Témakör:
Lejtőn fel, lejtőn le – ahogy tetszik
Programozható generátor egyenletesen változó feszültség előállítására
A fűrészjel a tévé és az oszcilloszkóp óta az elektronika nélkülözhetetlen építőköve. De a modern beágyazott elektronika sem lehet meg nélküle – ezzel magyarázható, hogy a Microchip Technology a PIC mikrovezérlők magfüggetlen perifériájaként is megvalósított egy sokoldalú, programozható változatot.
Az idővel arányosan, lineárisan változó feszültségjelet fűrészjelnek nevezzük. Az ilyen jeleket általánosan használják referenciajelként, vagy feszültségjellel vezérelt frekvenciájú (sweep) generátorok vezérlőjeleként, és bármely más áramkörben, ahol időben egyenletesen változó jelekre van szükség. Ilyen jelet azokkal a programozható fűrészgenerátorokkal (Programmable Ramp Generator – PRG) is elő lehet állítani, amelyek számos Microchip PIC® mikrovezérlő perifériái között megtalálhatók, és amelyek további processzor-igénybevétel nélkül működtethetők. A PRG képes pozitív és negatív lejtésű (időben növekvő vagy csökkenő) fűrészjeleket előállítani, amelyeket számos bemeneti jelforrásból származó triggerjellel lehet indítani.
A PRG negatív lejtésű üzemmódjában például a folytonos, áramüzemmódú DC/DC-átalakítók „lejtés-kompenzátoraként” képes a szubharmonikus oszcillációk kiküszöbölésére, és ezzel segít azok kimenetének stabilizálásában, ha a kitöltési tényező meghaladja az 50%-ot.
Az 1. ábrán a PRG fűrészgenerátorának a feladata, hogy állandó árammal táplálja a beépített kondenzátort. A kondenzátoron ennek következtében kialakuló feszültség hozzáadódik a bemeneti feszültséghez vagy kivonódik abból. A fűrészgenerátor működésmódját főként a belső analóg kapcsolók beállításainak kombinációja határozza meg. Az idő függvényében lineárisan változó jel kezdetét és végét a bemeneti időzítőjel-források határozzák meg.
1. ábra A PRG egyszerűsített tömbvázlata
A bemeneti időzítőjel-források
A PRG két választható, független időzítőjel-forrás jeleit kombinálja a kimeneti fűrészjel időzítésének vezérlésére. Ezek a jelforrások származhatnak a PRGxR és F csatlakozópontokra kapcsolt külső bemeneti jelekből vagy más perifériák kimeneti jeleiből.
A felfutó élt indító bemenetet az RTSS regiszter felfutó élét indító időzítőbitek közül, a lefutó élt indító bemenetet pedig az FTSS regiszter lefutó élt indító időzítőbitek közül lehet kiválasztani. Az időzítőjel-forrás polaritását, a „lefutó esemény polaritását” (FPOL) és a „felfutó esemény polaritását” (RPOL) meghatározó bitekkel választhatjuk ki a CON1 regiszterben.
Azonkívül, hogy meghatározhatjuk az időzítőjel-forrását és a polaritását, a bemeneti időzítőjel detektálásának módszerét is megválaszthatjuk. A PRG két esemény-bemenetet detektáló üzemmódja lehet szint- vagy élvezérelt. A felfutó vagy lefutó jelet indító bemeneti jel detektálásának módját a felfutó jelhez tartozó indítási üzemmód (REDG) és a lefutó jelhez tartozó indítási üzemmód (FEDG) határozza meg a CON0 regiszterben.
Általánosságban az élvezérelt működés akkor hasznos, ha az időzítőjelek periodikus forrásból származnak, míg a szintérzékeny üzemmódot inkább akkor érdemes használni, ha a bemenetek feszültségszintek küszöbértékeinek átlépéséből vannak előállítva.
A PRG időzítőjel-forrásai eszközről eszközre változnak. Csak néhányat említünk a már rendelkezésre álló perifériák közül, amelyek a PRG-k időzítőjel-forrásaként használhatók: ilyenek a komparátorok, az impulzusszélesség-modulátor (PWM), a jel elfogására, összehasonlítására és ebből szélességmodulált jel előállítására alkalmas Capture, Compare and PWM (CCP) eszközök kimenetei.
2. ábra A PRG háromszögjel-kimenetének hőmérsékletfüggése nyílt és zárt hurkú működés esetén
Feszültségbemenet-forrásjel
A PRG feszültségbemenet-forrásjele szolgáltatja a feszültségreferenciát az időben lineárisan változó kimenőjel előállításához.
A bemeneti forrásjel bármelyik lehet a következők közül:
- külső feszültségforrás a PRG IN0 vagy IN1 csatlakozópontjairól,
- a beépített fix feszültségű referenciaforrás (Fixed Voltage Reference – FVR) pufferelt kimenete, vagy
- a belső digitál analóg átalakítók (DAC) valamelyikének kimeneti jele.
A műveletierősítő-kimenetek az IN0 és IN1 csatlakozópontokra vannak kivezetve, így a referenciajel pufferelését úgy is meg lehet oldani, hogy engedélyezzük mindkét műveleti erősítő működését és kiválasztjuk a megfelelő INx csatlakozópontot. A lehetséges referenciaforrások közül az INS regiszter feszültségbemenet-választó bitjeivel jelölhetjük ki azt, amelyet használni kívánunk.
Az áramgenerátor forrás/nyelő funkciójának beállítása
A PRG programozható áramforrásához bőséges forrás/nyelő funkcióbeállítások tartoznak, amelyekkel a PRG kívánt jelmeredekségét lehet beállítani. Az olyan alkalmazásokban, amelyeknél a feszültség meredek változására van szükség, nagyáramú beállítást kell választani. A kimenőjel változási sebességéhez tartozó állandó áramot a CON2 regiszter forrás/nyelő funkcióválasztó bitjeivel lehet beállítani.
Üzemmódválasztás
A PRG a következő háromféle fűrészfeszültség-generátor üzemmód valamelyikében működtethető: csökkenő fűrészjel lejtéskompenzációval, növekvő fűrészjel, valamint a váltakozó növekvő-csökkenő jelet előállító üzemmód. Ezek közül a CON0 regiszternek a programozható fűrészgenerátor üzemmódjait kiválasztó bitjeivel választhatunk. A PRG kimenetét bármelyik üzemmódban az SW1, SW2 és SW3 belső analóg kapcsolók határozzák meg. Amikor az SW1 záródik, azzal kisüti a belső kondenzátort, míg az SW2 és SW3 kapcsolók a kondenzátort a programozható áramgenerátor forrás- vagy nyelőoldalára kapcsolják a kívánt üzemmódnak megfelelően.
Az SW2 és SW3 kapcsolók beállítása szabja meg a belső kondenzátoron átfolyó töltőáram irányát. Ezek a kapcsolók tehát a konfigurált üzemmódnak megfelelően állítódnak be. A csökkenő lejtésű fűrészjelet előállító üzemmódban az SW2 nyitott, az SW3 zárt állapotban van, és az SW1 ki-be kapcsolgat. Mivel az SW3 zárt állapotban van, amíg az SW1 nyitott, a belső kondenzátor feszültségét az áramnyelő határozza meg. A kondenzátor feszültsége kivonódik a feszültségbemenet-jelforrás feszültségéből, tehát csökkenő lejtésű fűrészjel keletkezik a beállított lejtési meredekséggel.
A növekvő lejtésű üzemmódban ugyanez történik azzal a különbséggel, hogy az SW2 és SW3 állapota ellentétes a korábbi beállítással: az SW2 zárt, az SW3 pedig nyitott. Ezért a belső kondenzátor az áramgenerátor forráskimenetére csatlakozik, tehát növekvő irányban változó fűrészjel keletkezik.
A felváltva emelkedő és csökkenő lejtésű üzemmódban az SW1 tartósan nyitott állapotban marad, miközben az SW2 és az SW3 periodikusan állapotot vált oly módon, hogy amíg az SW2 nyitott, az SW3 zárt, és viszont. Mivel az SW1 ebben az üzemmódban tartósan kikapcsolt állapotban marad, a referenciafeszültség nem hat a PRG kimenetére, mivel nincs kisütő állapot, amely közben a kimenet beállhatna a kívánt referenciaszintre. Az SW2 és SW3, amely felváltva kapcsol ki és be, a belső kondenzátor az áramgenerátornak hol a forrás-, hol pedig a nyelőoldalára kapcsolódik, tehát a kimeneti kondenzátor ennek megfelelően felváltva töltődik a növekvő vagy csökkenő lejtésű irányba. A PRG kimenetén tehát egy háromszögjel jelenik meg.
Az SW2 és az SW3 kapcsolók háromszögjel-előállító üzemmódhoz tartozó, ellentétes állapotú, periodikus kapcsolgatásának nehézségei közé tartozik, hogy a belső kondenzátorra kapcsolódó forrás- és nyelőáram nem pontosan egyezik. Ennek több oka van, köztük a kondenzátor soros veszteségi ellenállása, a zaj, a gyártási szórás és a hőmérséklet. Ezek nagy mértékben befolyásolják a PRG működését nyílt hurkú rendszerekben, mivel a PRG kimeneti feszültségének átlagértéke (a feszültség egyenáramú középértéke – A ford. megj.) időben változik, „driftel”. Ez a jelenség a rendszernek egy „vele született” problémája, amit lehetetlen kiküszöbölni. Az átlagos feszültség driftjét azonban csökkenteni lehet, ha egy visszacsatoló hurkot hozunk létre a PRG-n. A PRG kimenetét a komparátorok egyikének bemenetére vezetjük.
A komparátor kimenetével pedig a PRG időzítőbemeneteinek egyikét vezéreljük. A rendszer így állandó értéken tartja a PRG kimenetének csúcsértékét. Emiatt a zárt hurkú üzemmódban működtetett PRG átlagfeszültségének driftje jelentősen kisebb lesz, mint amit nyílt hurkú működésnél tapasztalhatunk[1]. A PRG átlagfeszültség-driftjét és a visszacsatolás hatását például úgy tehetjük láthatóvá, hogy a PRG modult egyenletesen változó hőmérsékletű környezetbe helyezzük. A magas hőmérséklet felerősíti a visszacsatolt és a nyílt hurkú működés közötti különbséget.
Amint a 2. ábrán látható, a nyílt hurkú működés esetén jelentős az átlagfeszültség hőmérséklettől függő eltérése. Ugyanekkora hőmérsékletváltozás esetén a zárt hurkú működésnél majdnem állandó átlagfeszültséget tapasztalunk.
3. ábra Feszültség-üzemmódú DC/DC-átalakító
Monostabil időzítő
A PRG modulban van egy opcionális monostabil időzítő, amely garantál egy minimális kisütési időt a növekvő vagy csökkenő lejtésű üzemmódokban, és egy minimális növekedési vagy csökkenési időtartamot a háromszöggenerátor-üzemmódban.
Az emelkedő vagy csökkenő lejtésű üzemmódban a monostabil időzítő gondoskodik arról, hogy az SW1 zárt állapotával a kondenzátor kisütése legalább a monostabil időzítő (tipikusan 50 ns-os) késleltetési idején át tartson, illetve legalább ugyanennyi ideig tartson a háromszögjel növekvő és csökkenő irányú szakasza.
Azokat az élvezérelt bemenetekre érkező időzítőjeleket, amelyek a monostabil periódus alatt érkeznek, figyelmen kívül hagyja a PRG, ellenben a szintérzékenyek érzékelése csak felfüggesztődik a monostabil késleltetés lejártáig. A monostabil késleltetést a CON0 regiszter OS bitjével lehet engedélyezni, illetve letiltani.
4. ábra Teljeshidas D-osztályú erősítő
Alkalmazások
Éppúgy, ahogy azt egy DC/DC-konverterben való alkalmazással kapcsolatban korábban már említettük, a PRG arra is használható, hogy egy kapcsolóüzemű tápegységben feszültség-módusú vezérlést valósítson meg.
A csúcsáramra szabályozó üzemmódhoz hasonlóan a feszültség-módusú vezérlésnél a kimenet szabályozását egy impulzusszélesség-modulátor (PWM) kimenőjele kitöltési tényezőjének változtatásával lehet elérni, amellyel egy MOSFET-kapcsoló kapuelektródáját vezéreljük. Viszont ahelyett, hogy a PWM vezérlésére az induktivitás áramából nyert hibajelet használnánk, feszültség-üzemmódban a hibajelet a kimenőfeszültségnek egy fűrészjellel való összehasonlításából nyerjük. A PRG által előállított, emelkedő lejtésű fűrészjel játssza tehát a referenciajel szerepét.
A 3. ábrán a kimeneti feszültség hibájával arányos hibajelet az OPA hibajel-erősítő hasonlítja össze a PRG emelkedő lejtésű fűrészfeszültségével. Amíg az emelkedő lejtésű fűrészjel nem éri el a hibafeszültség értéket, a komplementer kimenetű generátor (Complementary Output Generator – COG) kimenete magas szinten van. Amint az emelkedő lejtésű fűrészjel eléri a kimeneti hibafeszültség értékét, a COG-impulzus véget ér.
A PRG egy másik lehetséges alkalmazása kínálkozik háromszögjelű üzemmódban, ahol a háromszögjel egy fél- vagy egészhidas D-osztályú erősítő referenciajeleként szolgál (4. ábra). Ebben az alkalmazásban egy zárt hurkú PRG-konfiguráció valósul meg az átlagfeszültség problémájának megoldása érdekében, amit a háromszögjelű üzemmód sajátosságai között említettünk. A PRG háromszögjel-kimenetét a bemeneti audiojellel egy beépített, invertált kimenő komparátor hasonlítja össze. A komparátor kimenete impulzusjeleket állít elő, amelyek kitöltési tényezője arányos a bemenő audiojel pillanatértékével. Ezt az impulzussorozatot egy COG bemenetére kapcsoljuk, amelynek ellenütemű PWM kimenetei bekapcsolják a Q1 és Q4 kapcsolótranzisztorokat, és kikapcsolják a Q2-t és a Q3-at – és viszont. Végül egy aluláteresztő szűrőt használunk a vivőfrekvencia leválasztására, és ezzel a folytonos audiojel helyreállítására.
Összefoglalás
A számos PIC mikrovezérlőben megtalálható programozható fűrészgenerátor periféria fűrészfeszültségű jelalakot képes előállítani, amely referenciajelként, lejtéskompenzálásra vagy fűrészfeszültségű generátor előállítására használható.
Szerző: Kristine Angelica Sumague – Microchip Technology
Még több Microchip
[1] A háromszögjel ilyen módon való stabilizálásának azonban ára van: amilyen arányban csökken az egyenáramú középérték driftje, olyan arányban romlik a háromszögjel időzítési pontossága – A szerk. megj.
