Comment construire des oscillateurs programmables à l'aide de potentiomètres numériques

Les potentiomètres numériques (digiPOT) sont polyvalents et peuvent être utilisés dans une grande variété d'applications, par exemple pour filtrer ou générer des signaux alternatifs. Cependant, parfois la fréquence doit pouvoir être variée et adaptée à l'application souhaitée. Des solutions programmables permettant de régler la fréquence via une interface appropriée sont extrêmement utiles dans de telles conceptions et, dans certains cas, peuvent grandement faciliter le développement. Une méthode de construction relativement facile d'un oscillateur programmable dans lequel la fréquence et l'amplitude d'oscillation peuvent être ajustées indépendamment l'une de l'autre à l'aide de digiPOT est décrite dans cet article. La figure 1 montre un oscillateur à pont de Wien stabilisé par diode typique avec lequel des signaux sinusoïdaux précis dans la plage d'environ 10 kHz à 200 kHz peuvent être obtenus à la sortie (VOUTPUT). Les oscillateurs à pont de Wien se caractérisent par le fait qu'un chemin de pont est formé par un filtre passe-bande et l'autre par un diviseur de tension. Cet exemple utilise, en plus de l'amplificateur de précision rail à rail ADA4610-1, le digiPOT AD5142, qui contient deux potentiomètres contrôlables indépendamment, chacun avec une résolution de 256 pas. La programmation des valeurs de résistance se fait via un SPI, comme le montre la figure 2. Alternativement, l'AD5142A, qui peut être contrôlé via un I2C, peut être utilisé. Les deux variantes sont disponibles en potentiomètres 10 kΩ ou 100 kΩ. Figure 1. Oscillateur programmable à pont de Wien avec stabilisation d'amplitude dans lequel les résistances sont remplacées par des digiPOT. Figure 2. Schéma fonctionnel de l'AD5142. Dans le circuit oscillateur classique illustré à la figure 1, le chemin avec R1A, R1B, C1 et C2 forme la rétroaction positive, tandis que la rétroaction négative est fournie via R2A, R2B et les deux diodes parallèles D1 et D2, ou leur résistance RDIODE. Ici, l'équation 1 s'applique : pour obtenir une oscillation stable et soutenue, il est nécessaire d'éliminer le déphasage du gain de boucle. Exprimé par des formules, le terme suivant est donné pour la fréquence de l'oscillateur : Ici, R est la valeur de résistance programmable sur l'AD5142 : D est l'équivalent décimal du code numérique programmé dans l'AD5142, et RAB est la résistance totale du potentiomètre. Pour maintenir l'oscillation, le pont de Wien doit être relativement équilibré, c'est-à-dire que le gain de la rétroaction positive et le gain de la rétroaction négative doivent être coordonnés. Si la rétroaction positive (gain) est trop importante, l'amplitude d'oscillation ou VOUTPUT augmentera jusqu'à ce que l'amplificateur sature. Si la rétroaction négative domine, l'amplitude sera en conséquence amortie. Pour le circuit illustré ici, le gain R2/R1 doit être réglé sur environ 2 ou un peu plus. Cela garantit que le signal commence à osciller. Cependant, l'allumage alterné des diodes dans la boucle de contre-réaction fait également que le gain est temporairement inférieur à 2 et stabilise ainsi l'oscillation. Une fois la fréquence d'oscillation souhaitée déterminée, l'amplitude d'oscillation peut être réglée indépendamment de la fréquence via R2. Ceci peut être calculé comme suit : Les variables ID et VD représentent ainsi respectivement le courant direct de la diode et la tension directe de la diode aux bornes de D1 et D2. Si R2B est court-circuité, une amplitude d'oscillation d'environ ± 0.6 V est produite. Avec l'ordre de grandeur correct pour R2B, l'équilibre peut être atteint de sorte que VOUTPUT converge. Dans le circuit illustré à la figure 1, un digiPOT séparé de 100 kΩ est utilisé pour R2B. Conclusion Avec le circuit décrit et un double digiPOT de 10 kΩ, les fréquences d'oscillation de 8.8 kHz, 17.6 kHz et 102 kHz peuvent être réglées avec des valeurs de résistance de 8 kΩ, 4 kΩ et 670 Ω, respectivement, avec une erreur de basse fréquence de seulement ±3%. Des fréquences de sortie plus élevées sont également possibles avec un effet sur l'erreur de fréquence. Par exemple, à 200 kHz, l'erreur de fréquence augmentera jusqu'à 6 %. Lors de l'utilisation de tels circuits dans des applications dépendantes de la fréquence, il est également important de ne pas violer la limite de bande passante d'un digiPOT car elle est fonction de la résistance programmée. De plus, le réglage de fréquence de la figure 1 nécessite que les valeurs de résistance pour R1A et R1B soient les mêmes. Cependant, les deux canaux ne peuvent être réglés que successivement et conduisent à un état intermédiaire critique momentané. Cela peut être inacceptable pour certaines applications. Dans de tels cas, il est possible d'utiliser des digiPOT en mode guirlande (par exemple, AD5204) pour permettre aux deux valeurs de résistance de changer en même temps.

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