Простой функциональный генератор: необходимо ли ограничение тока/защита от короткого замыкания/согласование импеданса?

Ток операционного усилителя LM358 обычно ограничен 40 мА .

При питании +-5В вы ограничены выходным отклонением +3,5В и -5В.

Если вы закоротите выход, вы получите 3,5/50 = 70 мА или поглотите -5/50 = -100 мА на заземленное последовательное сопротивление 50 Ом. Это приведет к максимальному рассеиванию 0,245 Вт (при положительном) или 0,5 Вт (при отрицательном).

Если у вас не замкнутый постоянный выход -5 В, вы увидите, что в среднем рассеивается менее 0,5 Вт, если вы останетесь в линейной части выхода (+3,5 В -3,5 В), у вас будет менее 0,25 Вт. Короче. При таком напряжении питания вам не нужна дополнительная защита от короткого замыкания.

Операционный усилитель устойчив к длительному короткому замыканию при напряжении питания менее 15 В.

Если вы откалибровали его для 2 В разомкнутой цепи, вы увидите 1 В на нагрузке 50 Ом и получите согласованный импеданс источника и не сможете приблизиться к каким-либо пределам устройства.

Я бы предложил быстродействующие диоды, подключенные от выхода к шинам питания, чтобы внешние устройства не вызывали превышение пределов устройства.

РЕДАКТИРОВАТЬ: рассчитанные пределы максимального тока не могут быть достигнуты с этим конкретным операционным усилителем, поскольку он указывает выходной ток короткого замыкания 40 мА, типичный максимум 60 мА и безопасный для непрерывного короткого замыкания, он изначально защищен, а ограничение тока защищает выходной резистор. Более высокие выходные токи могут быть достигнуты с некоторыми другими типами. Максимальное выходное напряжение указано как положительное питание - 1,5 В, следовательно, положительный предел 3,5 В с питанием +5 В, устройства, которые могут поворачиваться ближе к шинам питания, также доступны и имеют свое применение.

Все используемые числа доступны в листе данных в виде текста, таблиц или графиков. Примечание 1 к таблице 1 предупреждает о предельных значениях рассеяния короткого замыкания при напряжении питания более 15 В.

Калибровка при 2 В была просто моим предложением по выбору компонентов усиления, поэтому полномасштабный цифровой выход будет рассчитываться так, чтобы давать выход 2 В или 1 В на согласованной нагрузке 50 Ом, эти низкие напряжения также будут самозащитными, поскольку токи будут еще меньше. и в пределах 30 мА для поддержания точной работы.

Я все время забываю указать, что возможные пределы тока питания в 30 мА будут достигнуты до пределов рассеяния резистора или операционных усилителей. Это может привести к неожиданному поведению, особенно если, например, одна шина питания должна быть уменьшена больше, чем другая, хотя с этим устройством это менее вероятно, поскольку это двойной регулятор слежения. Можно настроить Mitsubishi M5290P на ток более 30 мА с помощью внешних транзисторов, поэтому нет уверенности в том, что в этой переназначенной схеме источника питания будет ограничение тока на уровне 30 мА.

Если только количество энергии, которое когда-либо потребуется для передачи части лабораторного оборудования, не является слишком большим, чтобы быть рассеянным внутри самого оборудования, часто нет особых причин, по которым такое оборудование должно пытаться управлять сигналами достаточно сильно, чтобы оно повредило себя при попытке. . Легко построить схему ограничения тока с использованием линейной электроники, если кто-то хочет адекватно отвести ее от тепла, чтобы рассеивать мощность, равную напряжению источника, умноженному на предельный ток [или в противном случае установить предельный ток достаточно низким, чтобы не было необходимости в теплоотводе] . Если только кто-то не пытается сделать что-то необычайно мощное или необычайно компактное (по стандартам лабораторного оборудования), нет никаких причин не использовать такой радиатор. Если продолжительная работа в условиях высокого рассеяния не ожидается,

Также может быть полезно при разработке функционального генератора с логическим управлением иметь схему, которая может сообщать, находится ли фактическая форма выходного сигнала в пределах определенного допуска заданной формы волны. Чтобы это было полезно, может потребоваться заменить «прямоугольные волны» на «трапециевидные волны» с конфигурируемым наклоном. Если попытаться использовать выходы с грубым ограничением тока для управления несколько емкостной нагрузкой прямоугольной волной с острыми краями, края, вероятно, получат странные и неровные наклоны. Использование ребер с запрограммированным уклоном, скорее всего, даст гораздо лучшие результаты.

Для целей цифрового генератора функций я бы предложил иметь как минимум соотношение 10: 1 между частотой дискретизации и желаемой выходной частотой; соотношение 100:1 было бы лучше. Если вы используете достаточно высокий коэффициент, даже очень грубой схемы фильтрации на выходе ЦАП будет достаточно для получения хороших результатов. Можно получить хорошие результаты, используя более низкую частоту дискретизации и лучшую схему фильтра, но если вашей целью является генерация сигналов с частотой до 1 МГц, использование тактовой частоты 50 МГц может быть проще, чем проектирование фильтрации, достаточной для получения приемлемых результатов с тактовой частотой 10 МГц.

Хотя в большинстве подходов к генерации сигнала на основе ЦАП для «сглаживания» выходного сигнала используется как минимум фильтр сглаживания второго порядка, я бы предложил использовать противоположный подход. Используйте операционный усилитель для создания фильтра нижних частот первого порядка с очень низкой частотой среза, но очень высоким коэффициентом усиления (в основном интегратор) и либо используйте программное обеспечение для вычисления обратной функции этого фильтра (довольно просто), либо, или используйте «чистый» интегратор (нулевую частоту среза), АЦП и программную обратную связь. Вам нужно убедиться, что вы обновляете сигнал, подаваемый на ЦАП, точно в точках перегиба, но вы должны быть в состоянии получить гораздо более чистые выходные сигналы, чем при использовании более типичных подходов.

При использовании любого из подходов целью было бы иметь программное обеспечение, определяющее для каждой выборки, какое значение он должен выводить на ЦАП, чтобы форма выходного сигнала приближалась к напряжению, которое она должна иметь во время следующей выборки. Рассмотрим следующую схему интегратора:

^{смоделируйте эту схему - схема, созданная с помощью CircuitLab}

Если в какой-то момент времени выход находится под напряжением X, а через одну микросекунду желательно получить напряжение Y, на вход схемы следует подать напряжение (2,5+(YX)+(X+Y)/200) вольт, которое вызовет плавное линейное изменение выходного напряжения до этого нового напряжения. Этот расчет не совсем точен, но он должен оказаться довольно близким. Точность/разрешение на низких частотах можно улучшить, увеличив C1 или R5. Коэффициент «/200» в приведенном выше уравнении представляет собой удвоенное отношение R1 к R5 [удвоенное, потому что формула берет среднее значение X и Y], поэтому изменение C1 не повлияет на это соотношение, но изменение R1 повлияет.