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利用數字電位計AD5292提供對數音量控制并減少毛刺 (CN0120)

2011-10-28
作者:ADI

電路功能與優勢
  本電路采用digiPOT+™系列數字電位計AD5292 、雙通道運算放大器AD8676、單通道運算放大器AD8541、比較器ADCMP371和7408與門,可提供對數音量控制并減少毛刺。
 
  該電路同時還具有低總諧波失真(THD)特性,最大信號衰減為46 dB,提供衰減最高達130 dB的關斷功能,如圖3所示。執行軟件關斷命令可將AD5292置于關斷模式,這一特性可將RDAC置于特殊狀態,其中A端開路,游標W則與B端相連。
 
  該電路提供對數增益控制功能,輸出電壓范圍為±14 V(10 Vrms),能夠提供最高±20 mA的輸出電流。AD5292可以通過SPI兼容型串行接口編程。
 
  此外,AD5292內置一個20次可編程存儲器,可以在上電時自定義音量設置。
 
  本電路具有低噪聲、低總諧波失真、高信號衰減、低溫度系數和高電壓能力等特性,非常適合許多音頻應用。


圖1. 可減少毛刺的對數音量控制(原理示意圖,未顯示去耦和所有連接)


電路描述
  本電路采用數字電位計AD5292、雙通道運算放大器AD8676、單通道運算放大器AD8541、比較器ADCMP371和7408與門,可提供低失真對數音量控制并減少毛刺。對數抽頭由游標連接與地之間增加電阻R8來實現。關于這一方法的詳細說明,請參考Hank Zumbahlen撰寫的文章“在數字電位計上添加對數抽頭”(EDN,1/20/00)。
 
  該電路提供一個輸入/輸出緩沖器,可將其它外部電路的負載效應降至最小。雙通道運算放大器AD8676則可確保低噪聲和精密軌到軌輸出電壓。圖2顯示由VOUT歸一化的對數輸出電壓VIN。


圖2. 歸一化VOUT與碼的關系


  音量控制保證最大衰減為46 dB,關斷模式下最高可達130 dB。圖3顯示典型碼對應的衰減,包括關斷模式,以及與碼無關的信號相位延遲。


圖3. 1 V均方根輸入信號時增益和相位與頻率的關系


  該電路具有低總諧波失真(THD)特性,對于1 kHz、1 VRMS輸入信號,其典型值為−93 dB,如圖4所示。圖4、圖5和圖6顯示典型的總諧波失真加噪聲性能。


圖4. 1 kHz、1 kHz, 1 VRMS輸入信號、0 dB增益時的FFT


圖5. 1 VRMS輸入信號、0 dB增益時總諧波失真加噪聲(THD+N)與頻率的關系


圖6. 0 dB增益時總諧波失真加噪聲(THD+N)與1 kHz輸入信號幅度的關系


  無毛刺減少電路時,大衰減步進所引起的毛刺如圖7所示,內部開關的碼轉換所引起的毛刺如圖8所示。


圖7. 衰減的大步進變化顯示無減少毛刺電路時的毛刺情況


圖8. 衰減的小變化顯示無減少毛刺電路時的毛刺情況


  減少毛刺電路采用AD8541、ADCMP371和7408與門。比較器U2和U3充當窗口比較器,二者之間存在13.3 mV閾值,足以克服典型比較器的失調電壓影響。該電路是一個零交越檢波器,只有信號越過0 V時才允許衰減發生變化,因而可將毛刺降至最低。電阻R4和R5將輸入信號衰減90.91%,并在窗口比較器中建立1.645 V的共模電壓。零交越的最大不確定性反映到輸入端約為133 mV。窗口比較器的輸出與外部SYNC 命令進行“與”運算,以驅動AD5292的SYNC輸入。SYNC的負向沿進入AD5292之后,下一個時鐘脈沖將更新內部DAC寄存器。
 
  電阻R1至R7的容差應為0.1%,以確保實現最佳零交越檢波,使毛刺能量較小并防止衰減發生大步進變化。閾值窗口折合到輸入信號電壓VIN約為133 mV。AD5292中減少毛刺電路激活時的典型衰減步進如圖9所示(下一個時鐘脈沖更新內部DAC寄存器)。


圖9. 減少毛刺電路激活后


  AD5292具有一個20次可編程存儲器,用戶可以在上電時將衰減預設為特定值。
 
  為實現所需性能,必須采用最佳布局、接地和去耦技術(請參考 MT-031教程 and MT-101教程)。至少應采用四層PCB:一層為接地層,一層為電源層,另兩層為信號層。
 
常見變化
  AD5291(8位、內置20次可編程上電存儲器)和AD5293(10位、無上電存儲器)均為±1%容差數字電位計,同樣適合本應用。

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