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Spannungssignale manipulieren – der Digital-Analog-Multiplizierer

Manchmal muss man die Amplitude von Spannungssignalen mit einem Mikrocontroller manipulieren. Um ein Eingangssignal mit einem gewünschten Faktor zu multiplizieren, haben wir einige Möglichkeiten…

Die naheliegende Lösung wäre natürlich ein digitales Potenziometer, wie man es in unterschiedlichen Ausführungen von verschiedenen Halbleiterherstellern erhält. Leider haben digitale Potenziometer nur eine eingeschränkte Genauigkeit. Vor allem ihr absoluter Widerstand kann um bis zu +-20% schwanken und die deutliche Temperaturabhängigkeit der Werte stört auch. Natürlich kann man die Ungenauigkeiten mit einigem Aufwand herausrechnen oder durch ein geschicktes Design kompensieren. Digitale Potenziometer sind aber auch recht teuer, nicht besonders robust sowie nur für einen eingeschränkten Versorgungsspannungsbereich geeignet (ja, es gibt einige teure Ausnahmen…). Für einen schnellen Prototypen auf Lochraster sind die Gehäuse zudem allesamt ziemlich lötunfreundlich.

Eine weitere Lösung ist, das Eingangssignal mit einem ADC zu digitalisieren und mit einem DAC ein davon abhängiges Ausgangssignal zu generieren. Das Hauptproblem dieser Lösung ist die kaum zu verhindernde Latenz zwischen Eingang und Ausgang. Wenn der Signalpfad zudem hochauflösend sein muss, braucht man (teure und aufwändig zu beschaltende) externe ADCs und DACs, da die in den Mikrocontrollern eingebauten Lösungen bei etwas größeren Ansprüchen nicht mehr ausreichen.

Kommen wir zu der hier behandelten Alternative: Der Digital-Analog-Multiplizierer.

Das Grundprinzip ist sehr simpel: Es wird eine Pulsweitenmodulation (PWM) des Eingangssignals durchgeführt. Diese wird dann verdoppelt und gefiltert, um das gewünschte Ausgangssignal zu erhalten. Bei 50% Puls-Pausenverhältnis beispielsweise erhält man dann die halbe Ausgangsspannung, nach Verdopplung und Filterung entspricht es wieder dem Eingangssignal. Unser Spielraum liegt also zwischen „null“ und dem doppelten Eingangssignal.

Als Eingangsstufe wird ein Schutzwiderstand RP, zwei Überspannungsschutzdioden (D1 und D2) (bevorzugt schnelle Schottkydioden) und ein Filterkondensator CF eingesetzt. Die Werte müssen natürlich so angepasst werden, dass es zu keiner nennenswerten Signalverfälschung kommt (der so entstandene Tiefpassfilter darf das Eingangssignal im interessanten Frequenzbereich nicht verfälschen). Eine ausreichende Spannungsfestigkeit von Kondensator und Widerstand ist in exponierten Umgebungen sehr zu empfehlen, also darf man keine allzu kleinen Baugrößen nehmen.

Ein OPV-Spannungsfolger sorgt für die oft notwendige hohe Eingangsimpedanz. Wichtig sind ein möglichst geringer Offsetfehler und ein ausreichender Eingangsspannungsbereich. Bei geringer Versorgungsspannung wird man zu einem Rail-to-Rail OPV greifen. Es gibt eine riesige Auswahl an geeigneten Bauteilen.

Es folgt ein Analogschalter, mit dem mit dem PWM-Steuersignal zwischen der Eingangsspannung und Masse hin- und hergeschaltet wird. Auch beim Analogschalter muss man den Eingangsspannungsbereich beachten. Der ON-Widerstand des Schalters ist hingegen unwichtig. Ein simpler 74HC4052 ist absolut ausreichend, auch bei höheren Anforderungen gibt es genügend Auswahl an Bauteilen.

Der Filter muss die PWM-Schaltfrequenz ausreichend unterdrücken. Es empfiehlt sich der Einsatz eines Filterberechnungsprogramms wie dem von mir immer wieder empfohlenen kostenlosen FilterPro Desktop von Texas Instruments. Man gibt die Grenzfrequenz und einige weitere Parameter wie die Verstärkung und die Filterordnung ein und erhält ein fast fertiges Design, auf Wunsch sogar mit leicht erhältlichen Standartwerten für Kondensatoren und Widerstände.

Im Beispielschaltplan sieht man ein Sallen-Key-Filter 2. Ordnung mit Widerständen und Kondensatoren aus der E12-Reihe und ca. 125Hz Grenzfrequenz. Eine PWM-Frequenz von 10kHz wird mit über 75dB gedämpft, was mehr als genug sein sollte- die Grenzfrequenz des Filters könnte sogar noch hinaufgesetzt oder die PWM-Frequenz verringert werden. Sind R3 und R4 gleich groß, hat man die gewünschte Verstärkung von 2. Man kann die Schaltung auch auf einen anderen Regelbereich anpassen. Wenn man die Eingangsspannung nur abschwächen will, nimmt man sinnvollerweise einen Ausgangsfilter ohne Verstärkung. 100% PWM ergeben dann 100% Eingangssignal am Ausgang und mit 50% PWM erhält man die halbe Eingangsspannung am Ausgang.

Wenn der Ausgang des OPVs nennenswert (kapazitiv) belastet wird, muss man natürlich einen hierfür geeigneten Typ einsetzen. Ein kleiner Serienwiderstand Ro kann gegen Schwingungen des OPVs bei kapazitiven Lasten helfen, natürlich auf Kosten der Ausgangsimpedanz. Mit diesem Widerstand kann man die Schaltung auch auf die Impedanz des originalen Eingangssignals anpassen, sodass eine folgende Auswerteschaltung keinen Unterschied zum Originalsignal bemerkt. admultiplex

 Schaltplan mit Eingangsstufe, analogem Schalter und Filterschaltung.

Durch Änderung des PWM-Verhältnisses kann der Ausgangswert in Abhängigkeit vom Eingang eingestellt werden. So hat man z.B. bei 55% PWM-Verhältnis am Ausgang 110% des Eingangssignals. Natürlich nur, wenn man die Aussteuergrenzen der Operationsverstärker und des Analogschalters nicht überschreitet, was man durch eine geeignete Wahl der Versorgungsspannungen und vor allem der Bauteile sicherstellen kann.

Die Schaltung ist simpel und wenn man bei der Bauteilauswahl aufpasst auch ziemlich präzise. Der Regelbereich ist sehr groß und praktisch nur durch die Höhe der Versorgungsspannungen begrenzt.

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