Einfacher Funktionsgenerator: Strombegrenzung/Kurzschlussschutz/Impedanzanpassung notwendig?

Der LM358 OpAmp ist strombegrenzt auf typischerweise 40mA.

Mit einer +-5V-Versorgung sind Sie auf eine Ausgangsabweichung von +3,5 V und -5 V begrenzt.

Wenn Sie den Ausgang kurzschließen, werden Sie 3,5/50 = 70 mA liefern oder -5/50 = -100 mA in den geerdeten 50-Ohm-Serienwiderstand einleiten. Dies führt zu einer maximalen Verlustleistung von 0,245 W (wenn positiv) oder 0,5 W (wenn negativ).

Wenn Sie keinen konstanten -5-V-Ausgang haben, der kurzgeschlossen ist, werden im Durchschnitt weniger als 0,5 W verbraucht. Wenn Sie im linearen Teil des Ausgangs (+3,5 V - 3,5 V) bleiben, haben Sie weniger als 0,25 W ein kurzer. Bei diesen Versorgungsspannungen benötigen Sie keinen zusätzlichen Kurzschlussschutz.

Der OpAmp ist mit einer Versorgung von weniger als 15 V als dauerkurzschlussfest eingestuft.

Wenn Sie es für 2 V Leerlauf kalibriert haben, sehen Sie 1 V über eine 50-Ohm-Last und haben eine angepasste Quellenimpedanz und können sich keinen Gerätegrenzen nähern.

Ich würde schnelle Dioden vorschlagen, die vom Ausgang mit den Versorgungsschienen verbunden sind, um zu verhindern, dass externe Geräte die Gerätegrenzen überschreiten.

BEARBEITEN: Die berechneten maximalen Stromgrenzen können mit diesem speziellen OpAmp nicht erreicht werden, da er einen Kurzschluss-Ausgangsstrom von typisch 60 mA max. Mit einigen anderen Typen können höhere Ausgangsströme erreicht werden. Die maximale Ausgangsspannung ist als positive Versorgung aufgeführt - 1,5 V, daher die positive Grenze von 3,5 V bei einer +5-V-Versorgung. Geräte, die näher an die Versorgungsschienen heranschwingen können, sind ebenfalls erhältlich und haben ihre Verwendung.

Alle verwendeten Zahlen sind im Datenblatt entweder im Text, in Tabellen oder Grafiken verfügbar. Anmerkung 1 zu Tabelle 1 warnt vor Kurzschlussverlustgrenzen bei Versorgungen über 15 V

Die Kalibrierung bei 2 V war nur mein Vorschlag für die Wahl der Verstärkungskomponenten, sodass der digitale Ausgang im vollen Maßstab so berechnet würde, dass er einen Ausgang von 2 V oder 1 V in einer angepassten 50-Ohm-Last ergibt. Diese niedrigen Spannungen wären auch selbstgeschützt, da die Ströme noch geringer wären und innerhalb der 30-mA-Versorgungsgrenzen, um einen genauen Betrieb aufrechtzuerhalten.

Ich vergesse immer wieder darauf hinzuweisen, dass die möglichen Versorgungsstromgrenzen von 30 mA vor den Widerstandsverlust- oder OpAmp-Grenzen erreicht würden. Dies kann zu unerwartetem Verhalten führen, insbesondere wenn zum Beispiel eine Versorgungsschiene stärker als die andere reduziert wird, obwohl dies bei diesem Gerät weniger wahrscheinlich ist, da es sich um einen nachlaufenden Doppelregler handelt. Es ist möglich, den Mitsubishi M5290P mit externen Transistoren für mehr als 30 mA zu konfigurieren, sodass nicht sicher ist, ob er in diesem umfunktionierten Stromversorgungsschaltkreis bei 30 mA strombegrenzend sein wird.

Sofern die Leistungsmenge, die ein Laborgerät jemals liefern muss, zu groß ist, um im Gerät selbst verbraucht zu werden, gibt es oft keinen besonderen Grund, warum solche Geräte versuchen sollten, Signale so stark zu treiben, dass sie sich dabei selbst beschädigen . Es ist einfach, eine Strombegrenzungsschaltung mit linearer Elektronik aufzubauen, wenn man bereit ist, sie angemessen zu kühlen, um die Leistung gleich der Quellenspannung multipliziert mit dem Grenzstrom abzuleiten [oder den Grenzstrom so niedrig einzustellen, dass keine Kühlung erforderlich ist]. . Sofern nicht jemand versucht, etwas ungewöhnlich Leistungsstarkes oder ungewöhnlich Kompaktes (nach Laborgerätestandards) herzustellen, gibt es keinen wirklichen Grund, einen solchen Kühlkörper nicht einzubauen. Wenn kein längerer Betrieb unter verlustbehafteten Bedingungen zu erwarten ist,

Beim Entwerfen eines logikgesteuerten Funktionsgenerators kann es auch hilfreich sein, über eine Schaltung zu verfügen, die melden kann, ob die tatsächliche Ausgangswellenform innerhalb einer bestimmten Toleranz der angegebenen Wellenform liegt. Damit dies nützlich ist, kann es notwendig sein, "Rechteckwellen" durch "Trapezwellen" mit konfigurierbarer Steigung zu ersetzen. Wenn man versucht, grob strombegrenzte Ausgänge zu verwenden, um eine etwas kapazitive Last mit einer scharfkantigen Rechteckwelle zu treiben, werden die Flanken wahrscheinlich mit seltsamen und unebenen Flanken enden. Die Verwendung von Kanten mit programmierten Steigungen wird wahrscheinlich zu viel besseren Ergebnissen führen.

Für digitale Funktionsgeneratorzwecke würde ich vorschlagen, dass zwischen der Abtastrate und der gewünschten Ausgangsfrequenz mindestens ein Verhältnis von 10: 1 besteht. Ein Verhältnis von 100:1 wäre besser. Wenn Sie ein ausreichend hohes Verhältnis verwenden, reicht selbst eine sehr grobe Filterschaltung am Ausgang des DAC aus, um gute Ergebnisse zu erzielen. Es ist möglich, mit einer niedrigeren Abtastrate und einer besseren Filterschaltung gute Ergebnisse zu erzielen. Wenn Sie jedoch Wellenformen bis zu 1 MHz erzeugen möchten, ist die Verwendung eines 50-MHz-Takts möglicherweise einfacher als das Entwerfen einer Filterung, die ausreicht, um mit einem 10-MHz-Takt akzeptable Ergebnisse zu erzielen.

Obwohl die meisten DAC-basierten Wellenformerzeugungsansätze mindestens einen Anti-Aliasing-Filter zweiter Ordnung verwenden, um die Ausgangswellenform zu "glätten", würde ich vorschlagen, den umgekehrten Ansatz zu wählen. Verwenden Sie einen Operationsverstärker, um einen Tiefpassfilter erster Ordnung mit einer sehr niedrigen Grenzfrequenz, aber sehr hoher Verstärkung (im Grunde ein Integrator) zu bauen, und verwenden Sie entweder eine Software, um die Umkehrfunktion dieses Filters zu berechnen (ziemlich einfach) oder, oder Verwenden Sie einen "reinen" Integrator (Null-Grenzfrequenz) und einen ADC und softwarebasiertes Feedback. Sie müssen sicherstellen, dass Sie die dem DAC zugeführte Wellenform genau an den Wendepunkten aktualisieren, aber Sie sollten in der Lage sein, viel sauberere Ausgangswellenformen zu erhalten als mit typischeren Ansätzen.

Bei beiden Ansätzen besteht das Ziel darin, dass die Software für jede Probe bestimmt, welchen Wert sie an den DAC ausgeben soll, damit die Ausgangswellenform auf die Spannung ansteigt, die sie zum Zeitpunkt der nächsten Probe haben soll. Betrachten Sie die folgende Integratorschaltung:

^{Simulieren Sie diese Schaltung – Mit CircuitLab erstellter Schaltplan}

Wenn der Ausgang zu einem bestimmten Zeitpunkt auf der Spannung X liegt und man eine Mikrosekunde später auf der Spannung Y sein möchte, sollte man der Schaltung einen Eingang von (2,5 + (YX) + (X + Y)/200) Volt zuführen, was bewirkt, dass der Ausgang sanft auf diese neue Spannung hochfährt. Diese Rechnung ist nicht ganz exakt, sollte aber ziemlich nahe kommen. Die Genauigkeit/Auflösung bei niedrigen Frequenzen könnte durch Erhöhen von C1 oder R5 verbessert werden. Der "/200"-Faktor in der obigen Gleichung ist das Doppelte des Verhältnisses von R1 zu R5 [verdoppelt, weil die Formel den Durchschnitt von X und Y nimmt], sodass eine Änderung von C1 dieses Verhältnis nicht beeinflussen würde, eine Änderung von R1 jedoch.