Cómo construir osciladores programables usando potenciómetros digitales

Los potenciómetros digitales (digiPOT) son versátiles y se pueden utilizar en una amplia variedad de aplicaciones, por ejemplo, para filtrar o generar señales de CA. Sin embargo, a veces la frecuencia debe poder variarse y adaptarse a la aplicación deseada. Las soluciones programables que permiten ajustar la frecuencia a través de una interfaz adecuada son extremadamente útiles en tales diseños y, en algunos casos, pueden facilitar enormemente el desarrollo. En este artículo se describe un método para construir con relativa facilidad un oscilador programable en el que la frecuencia y la amplitud de oscilación se pueden ajustar de forma independiente entre sí mediante el uso de digiPOT. La figura 1 muestra un oscilador de puente de Wien estabilizado por diodo típico con el que se pueden obtener señales sinusoidales precisas en el rango de aproximadamente 10 kHz a 200 kHz en la salida (VOUTPUT). Los osciladores de puente de Wien se caracterizan por el hecho de que una ruta de puente está formada por un filtro de paso de banda y la otra por un divisor de voltaje. Este ejemplo utiliza, además del amplificador de precisión de riel a riel ADA4610-1, el digiPOT AD5142, que contiene dos potenciómetros controlables de forma independiente, cada uno con una resolución de 256 pasos. La programación de los valores de resistencia se realiza a través de un SPI, como se muestra en la Figura 2. Alternativamente, se puede usar el AD5142A, que se puede controlar a través de un I2C. Ambas variantes están disponibles como potenciómetros de 10 kΩ o 100 kΩ. Figura 1. Oscilador de puente de Wien programable con estabilización de amplitud en el que las resistencias se reemplazan por digiPOT. Figura 2. Diagrama de bloques del AD5142. En el circuito oscilador clásico que se muestra en la Figura 1, la ruta con R1A, R1B, C1 y C2 forma la retroalimentación positiva, mientras que la retroalimentación negativa se proporciona a través de R2A, R2B y los dos diodos paralelos D1 y D2, o su resistencia RDIODE. Aquí se aplica la Ecuación 1: Para lograr una oscilación estable sostenida, es necesario eliminar el cambio de fase de la ganancia del bucle. Expresado por fórmulas, se obtiene el siguiente término para la frecuencia del oscilador: Aquí, R es el valor de resistencia programable en el AD5142: D es el equivalente decimal del código digital programado en el AD5142, y RAB es la resistencia total del potenciómetro. Para mantener la oscilación, el puente de Wien debe estar relativamente equilibrado, es decir, la ganancia de la retroalimentación positiva y la ganancia de la retroalimentación negativa deben estar coordinadas. Si la retroalimentación positiva (ganancia) es demasiado grande, la amplitud de oscilación o VOUTPUT aumentará hasta que el amplificador se sature. Si domina la retroalimentación negativa, entonces la amplitud se atenuará en consecuencia. Para el circuito que se muestra aquí, la ganancia R2/R1 debe establecerse en aproximadamente 2 o algo más. Esto asegura que la señal comience a oscilar. Sin embargo, el encendido alterno de los diodos en el bucle de retroalimentación negativa también hace que la ganancia sea temporalmente inferior a 2 y, por lo tanto, estabiliza la oscilación. Una vez que se determina la frecuencia de oscilación deseada, la amplitud de la oscilación se puede ajustar independientemente de la frecuencia a través de R2. Esto se puede calcular de la siguiente manera: las variables ID y VD representan, respectivamente, la corriente directa del diodo y el voltaje directo del diodo a través de D1 y D2. Si R2B está en cortocircuito, se produce una amplitud de oscilación de aproximadamente ±0.6 V. Con el orden de magnitud correcto para R2B, se puede lograr el equilibrio para que VOUTPUT converja. En el circuito que se muestra en la Figura 1, se usa un digiPOT de 100 kΩ separado para R2B. Conclusión Con el circuito descrito y un digiPOT dual de 10 kΩ, se pueden sintonizar frecuencias de oscilación de 8.8 kHz, 17.6 kHz y 102 kHz con valores de resistencia de 8 kΩ, 4 kΩ y 670 Ω, respectivamente, con un error de baja frecuencia de solo ±3%. También son posibles frecuencias de salida más altas con un efecto sobre el error de frecuencia. Por ejemplo, a 200 kHz, el error de frecuencia aumentará al 6%. Al utilizar dichos circuitos en aplicaciones dependientes de la frecuencia, también es importante no violar el límite de ancho de banda de un digiPOT, ya que es una función de la resistencia programada. Además, la sintonización de frecuencia en la Figura 1 requiere que los valores de resistencia para R1A y ​​R1B sean los mismos. Sin embargo, los dos canales solo pueden configurarse sucesivamente y conducir a un estado intermedio crítico momentáneo. Esto podría ser inaceptable para ciertas aplicaciones. En tales casos, es posible utilizar digiPOT con modo de conexión en cadena (por ejemplo, AD5204) para permitir que ambos valores de resistencia cambien al mismo tiempo.

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