Простая схема превращает сигнал ШИМ в точное опорное напряжение с цифровым управлением

Журнал РАДИОЛОЦМАН, октябрь 2019

Rick Mally

Electronic Design

Для реализации фильтра нижних частот второго порядка Саллена-Ки и схемы сдвига уровня в этой конструкции используется широко распространенный шунтовой регулятор LM431

Во многих схемах требуется преобразование сигнала широтно-импульсной модуляции (ШИМ) микропроцессора в аналоговое напряжение. Часто пассивный однополюсный RC-фильтр вполне удовлетворяет проектным требованиям, но этому подходу обычно присущи некоторые недостатки, включая большое время отклика, зашумленные результаты и отсутствие буферизации.

Рисунок 1.	Шунтовой регулятор выполняет функцию элемента обратной связи в фильтре нижних частот Саллена-Ки, преобразуя ШИМ сигнал размахом 5 В в постоянное напряжение между –2.5 В и +2.5 В, пропорциональное коэффициенту заполнения импульсов ШИМ.

В описанной здесь схеме для реализации фильтра нижних частот второго порядка Саллена-Ки и одновременного сдвига уровня используется вездесущий шунтовой регулятор LM431 (Рисунок 1). По сравнению с традиционным подходом, она обеспечивает гораздо более крутой спад, а также биполярный выход с низким импедансом. Схема будет вырабатывать выходное напряжение от –2.5 до + 2.5 В в соответствии с входным сигналом ШИМ, изменяющимся между уровнями 0 и 5 В. Значение выходного напряжения равно

(5 В × D) – 2.5 В,

где D – коэффициент заполнения импульсов ШИМ, изменяющийся от 0.0 до 1.0 (от 0% до 100%).

Показанные на схемы номиналы компонентов обеспечивают плоский отклик с частотой среза около 2300 Гц, спад –12 дБ/октава и нагрузочную способность порядка 3 мА. Частоту среза можно легко изменять, меняя номиналы R1 и R2 или C1 и C2, однако при этом важно сохранять равенство сопротивлений R1 и R2, а емкость C2 должна оставаться равной примерно половине емкости C1.

Удвоение номинала резистора или конденсатора снижает частоту среза наполовину. Уменьшение любых номиналов вдвое удваивает частоту среза. Варьируя сопротивление резистора R3, можно увеличить выходной ток или снизить потребляемую мощность. Напряжение шины 5 В не должно быть точным и может иметь более высокое значение. Необходимо только, чтобы размах входного сигнала ШИМ составлял точно 5 В.

Поскольку в схеме используется лишь шесть компонентов, она может быть очень недорогой. LM431 в единичных количествах можно купить всего за 10 центов, что значительно ниже цены любого операционного усилителя.