИМ, следует помнить о применении диода для защиты транзистор VТ1 от индукционных всплесков, появляющимся в момент выключения транзистора. Благодаря использованию диода, индукционный импульс разряжается через него и внутреннее сопротивление двигателя, защищая тем самым транзистор.

Схема системы управления скоростью вращения двигателя постоянного тока с защитным диодом.

Для сглаживания всплесков питания между клеммами двигателя, можно подключить к ним параллельно конденсатор небольшой емкости (100nF), который будет стабилизировать напряжение между последовательными переключениями транзистора. Это также снизит помехи, создаваемые частыми переключениями транзистора VT1.

Источники питания. Часть 2 — Импульсные преобразователи

Первая часть статьи, посвященная батареям и аккумуляторам.
DC-DC преобразование
Для изменения напряжения постоянного тока с минимальными потерями используются DC-DC преобразователи, работающие по принципу Широтно-Импульсной Модуляции (ШИМ, она же PWM по басурмански).

Если не читал мои прошлые статьи, где я подробно разжевал принцип работы ШИМ, то я кратенько тебе напомню. Основной принцип тут в том, что напряжение подается не сплошным потоком, как в линейных стабилизаторах, а краткими импульсами и с большой частотой.

Готовый девайс

То есть у тебя на выходе ШИМ контроллера, например, сначала в течении десяти микросекунд напряжение, к примеру, двенадцать вольт, потом идет пауза. Скажем, те же десять микросекунд, когда на выходе напряжения вообще нет. Затем все повторяется, словно мы быстро-быстро включаем и выключаем рубильник.

Таким образом у нас получаются прямоугольные импульсы. Если вспомнить матан, а конкретно интегрирование, то после интегрирования этих импульсов мы получим площадь под фигурой очерченной импульсами. Таким образом, меняя ширину импульсов и пропуская их через интегратор, можно плавно менять напряжения от нуля до максимума с любым шагом и практически без потерь.

В качестве интегратора служит конденсатор, он заряжается на пике, а на паузах будет отдавать энергию в цепь. Также туда всегда последовательно ставят дроссель, который тоже служит источником энергии, только он запасает и отдает ток.

Поэтому такие преобразователи при небольших габаритах легко питают мощную нагрузку и при этом почти не расходуют энергию на лишний нагрев.

Если не догнал, то я для простоты переложил это в понятное «канализационное русло». Смотри на картинку, где ключевой транзистор ШИМ контроллера похож на вентиль, он открывает и закрывает канал.

Конденсатор это банка, накапливающая энергию. Дроссель это массивная турбина, которая, будучи разогнанной потоком, при открытом вентиле, за счет своей инерции прогоняет воду по трубам и после закрытия вентиля.

Конечно, самостоятельно разработать такой источник питания сложно, требуется неслабое образование в области электроники, но не стоит напрягаться по этому поводу.

Умные дядьки из Motorola, STM, Dallas и прочих Philips’ов придумали все за нас и выпустили уже готовые микросхемы содержащие в себе ШИМ контроллер.

Тебе остается его лишь припаять и добавить обвески, которая задает параметры работы, причем изобретать самому ничего не надо, в datasheet’ах подробно расписано что и как подключать, какие номиналы выбирать, а иногда даже дают готовый рисунок печатной платы. Надо лишь немного знать английский 🙂

Принцип работы импульсного БП

Схема нашего преобразователя

Рисунок печатной платы

А сейчас, в порядке практического задания, под моим чутким руководством, ты построишь себе универсальный зарядник для сотового телефона, который можно будет подключать к любому источнику постоянного или переменного напряжения от 8 до 40 вольт. И неважно, что это будет, хоть бортовая сеть автомобиля, связка батареек или какой-нибудь совершенно левый блок питания от свитча или модема, лишь бы не меньше восьми и не больше сорока вольт.

Анализируем задание
Итак, по техзаданию, у нас на входе напряжение может быть как постоянным, так и переменным. А на входе DC-DC должно быть всегда постоянное. Что делать? Правильно, выпрямлять! Перечитай про выпрямители в первой части статьи и воткни на входе схемы диодный мост.

Можно и без него, но тогда источники переменного тока отпадают как класс, да и тебе придется каждый раз определять полярность питающего источника, а это моветон. Поскольку после моста напряжение все равно будет пульсирующим, то повесь в параллель конденсатор. Он его немного сгладит.

Дальше ШИМ контроллер, я рекомендую широко распространенный и любимый всеми электронщиками МС34063х, где на месте «х» может быть любая буква, обычно «А». Тебе он нужен в DIP-8 корпусе, с длинными выводами который.

Надеюсь, ты уже выучил все популярные типы корпусов и теперь сразу представляешь себе как он выглядит. Дальше открываем с диска даташитину и смотрим схему понижающего преобразователя, зовется она Step-Down. Подключаем ее как есть, не меняя ничего. Общий или земля у нас это традиционно минус, а плюс Vin.

Выходом служит Vout в качестве плюса, а в качестве минуса все тот же общий провод. Вот тут главное не перепутать подключение к мобильнику. Поэтому посмотри тестером полярность подачи напряжения на разъем твоей мобилы.

Точный расчет – главное качество инженера!
Такс, схему мы набросали, осталось только ее сконфигурировать. Это не цифровое устройство, поэтому конфигурация тут задается установкой необходимых номиналов резисторов.

Резистор Rsc я обычно заменяю на перемычку из куска провода. Его величина определяет перегрузочную способность. При перемычке преобразователь выдаст все, на что он способен, но может сгореть если от него потребовать невозможное.

Наличие там резистора на 0.33 ома заставит преобразователь заглохнуть при предельной для него перегрузке, чем выше сопротивление Rsc тем при меньшей нагрузке заглохнет преобразователь.

Иногда полезно, когда тебе надо ограничить максимальный выходной ток со стороны источника.

Дроссель L1 выбирается только исходя из индуктивности и перегрузочного тока. На схеме указан дроссель индуктивностью 220 микроГенри, а ток у него должен быть не меньше 500-600 миллиампер (средний ток зарядки любого современного сотового).

Дроссель можно купить готовый, можно намотать самому. В принципе величина индуктивности может очень сильно варьироваться от 50 до 300 микроГенри, работать будет, но КПД возможно снизится. Главное, чтобы по току проходил, иначе будет сильно греться, а потом и вовсе сгорит.

Диод купи тот же, который и указан в схеме, благо он не редкость. Если не найдешь точно такой, то возьми любой диод Шоттки с расчетным током не меньше одного ампера.

Диод Шоттки отличается от обычного диода тем, что у него дикое быстродействие. При смене направления напряжения он закрывается в порядке быстрей чем обычный, не допуская даже малейших утечек тока в обратную сторону.

Через него будет замыкаться цепь катушка – конденсатор – нагрузка, когда транзистор в микросхеме закроется.

Теперь надо задать выходное напряжение. Для этого тебе надо взять тестер и померить сколько вольт выдает твой зарядник для сотового. У меня все зарядники выдают примерно по 7 вольт.

Порывшись в даташите нахожу формулу зависимости выходного напряжения от резисторов R1 и R2
Для Step-Down схемы выглядит она так: Vout=1.25(1+R2/R1).

Чтобы получить напряжение в 7 вольт сопротивление R2 должно быть 4.7 кОм, а R1 должен быть равен 1 кОм. Получим 7.

125 вольта, но это не страшно, невелика погрешность и эти излишки все равно упадут где-нибудь на потерях в проводах. Собственно вот и все, вот мы и разработали с тобой универсальный преобразователь для своих девайсов. Теперь осталось только протравить плату и спаять.

Главное НИ В КОЕМ СЛУЧАЕ НЕ СОВАТЬ этот зарядник в РОЗЕТКУ, т.к. там напряжение 220 вольт, а наша схема расчитана на 40 вольт максимум!

Именно два таких преобразователя на 3.3 и на 5 вольт стоят в силовом блоке моего робота.

Кстати, если покопаешься в даташите, то найдешь там и повышающую схему, зовется Step-Up.

Если выкинуть нафиг диодный мост (за ненужностью) и собрать всю конструкцию по Step-Up схеме, то ты сможешь заряжать сотовый телефон от трех, а то и двух пальчиковых батареек, если хватит трех вольт для раскачки микросхемы.

Также тебе никто не мешает порыться в инете и найти DC-DC преобразователь, работающий от 1, а то и от 0.5 вольт и сделать на нем повышающий преобразователь.

Полная версия статьи опубликована в журнале «Хакер» за август 2008

Широтно Импульсная Модуляция (ШИМ, PWM) — DRIVE2

Все микропроцессоры работают с цифровыми сигналами, т.е. с логическим нулем (0 В), или логической единицей (5 В или 3.3 В). Поэтому микропроцессор не может сформировать на выходе промежуточное напряжение. Использование для этих целей внешних ЦАП (www.drive2.

ru/b/2558751/) — сложно и задействует сразу много ножек микропроцессора, что неудобно. В этих случаях применяют Широтно-импульсную модуляцию (ШИМ, англ. pulse-width modulation (PWM)) — процесс управления мощностью, подводимой к нагрузке, путём изменения скважности импульсов, при постоянной частоте.

Широтно-импульсная модуляция представляет собой периодический импульсный сигнал.Существуют цифровые и аналоговые ШИМ. Принцип их работы остается одинаковым вне зависимости от исполнения и заключается в сравнении двух видов сигналов:Uоп – опорное (пилообразное, треугольное) напряжение;Uупр – входное постоянное напряжение.

Cигналы поступают на компаратор, где они сравниваются, а при их пересечении возникает / исчезает (или становится отрицательным) сигнал на выходе ШИМ.

Выходное напряжение Uвых ШИМ имеет вид импульсов, изменяя их длительность, мы регулируем среднее значение напряжения (Ud) на выходе ШИМ:

Скважность сигнала при однополярной ШИМ

Однополярная модуляция означает, что происходит формирование импульсов только положительной величины и имеет место нулевое значение напряжения

Скважность импульсов

Если сформированный таким образом сигнал подать на объект, обладающий фильтрующими свойствами, например, на двигатель постоянного тока или лампу накаливания, то объект будет использовать среднюю мощность сигнала.Т.е.

мощность, потребляемая объектом управления, пропорциональна скважности сигнала ШИМ, при условии, что период импульсов ШИМ на порядок меньше минимальной постоянной времени объекта.

ШИМ может быть встроенным выходом микропроцессора, может быть организована отдельно на выходе микропроцессора с обычным цифровым выходом.

• Преимущество использования ШИМ — это легкость изменения величины напряжения при минимальных потерях.
• Параметры ШИМ
• Период тактирования T определяет через какие промежутки времени подаются импульсы.
• Длительность импульса — величина показівающая время в течении которого подается сигнал t, с;

Скважность — Соотношение длины импульса (τ) к периоду тактирования (T); пропорционально модулирующей величине. Коэффициент заполнения обычно отображают в процентах (%).

Коэффициент заполнения D – величина обратная скважности.Несмотря на то, что скважность и коэффициент заполнения могут использоваться в одинаковом контексте, физический смысл их отличается.

1. Эти величины безразмерны.
2. PS ШИМ может быть реализован не только при помощи микроконтроллеров, но и на аналоговой базе. Например, простейший ШИМ на основе мультивибратора из двух транзисторов:

описание его работы здесь — cxem.net/house/1-277.phpМоя версия этого регулятора — www.drive2.ru/b/456409476786815382/

Точный и быстрый преобразователь цифрового сигнала ШИМ в аналоговое напряжение — LTC2644, LTC2645, LTC3850

• Журнал РАДИОЛОЦМАН, май 2015
• Mark Thoren and Chad Steward, Linear Technology
• Design Note 538

Введение

Широтно-импульсная модуляция (ШИМ) является распространенным методом формирования аналоговых напряжений с помощью цифровых устройств, таких, например, как микроконтроллеры или ПЛИС.

В большинстве микроконтроллеров имеются специализированные периферийные блоки, предназначенные для формирования ШИМ, а для генерации сигналов ШИМ средствами ПЛИС достаточно написать лишь несколько строк RTL-кода.

Эта технология исключительно проста и практична в случаях, когда требования к параметрам аналоговых сигналов не слишком строги, поскольку для ее реализации требуется всего один выход микросхемы, а количество необходимых строк программного кода, несоизмеримо меньше того, что потребовалось бы в случае использования цифро-аналогового преобразователя (ЦАП) с интерфейсом SPI или I2C. На Рисунке 1 приведен типичный пример приложения с цифровым выводом, выходной сигнал которого превращается в аналоговое напряжение с помощью фильтра.

Рисунок 1.	Простейший преобразователь ШИМ-аналог.

Не нужно копать очень глубоко, чтобы обнаружить бесчисленные недостатки этой схемы. 12-битный аналоговый сигнал в идеале должен иметь пульсации менее величины младшего значащего разряда, что в случае, если частота ШИМ будет равна 5 кГц, потребует фильтра нижних частот с частотой среза 1.2 Гц.

Импеданс выхода аналогового напряжения, определяемый сопротивлением резистора фильтра, из-за необходимости сохранения приемлемых габаритов конденсатора может оказаться слишком большим. Таким образом, выход может работать только на высокоомную нагрузку. Наклон характеристики преобразования ШИМ в аналоговый сигнал зависит от напряжения питания микроконтроллера, возможно, неточного.

Более тонкий эффект обусловлен несовпадением эффективных выходных сопротивлений цифрового вывода в противоположных логических состояниях, которые для сохранения необходимой линейности должны быть значительно меньше, чем сопротивление резистора фильтра.

И, наконец, для того, чтобы выходное напряжение оставалось постоянным, сигнал ШИМ должен быть непрерывным, что может оказаться проблематичным, если потребуется перевести процессор в режим останова с низким потреблением мощности.

Этот преобразователь ШИМ-аналог лучше?

Рисунок 2 иллюстрирует попытку исправить эти недостатки. Благодаря выходному буферу появилась возможность использования в фильтре высокоомных резисторов при сохранении низкого импеданса аналогового выхода.

За счет использования внешнего КМОП буфера, получающего питание от прецизионного опорного источника, повысилась точность коэффициента передачи, так как границами изменения сигнала ШИМ теперь стали земля и точное положительное напряжение.

Эта схема, безусловно, работоспособна, однако требует большого количества компонентов, не позволяет сделать время установления лучше, чем 1.1 с, и не содержит никаких механизмов, с помощью которых было бы возможно «удерживать» аналоговое напряжение при отключенном сигнале ШИМ.

Рисунок 2.	Усовершенствованный преобразователь ШИМ-аналог.

Усовершенствованный преобразователь ШИМ-аналог

Микросхемы LTC2644 и LTC2645 представляют собой сдвоенный и счетверенный преобразователи ШИМ-напряжение на основе ЦАП, содержащие внутренний источник опорного напряжения со стабильностью 10 ppm/°C и обеспечивающие 8-, 10- или 12-разрядную точность преобразования сигналов ШИМ. LTC2644 и LTC2645 снимают все перечисленные проблемы прямым измерением коэффициента заполнения входного сигнала ШИМ и отправкой соответствующего 8-, 10- или 12-разрядного кода на высокоточный ЦАП по каждому нарастающему фронту (Рисунок 3).

Рисунок 3.	4-канальный преобразователь ШИМ-аналог.

Внутренний источник опорного напряжения 1.25 В определяет полную шкалу выходных напряжений 2.5 В. Иное значение напряжения полной шкалы можно получить, используя внешний источник опорного напряжения.

Для установки уровня входного цифрового сигнала используется отдельный вывод IOVCC, позволяющий напрямую подключать к микросхемам как ПЛИС с напряжением питания 1.

8 В, так и 5-вольтовые микроконтроллеры, а также устройства с любым другим напряжением питания, лежащим внутри этого диапазона. В техническом описании гарантируются отличные точностные характеристики:

• напряжение смещения 5 мВ,
• максимальная ошибка усиления 0.8%,
• максимальная интегральная нелинейность 2.5 единицы младшего разряда (12 бит).

Время установления, отсчитанное от переднего фронта входного сигнала ШИМ до момента, когда уровень выходного напряжения достигает точности 0.024% (веса единицы младшего разряда 12-битного ЦАП), составляет 8 мкс. Для 12-битных версий микросхем диапазон частот входных сигналов ШИМ составляет 30 Гц … 6.25 кГц.

Многообразие режимов выхода

На Рисунке 4 показано типичное приложение с подстройкой питания, основанное на использовании еще одной уникальной функции LTC2644.

Подключение вывода IDLSEL к напряжению высокого уровня устанавливает режим выборки/хранения, в котором выходы при включении схемы будут находиться в высокоимпедансном состоянии (без подстройки), а непрерывный входной сигнал высокого уровня переведет его в режим постоянного удержания, в то время как непрерывный сигнал низкого уровня установит состояние высокого импеданса. Таким образом, при включении схемы можно выполнить однократную подстройку напряжения питания, подав на вход напряжение высокого уровня после однократного импульса ШИМ. Низким уровнем на входе ШИМ схему можно аккуратно вывести из режима подстройки. Соединением выводов IDLSEL и GND задается «прозрачный режим», в котором продолжительное удержание высокого уровня на входе устанавливает на выходе полную шкалу напряжений, а удержание низкого уровня – нулевую шкалу.

Рисунок 4.	Приложение с подстройкой питания.

Заключение

Не отчаивайтесь, если вам придется лицом к лицу столкнуться с ограничениями стандартных технологий преобразования ШИМ в аналоговое напряжение. LTC2645 делает возможным точное и быстрое получение аналоговых напряжений из выходных сигналов ШИМ при небольшом числе используемых компонентов и простом программном коде.

Материалы по теме