数字电位器模拟对数抽头,以准确设置增益

winniewei 提交于 周三, 08/07/2019
数字电位器模拟对数抽头,以准确设置增益

数字电位器(dpots)是无处不在的组件,可提供各种封装,电阻和分辨率。然而,除了通常的电阻与设置的线性函数之外,很少实现任何东西。这一事实给需要宽幅(即数十年)动态增益调整范围的应用带来了麻烦。

想象一下,例如,一个增益放大器,使用8位(1/256)分辨率电位器设置在0到10,000(80dB)的范围内。电位器设置和电阻(线性锥度)之间存在线性关系,dpot设置和增益之间将存在线性关系。256个电位器设置中的每一个中的一个步骤表示大约40的增益变化增量(即,增益步长将是0,40,80,120,160等)。

对于8或更高的dpot设置(增益> 300),这在增益设置中提供了相当好的分辨率,允许每步增益控制在1dB或更低。然而,低于8的设置,增益分辨率严重恶化。例如,如果您需要将增益设置为100或更低,则可以忘记以任何有意义的精度命中必要的值。您唯一的选择是大约80或大约120. 

如果有一个准确,稳定,高分辨率的数字电位器,其对数锥度(电阻的对数与设置成比例)可用,那么很容易安排一个增益控制电路,提供一个在整个调整范围内以dB /增量表示的恒定分辨率。不幸的是,不存在具有良好分辨率(例如,每步<6dB)的对数数字电位器(log dpots)。

但一切都不会丢失。设计思想中呈现图1实现与普通线性变化锅(例如,ADI的廉价的双极AD5200)的近似对数增益控制。

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图1 线性数字电位器模拟对数锥度

如果Dx(上图)表示游标设置(0 - 255),那么如果我们零碎地解决放大器增益Vout / Vin与Dx的设计公式,则很容易。首先,求解作为Vin函数的抽头电压(Vw):

  1. Vw = -Vin R AB Dx /(255 R1)

接下来,将Vout作为Vw的函数求解:

  1. Vout = -Vw 255 R2 /(R AB(255 - Dx))

然后结合方程1和2:

  1. 增益= Vout / Vin = -Vw 255 R2 /(R AB(255 - Dx))/( - Vin R AB Dx /(255 R1))
  2. 增益=(R2 / R1)(Dx /(255 - Dx))
  3. Dx = 255增益(R1 / R2)/(1 +增益(R1 / R2))

而且当然:

  1. dB(增益)= 20 Log 10((R2 / R1)(Dx /(255 - Dx)))

  1. 增益= 10 dB / 20

我们得到:

  1. Dx = 255 10 dB / 20(R1 / R2)/(1 + 10 dB / 20(R1 / R2))
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图2 dB增益(左边的y轴)和增益设置分辨率(右边的y轴)与Dx(x轴)的关系
 

得到的增益方程的有趣特征包括:
  1. Dx /(255 - Dx)的承诺(近似)对数行为。如图2所示,R2 / R1 = 100,Dx = 8,增益= ~10dB; Dx = 23,产生20dB; 128给出40dB; 232给出60dB; 和247给出70dB。在整个60dB = 1,000到1范围内,增益设置分辨率不会低于1dB,这一点尤为重要。另外,Dx = 0设置增益为零,而Dx = 255选择开环。
  2. 使用电位器刮水器作为输入端子的策略有效地将刮水器触点移动到放大器A1(图1)的反馈回路内部,从而将其作为误差项移除并改善增益设置的时间和温度稳定性。 
  3. 同时,在A1反馈和A2输入(图1)上使用RAB电阻元件将RAB容差和温度系数(温度系数)的灵敏度进行比率(AD5200中+/- 30%和500ppm / oC),留下R1和R2作为增益集准确性的唯一主导因素。

如果需要优于8位(1/256)分辨率,10位AD5292等器件可以放入拓扑中,以获得4倍更高的增益设置精度。只需记住在增益方程中出现255的任何地方替换1023!或者,更一般地说,如果N =位数:

可以放入拓扑中以获得4倍更高的增益设置精度。只需记住在增益方程中出现255的任何地方替换1023!或者,更一般地说,如果N =位数:

  1. Dx =(2 N - 1)增益(R1 / R2)/(1 +增益(R1 / R2))
- W. Stephen Woodward EDN 最富有创新的设计理念作者之一,也是仪表,传感器和计量自由顾问。

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