Модулятор преобразует аналоговый сигнал в последовательность двоичных импульсов, плотность следования которых пропорциональна исходному аналоговому сигналу.
Простейший преобразователь аналогового сигнала состоит из компаратора, ЦАП и логической схемы (см. рис. 1). Управление осуществляется дискретной логической схемой, ПЛИС или процессором.
Рис. 1. Схема, позволяющая с точностью ЦАП определить величину входного аналогового сигнала
Базовый алгоритм обработки предельно прост: значение ЦАП инкрементируется до получения правильного значения. В то же время можно воспользоваться сложной процедурой предсказания. Наиболее распространенный подход – использовать двоичный поиск (метод последовательного приближения).
Недорогой ЦАП можно получить, пропустив сигнал ШИМ через RC-фильтр. Выходной сигнал пропорционален логическому напряжению и плотности следования импульсов D:
VDAC = VLogic • D (1)
Если граничная частота RC-фильтра достаточна для удаления пульсаций, выходной сигнал ЦАП при амплитуде импульсов ШИМ 5 В и 40% рабочим циклом составит 2 В. На рисунке 2 показано, что получится, если заменить ЦАП на фильтр.
Рис. 2. Замена ЦАП на фильтр позволяет снизить стоимость схемы
В этой схеме логические элементы должны обеспечивать плотность следования импульсов, достаточную для измерения входного сигнала. Есть несколько способов генерировать плотность и контролировать цепь ОС. Один из них приведен на рисунке 3. Сигнал на входе фильтра имеет высокий уровень, когда его выход меньше искомого значения и наоборот.
Рис. 3. Для управления автомодулятором достаточно одного триггера
Зная плотность и амплитуду логических импульсов, можно рассчитать входное аналоговое напряжение по формуле (1).
Достоинства и недостатки
Во-первых, реакция на быстрое изменение входного сигнала не мгновенна. Входной сигнал не должен меняться быстрее, чем может отследить RC-фильтр. Предельная скорость нарастания напряжения задается номиналами R и С.
Заметим, что это свойство схемы не всегда является недостатком. На рисунке 4 показано, что добавление дифференциального усилителя с единичным коэффициентом усиления позволяет генерировать НЧ и ВЧ выходные сигналы.
Рис. 4. Фильтр с ограниченной скоростью нарастания
Фильтры, реагирующие на скорость нарастания, а не фазу сигнала, не звенят. Но их недостаток заключается в том, что они нелинейны, поэтому к ним неприменима классическая теория фильтров. Их следует проектировать в PSPICE с последующим тестированием на стенде.
Входной диапазон ограничивается компаратором. Малое количество компараторов работает хорошо при входном сигнале, близком к напряжению питания или превышающем его. Если требуется работа за пределами синфазного диапазона, следует немного изменить схему (см. рис. 5).
Рис. 5. Коэффициент усиления задается резистором. С помощью напряжения смещения можно регулировать входной диапазон, даже за границами допустимых компаратором значений
Сигнал подается на инвертирующий вход компаратора через резистор Rin. На неинвертирующем входе устанавливают напряжение смещения. Уравнение (2) выражает входной сигнал как функцию плотности и амплитуды импульсов, сопротивления резисторов и напряжения смещения:
Видно, что коэффициент усиления или ослабления входного сигнала задается с помощью соотношения сопротивлений. При RIn > ROut можно измерять сигналы больше напряжения питания компаратора. При RInOutвходной сигнал усиливается, поэтому весь диапазон модулятора можно использовать для преобразования малых сигналов. Напряжение смещения используется для регулировки середины диапазона, которая устанавливается цифро-аналоговым преобразователем или резистивным делителем.
В отсутствие компаратора можно обойтись триггером (см. рис. 6). Здесь использовано свойство, что вход D триггера имеет пороговое напряжение с точно определенным логическим уровнем. Он может составлять половину напряжения питания.
Рис. 6. Использование порогового напряжения триггера в качестве точки сравнения модулятора. Это наиболее простая из возможных схем.
Модуляция и отрицательная обратная связь обеспечиваются путем заведения инвертированного выходного сигнала на D-вход триггера.
Заключение
Оцифровать аналоговый сигнал можно и без готового АЦП. Мы рассмотрели наиболее дешевые и простые альтернативные варианты на основе компаратора и триггера.