Цифровой потенциометр с гальванической развязкой

Цифровые потенциометры выполняют функцию регулирования, аналогичную той, что выполняет обычный потенциометр с механическим управлением.

Сопротивление электронного регулятора изменяется дискретно (ступенчато) при подаче тактового импульса на счетный вход CLK микросхемы, а увеличение или уменьшение сопротивления определяется уровнем сигнала на входе UP/DOWN.

Помимо электронных аналогов многопозиционных механических переключателей, предназначенных для коммутации ограниченного количества электрических цепей, в последние годы появились и электронные аналоги механически управляемых (переменных) сопротивлений — электронные реостаты и потенциометры. Эти приборы, в отличие от механических аналогов, более компактны, надежны, имеют меньший уровень собственных шумов, допускают возможность одновременного дистанционного управления неограниченного числа регулировочных элементов. Пример использования вы можете видеть на рисунке выше.

В упрощенном виде электронные реостаты и потенциометры содержат набор (линейку) последовательно соединенных резисторов, коммутируемых электронными КМОП-ключами. Ключи эти обычно управляются:

  • либо подаваемым извне цифровым кодом;
  • либо формируемым непосредственно в микросхеме в зависимости от продолжительности подачи управляющего сигнала «вверх» или «вниз» на выводы управления, предназначенные для подключения к кнопкам управления или к источникам внешних управляющих сигналов «цифрового» уровня 1/0.

Примечание

Особенностью цифровых электронных реостатов и потенциометров является то, что изменение их электрического сопротивления осуществляется дискретно с заданным шагом по линейному, логарифмическому или иному, заданному пользователем, закону. Количество таких шагов обычно кратно двум, например, 32, 64, 128, 256 и т. д. При отключении/включении питания установленный до отключения на электронном потенциометре уровень (положение среднего вывода) запоминается.

Электронные потенциометры используют в технике связи, телевидении, персональных компьютерах, производственной и бытовой радиоэлектронной аппаратуре. Такие потенциометры применяют для узлов электронной настройки, многоканальной регулировки громкости/тембра звуковоспроизводящей аппаратуры, в системах автоматической регулировки усиления, перестраиваемых многозвенных фильтрах, схемах управления параметрами дисплеев и т. д.

Примечание.

Применение цифровых электронных потенциометров и реостатов при их работе на переменном токе ограничено областью рабочих частот, в пределах которой сигнал после прохождения через такой регулятор ослабляется не более чем на 3 дБ. Кроме того, поскольку в состав регуляторов входят нелинейные полупроводниковые элементы, повышается уровень нелинейных искажений. Этот уровень заметно возрастает при понижении напряжения питания микросхемы регулятора. Если в составе электронного устройства содержится несколько электронных потенциометров и реостатов, негативные последствия от их совместного использования суммируются.

Цифровые электронные реостаты и потенциометры фирмы Dallas Semiconductor (DS) — Maxim, например, DS1668 выпускаются с интерфейсом ручного управления (в виде кнопки) или в виде традиционной интегральной микросхемы — DS1669.

Рис.1 Расположение выводов микросхемы DS1669:

RH — верхний; RW — средний; RL— нижний вывод потенциометра; +V,-V — питание; UC—вход управления перемещением вверх; DC — вниз

Эти микросхемы однотипны, имеют 64 ступени изменения сопротивления и выпускаются в стандартных номиналах 10, 50 и 100 кОм.

Типовые примеры управления электронными потенциометрами DS1669 при помощи одной или двух кнопок приведены на рис. 2 и рис. 3.

Рис.2. Типовая схема включения цифрового электронного потенциометра DS 1669 с однокнопочным управлением

Рис.3. Типовая схема включения цифрового электронного потенциометра DS1669 с двухкнопочным управлением

Приведу далее сведения по основным разновидностям современных цифровых потенциометров.

DS1267 — двухканальный линейный цифровой потенциометр на номинал 10, 50 или 100 кОм. Имеет 256 позиций положения движка с управлением по последовательному трехпроводному интерфейсу. Напряжение питания 5(±5) В.

DS1666 — цифровой потенциометр, предназначенный для устройств звуковоспроизведения. Он имеет логарифмическую шкалу и 128 точек позиционирования. Напряжение питания 5 В. Значения сопротивлений резистивной матрицы может быть 10, 50, 100 кОм. Затухание сигнала с амплитудой до 5 В на уровне -3 дБ на частотах 1,1; 0,2 и 0,1 МГц, соответственно.

DS1667 — представляет собой сдвоенный цифровой потенциометр. Микросхема содержит также два широкополосных операционных усилителя. Каждый потенциометр формируется из 256 элементов, резисторы могут складываться, что дает возможность получать единственный потенциометр на 512 элементов.

DS1802 — сдвоенные потенциометры, обеспечивают регулирование уровня громкости и/или тембра звукозаписи в проигрывателях компакт-дисков, звуковых платах (картах) и иных электронных устройствах. Эти потенциометры имеют логарифмическую характеристику регулировки сопротивления. Весь диапазон в 45 кОм разбит на 65 позиций с приращением шага в 1 дБ. Для управления потенциометром (потенциометрами) от центрального процессора или иных микросхем используют трехпроводный последовательный интерфейс. Потенциометрами можно управлять и при помощи обычных кнопок.

Помимо перечисленных, известны также микросхемы цифровых потенциометров:

DS1800 — сдвоенный цифровой линейный потенциометр на 128 позиций номиналом 50 кОм с управлением по последовательному трехпроводному интерфейсу. Напряжение питания 3(5) В.

DS1801/DS1802 — сдвоенный цифровой потенциометр на 64 позиции, с логарифмической характеристикой, номиналом 50 кОм с управлением по последовательному трехпроводному интерфейсу. Напряжение питания 3(5) В.

DS1803 — сдвоенный линейный цифровой потенциометр на 256 позиций, номиналом 10, 50 или 100 кОм с управлением по последовательному двухпроводному интерфейсу. Напряжение питания 3(5) В.

DS1804 — энергонезависимый линейный цифровой потенциометр, который имеет 100 позиционных отводов, номиналом 10, 50 или 100 кОм. Напряжение питания 3(5) В.

DS1805 — линейный цифровой потенциометр на 256 позиций номиналом 10, 50 или 100 кОм с управлением по последовательному двухпроводному интерфейсу. Напряжение питания 3(5) В.

DS1806 — линейный шестиканальный цифровой потенциометр на 64 позиции номиналом 10, 50 или 100 кОм с управлением по последовательному трехпроводному интерфейсу. Напряжение питания 2,7—5,5 В.

DS1807 — сдвоенный цифровой потенциометр на 64 позиции каждый, с логарифмической характеристикой изменения сопротивлений для регулирования уровня звуковых сигналов. Работает с двухпроводным последовательным интерфейсом. Программно можно объединить два потенциометра в один. Напряжение питания 3(5) В.

DS1808 — сдвоенный логарифмический цифровой потенциометр на 32 позиции, номинал 45 кОм. Двухпроводное управление. Напряжение питания +4,5; ±13,2 В.

DS1809 — цифровой потенциометр на 64 позиции. Управление кнопками «вверх»/»вниз». Предусмотрена функция (авто)сохранения установленного уровня. Значения сопротивлений резистивной матрицы может быть 10, 50, 100 кОм. Затухание сигнала с амплитудой до 5 В на уровне —3 дБ на частотах 1,0; 0,2 и 0,1 МГц, соответственно. Напряжение питания +4,5—5,5 В.

DS1844 — счетверенный линейный потенциометр на 64 позиции с двухпроводным интерфейсом номиналом 10, 50 или 100 кОм с двухпроводным интерфейсом. Напряжение питания 2,7—5,5 В.

DS1845 — сдвоенный линейный потенциометр на 256 позиций с двухпроводным интерфейсом. Напряжение питания 3(5) В.

DS1847 и DS1848 — температурно-компенсированные двойные линейные цифровые потенциометры на 256 позиций номиналом 10 или 50 кОм. Напряжение питания +3,0—5,5 В.

Помимо перечисленных, известны также цифровые потенциометры DS1854—DS1859y DS1866—DS1870, DS2890, DS3902, DS3903—DS3905, DS3930, DS4301 и др., сведения о которых можно почерпнуть из справочной литературы или на сайтах фирм-производителей. Отметим также в порядке сопоставления некоторые цифровые потенциометры иных фирм [24.2—24.4].

MAX5160/MAX5161 — линейный цифровой потенциометр фирмы MAXIM-DALLAS на 32 позиции, номиналы 50,100,200 кОм. Напряжение питания от 2,7 до 5,5 В. Трехпроводный интерфейс.

МАХ5400—МАХ5405 — линейные цифровые потенциометры на 256 позиции. Напряжение питания от 2,7 до 5,5 В.

MAX5407 — цифровой потенциометр на 32 позиции с логарифмической шкалой, номинал 20 кОм. Область рабочих частот до 500 кГц. Напряжение питания от 2,7 до 5,5 В.

MAX5408—MAX5411 — сдвоенные цифровые потенциометры на 32 позиции с логарифмической шкалой, номинал 10 кОм. Напряжение питания 6т 2,7 до 3,6 В для MAX5408, MAX5409 и от 4,5 до 5,5 В для MAX5410, MAX5411.

MAX5413—MAX5415 — сдвоенные линейные цифровые потенциометры на 256 позиций, номинал, соответственно, 10, 50 и 100 кОм. Напряжение питания от 2,7 до 5,5 В.

Кроме перечисленных в линейке подобных изделий этой фирмы можно назвать микросхемы MAX5417—MAX5439, MAX5450—MAX5457, MAX5460—MAX5468, MAX5471—MAX5472, MAX5474—MAX5475, MAX5477—MAX5479, MAX5481—MAX5484, MAX5487— MAX5492 и др., каждая, из которых имеет индивидуальные отличия и развивает области применения цифровых потенциометров и способов их управления.

MAX5471, MAX5472, MAXS474, MAX5475 — энергонезависимые 32-х позиционные линейные цифровые потенциометры с последовательным трехпроводным интерфейсом. MAX5471/MAX5474 имеют сопротивление 50 кОм, a MAX5472/MAX5475 — 100 кОм. Напряжение питания от 2,7 до 5,25 В.

Читайте также:  Целочисленное деление в математике

Упомянем также для сравнения некоторые цифровые потенциометры фирмы Analog Device [24.3].

AD5200/AD5201 — цифровые потенциометры номиналами 10,50 кОм на 256 и 33 позиции, соответственно.

AD5231/AD5235 — цифровые потенциометры на 1024 позиции.

AD5232 — цифровой двухканальный потенциометр на 256 позиций.

AD5234 — цифровой четырехканальный потенциометр на 64 позиции.

AD5291/AD5292 — цифровые потенциометры на 256/1024 позиции на номинал 20,50,100 кОм.

AD7376 — цифровой потенциометр на 128 позиций на номинал 10, 50, 100,1000 кОм.

AD8400/AD8402/AD8403 — 1, 2 или 4-х канальные цифровые потенциометры на 1,10,50 или 100 кОм, 256 позиций, с трехпроводным интерфейсом.

Цифровые программируемые потенциометры фирмы ON Semiconductor САТ5270 и САТ5271 — двухканальные цифровые потенциометры на 50 и 100 кОм для точной настройки с 256 ступенями регулирования и интерфейсом 12С.

Цифровые программируемые потенциометры фирмы Catalyst Semiconductor САТ5111 и САТ5113 [24.4] на 100 позиций при напряжении питания 2,5—6,0 В потребляют ток 0,1 мА.

Рис.4. Эквивалентная схема электронного аттенюатора МС3340

Несколько иной принцип работы у другого управляемого извне прибора — электронного аттенюатора. Пример практической реализации одного из них — МС3340 фирмы Motorola приведен на рис. 4. Аттенюатор позволяет осуществлять дистанционное или непосредственное управление коэффициентом передачи (ослабления) сигнала до 80 дБ в полосе частот до 1 МГц. Напряжение питания аттенюатора — 9—18(20) В. Максимальное напряжение входного сигнала — до 0,5 В.

Типовая схема использования электронного аттенюатора МС3340 приведена на рис.5.

Рис.5. Типовая схема включения электронного аттенюатора МС3340

Примечание.

Особое положение в ряду электрически регулируемых пассивных элементов занимает специализированная микросхема МАХ1474с электрически переключаемыми конденсаторами— аналог миниатюрного конденсатора переменной емкости, рис. 6.

Применение такой микросхемы вместо традиционных варикапов или конденсаторов переменной емкости предпочтительнее ввиду идентичности емкостных параметров микросхемы, синхронности изменения емкости при одновременном использовании нескольких аналогов управляемых конденсаторов, лучшей температурной стабильности.

Примечание.

Возможная область применения микросхем с электрически переключаемыми конденсаторами— синхронная настройка колебательных контуров входных цепей радиоприемных устройств, фильтров промежуточной и иной частоты.

Управление батареей конденсаторов от встроенной схемы управления позволяет ступенчато с минимальным шагом в 0,22 пФ менять в 32 ступени ее емкость в пределах от 6,4 до 13,3 пФ на выводе СР относительно общего провода при заземленном выводе СМ.

Возможна эксплуатация конденсаторной батареи при подключении ее через выводы СР и СМ с изменением емкости в пределах от 0,42 до 10,9 пФ с шагом 0,34 пФ. Температурный коэффициент емкости управляемого конденсатора равен 3,3*10 -5 1/град.

Напряжение питания микросхемы 2,7—5,5 В при потребляемом токе 10 мкА. Микросхему можно применять до частот в несколько сотен мегагерц. Так, эквивалентная добротность контура порядка 100 на частотах ниже 20 МГц падает с ростом частоты до 359 МГц в 10 раз.

Микросхемы МАХ1474 можно применять в узлах электронной настройки, в емкостных аттенюаторах, в генераторах и других радиоэлектронных устройствах.

Значительная часть электронных схем, особенно аналоговых, содержит элементы, предназначенные для подстройки характеристик при наладке или для оперативного управления при использовании аппаратуры. Для этих целей использовались электромеханические переменные и подстроечные резисторы. Заменой электромеханическим резисторам с подвижным контактом, имеющим ограниченные возможности, относительно большие габариты, требующим ручной установки в необходимое положение, становятся цифровые потенциометры.

Классификация

Рассмотрим основные критерии, по которым можно классифицировать цифровые потенциометры:

  • Наличие или отсутствие энергонезависимой памяти. В первом случае, при включении питания будет автоматически восстановлено последнее используемое значение. Во втором- заранее определенное начальное значение (как правило, соответствующее половине диапазона). Третий вариант- возможность однократно «прошить» в постоянную OTP-память иное начальное значение, отличное от значения, заданного производителем.
  • Интерфейс управления. Могут использоваться либо стандартные интерфейсы I 2 C или SPI, либо, так называемое «кнопочное управление»- Up/Down Control, которое будет рассмотрено ниже.
  • Количество потенциометров в корпусе. В номенклатуре компании ON Semiconductor представлены изделия с 1, 2 или 4 потенциометрами.
  • Разрешающая способность или количество положений движка. Как правило, число, равное степени 2. В продукции ON Semiconductor представлены потенциометры с разрешающей способностью от 16 до 256. Иногда используются «некратные» значения, например 100. В микросхемах, управляемых по интерфейсу, используются большие значения (64, 128, 256). В микросхемах с «кнопочным управлением» без энергонезависимой памяти- малые (16 и 32), а с памятью — промежуточные (от 32 до 128).

Поскольку номенклатура цифровых потенциометров компании ON Semiconductor достаточно широка (более 300 микросхем и 35 семейств), то не имеет смысла приводить таблицы с параметрами. Параметрический поиск доступен на сайте производителя http://www.onsemi.com/. Продукция, в соответствии с этими критериями, была объединена в группы, что иллюстрируется рисунком 1.

Рис. 1. Основные группы цифровых потенциометров компании ON Semiconductor

К другим параметрам отнесем:

  • Полное сопротивление потенциометра (сопротивление между крайними положениями H и L). Обычно используются значения 10, 50 или 100кОм. Реже- 1; 2,5 и 32кОм.
  • Допустимое напряжение между выводами H и L. Принципиальное отличие цифровых потенциометров от переменных резисторов заключается в том, что напряжение между выводами H и L не может быть выше регламентированного. Как правило, оно равно напряжению питания самой микросхемы (обычно 2,7…5,5В). Исключением являются семейства САТ5132 и САТ51323- при величине питания до 5,5В, напряжение между выводами H и L может достигать 16В.
  • Функциональная характеристика. Вбольшинстве случаев эта характеристика (зависимость сопротивления между выводами W и L от управляющего кода) линейна, то есть предполагается, что все резисторы в цепочке имеют одинаковое сопротивление. Исключением является семейство CAT5116, в котором реализована логарифмическая характеристика.
  • Нелинейность характеристики. Она определяется реальным отклонением резисторов в цепочке от номинального значения.

Есть и другие параметры: температурный коэффициент сопротивления; отклонение полного сопротивления; сопротивление движка. Они имеют тот же смысл, что и для традиционных переменных резисторов, и приведены в документации производителя на конкретную микросхему.

Управление Up/Down

Отметим, что управление Up/Down используется только для моделей с одним потенциометром в корпусе (одинарные). Применение этого управления в «многоканальных» микросхемах привело бы к существенному увеличению внешних выводов. Наиболее простыми являются цифровые потенциометры с управлением Up/Down. В продукции компании ON Semiconductor реализованы три модификации такого управления:

  • Управление по двум линиям CS и U/D;
  • Управление по трем линиям CS, U/D и INC;
  • Управление по двум линиям Up и Down.

Управление по двум линиям CS и U/D

Назначение линии CS (активный низкий) заключается в том, что отрицательный перепад фиксирует направление изменения сопротивления, которое (изменение сопротивления) возможно только при низком уровне сигнала. При высоком уровне сигнала изменения сопротивления не происходит.

Линия U/D в момент отрицательного перепада сигнала CS определяет направление изменения сопротивления (при низком уровне — уменьшение, при высоком — увеличение). При низком уровне сигнала CS положительный перепад сигнала U/D приводит к изменению сопротивления на один дискрет (в направлении, определенном ранее).

Рассмотрим диаграмму А на рисунке 2.

Рис. 2. Диаграммы двух методов управления Up/Down

В момент 1 состояние сигнала CS из высокого становится низким. Поскольку состояние линии U/D высокое, то определяется направление на повышение. В моменты 2 положительный перепад сигнала U/D приводит к увеличению сопротивления (напряжение между нижней точкой L и средней точкой W потенциометра растет). В момент 3 положительный перепад сигнала CS запрещает дальнейшее изменение сопротивления. В моменты 4 по положительному перепаду сигнала U/D ничего не происходит, поскольку состояние сигнала CS высокое. В момент 5 состояние сигнала CS переходит из высокого в низкий, но в этот раз состояние линии U/D низкое, следовательно, определяется направление на понижение. Соответственно, в моменты 6 положительный перепад сигнала U/D приводит к уменьшению сопротивления.

Данный метод реализован в микросхемах CAT5110, CAT5118…CAT5127 и CAT5128.

Управление по трем линиям CS, U/D и INC

Данный метод (иллюстрируется диаграммой Б на рис. 2) более прост в понимании, но в реализации занимает на одну линию больше. Сигнал CS только запрещает (при высоком уровне) или разрешает (при низком уровне) изменение состояния потенциометра. Сигнал U/D только задает направление изменения: низкий уровень — на понижение, высокий — на повышение. Любые изменения состояния могут происходит только по отрицательному перепаду сигнала INC. Если при этом на линии CS низкий уровень, а на линии U/D высокий — сопротивление растет. На линии CS низкий уровень, и на линии U/D низкийуровень — сопротивление уменьшается. Если на линии CS высокий уровень, то отрицательный перепад сигнала INC никаких изменения сопротивления не вызывает.

Данный метод реализован в микросхемах CAT5111…CAT5116 и CAT5133.

Управление по двум линиям Up и Down

Данный способ управления заставляет вспомнить о простейшем RS-триггере. Отрицательный перепад сигнала Down вызывает уменьшение сопротивления, а отрицательный перепад сигнала Up — соответственно, его повышение. При этом в первом случае предполагается, что на линии Up — высокий уровень. А во втором случае, соответственно, предполагается, что высокий уровень — на линии Down. На временных диаграммах из документации производителя [4] эти условия выполняются, то есть все хорошо. А если что-то не выполняется? С одной стороны, в документации производителя ясно указано: срабатывание по отрицательному перепаду сигнала Up произойдет «если и только» на линии Down будет высокий уровень. Про срабатывание по отрицательному перепаду сигнала Down каких-то ограничений не приведено. Надо понимать, что оно произойдет в любом случае, а как на самом деле… Метод реализован только в одной микросхеме CAT5128.

Читайте также:  Эмулятор андроида в браузере

Цифровые потенциометры с управлением Up/Down без энергонезависимой памяти

В данную группу входят (рис. 1) три микросхемы (CAT5120, CAT5121 и CAT5122) с разрешающей способностью 16 положений и восемь микросхем (CAT5110, CAT5115, CAT518, CAT5119, CAT5123, CAT5124, CAT5125 и CAT5128) на 32 положения. Обобщенная структура цифровых потенциометров этого типа приведена на рис. 3.

Рис. 3. Обобщенная структура цифровых потенциометров с управлением Up/Down без энергонезависимой памяти

Рассмотрим ее работу. Сигналы управления (две или три линии, показанные цифрами 1, 2 и 3) поступают на схему управления, которая, при необходимости, формирует сигналы инкремента и декремента реверсивного счетчика (показан счетчик для 32 состояний). Выходы счетчика дешифрируются, и замыкается один из ключей. Например, для состояния 0 будет замкнут нижний ключ, и сопротивление между выводами W и L будет равно нулю, а между W и H — будет максимальным. С инкрементом счетчика сопротивление между W и L будет расти, а между W и H — уменьшаться.

При каждом выключении питания текущее состояние не запоминается. При каждом включении питания формируется сигнал PoR, который загружает счетчик неизменяемым стартовым значением (Обычно, половина диапазона — в рассматриваемом случае 16).

Отметим также, что на рис. 3 представлен обобщенный случай, а именно, если контакты питания не связаны с выводами потенциометра, то вывод L не связан с общим проводом Gnd, а вывод H — с питанием Vcc. Такая схема требует наличия семи- или восьмивыводного корпуса и из рассматриваемых устройств реализована лишь в CAT5115 (управление по трем линиям), CAT5128. Остальные устройства размещены в пяти- или шестивыводных корпусах за счет организации внутренних коммутаций, которые представлены на рис. 4.

Рис. 4. Внутренние коммутации в цифровых потенциометрах с управлением Up/Down без энергонезависимой памяти

Цифровые потенциометры с управлением Up/Down с энергонезависимой памятью

В данную группу входят (рис. 1) четыре микросхемы (CAT5112, CAT5114, CAT5127 и CAT5129) с разрешающей способностью 32 положения, три микросхемы (CAT5111, CAT5113 и CAT5116) на 100 положений и CAT5133 на 128 положений. Обобщенная структура цифровых потенциометров этого типа приведена на рис. 5.

Рис. 5. Обобщенная структура цифровых потенциометров с управление Up/Down с энергонезависимой памятью

По сравнению с рис. 3 добавлена энергонезависимая память, которая по своему функциональному назначению является регистром. В этот регистр перезаписывается значение реверсивного счетчика при снятии сигнала CS. При выключении питания состояние счетчика теряется, но продолжает храниться в регистре. При следующем включении питания формируется сигнал PoR, который загружает счетчик последним значением.

Отметим также отличительную особенность CAT5127 и CAT5129 — они обеспечивают длительное сохранение сопротивления после отключения электроэнергии.

Цифровые потенциометры с управлением по последовательным интерфейсам

Рассмотрим те преимущества и возможности, которые вносят последовательные интерфейсы при управлении цифровыми потенциометрами.

Летом 2009 года компания ON Semiconductor выпустила два новых изделия: CAT5171 и CAT5172 — цифровые потенциометры с разрешением на 258 положений без энергонезависимой памяти, с интерфейсами, соответственно, SPI и I 2 C. Структурные схемы потенциометров представлены на рис. 6.

Рис. 6. Структурные схемы цифровых потенциометров CAT5171 и CAT5172

Рассмотрим потенциометр CAT5172. Как видим, интерфейс SPI однонаправленный, то есть микросхема только принимает данные. Самое существенное достоинство — это возможность прямого задания управляющего кода. Потенциометры с управлением Up/Down не обеспечивали возможности чтения текущего состояния счетчика. Следовательно, в реальной системе состояние приходилось дублировать вне потенциометра. В таких потенциометрах было необходимо контролировать число циклов инкремента (декремента), необходимых для установления требуемого кода. Сама реализации одного цикла была достаточно сложна. При подозрениях на сбойную ситуацию привести потенциометр в среднее положение было возможно только при снятии питания.

В случае с CAT5172 возможности считать текущее состояния также нет, но есть возможность непосредственно записать требуемое значение. При этом нет необходимости помнить текущее состояние и думать «в какую сторону крутить потенциометр». Кроме того, естественным образом увеличилась разрешающая способность — длительность установки перестала зависить от того, насколько сильно надо изменить положение «движка»: на 3 дискретных шага или на 30. Интерфейс выполнен в простейшем варианте сдвигового регистра и легко реализуется как с помощью микроконтроллера, так и на жесткой логике. Число выводов микросхемы (если сравнивать с полным вариантом CAT5115) не изменилось.

Потенциометр CAT5171 реализован с использованием более сложного двунаправленного I 2 C. За счет этого появляются дополнительные возможности: он позволяет считать текущее состояние в целях контроля. Кроме того реализованы функции: принудительный возврат в среднее состояние и функцию Shutdown, то есть разрыв цепи резисторов между положениями H, W, L. Интерфейс I 2 C — тривиальный атрибут современных микроконтроллеров, и его реализация также не вызывает сложностей.

Другие дополнительные преимущества:

  • Возможность реализации нескольких потенциометров в одном корпусе. Ранее каждый из потенциометров требовал своих линий управления, что увеличивало число выводов;
  • Возможность чтения как регистра начальных значений, так и счетчика текущего состояния;
  • Возможность реализации вариантов работы- например, прямой переход и инкремент по шагам.

Области применения

Области применения цифровых потенциометров в настоящее время весьма разнообразны, назовем некоторые из них:

  • Подстройка «тонких» датчиков: давления, температуры, положения, оптических датчиков;
  • Цифровая регулировка усиления;
  • Регулировка частоты и скважности генераторов;
  • Регулировка громкости в аудиосистемах;
  • Регулировка смещения нуля в усилителях;
  • Реализация регулируемых источников опорного напряжения;
  • Регулировка выходного напряжения стабилизаторов;
  • Регулировка контрастности ЖК-индикаторов;
  • Замена электромеханических потенциометров на цифровые аналоги.

Заключение

Словосочетание «цифровые потенциометры» у большинства отечественных разработчиков прочно ассоциируется с компаниями Maxim Integrated Products и Analog Devices. Безусловно, названные компании заметны на этом направлении. Но и в компании ON Semiconductor оно возникло не на пустом месте. Купив в 2008 году компанию Catalyst Semiconductor, ONSemi существенно дополнила свою номенклатуру. EEPROM-память и цифровые потенциометры — для нее направления новые. Однако мы видим, что практически не обновлявшаяся с 2004 года линейка цифровых потенциометров Catalyst дополнилась новыми изделиями в целевых нишах. Безусловно, следует ожидать дальнейшего развития этого направления в продукции ON Semiconductor.

Литература

1. Ридико Л. Цифровые потенциометры//Компоненты и технологии, №5, 2001.

2. Шитиков А. Цифровые потенциометры от Dallas Semiconductor//Компоненты и технологии, №8, 2001.

3. Андрусевич А. Управление потенциалом. Цифровые потенциометры Maxim/Dallas//Новости электроники, №15, 2006.

Analog Devices AD5144 AD5258 AD5259

Joseph Creech и David Rice, Analog Devices

В статье обсуждаются особенности совместного использования цифровых потенциометров с другими компонентами. Особое внимание будет уделено значению учета технических характеристик для каждого конкретного варианта устройства, дающего гарантию, что разработчик получит систему с наилучшими возможными параметрами. Будут рассмотрены важные конструктивные соображения и характеристики, которые необходимо принимать во внимание при объединении цифровых потенциометров с другими элементами схемы, такими как операционные усилители, для создания гибких многоцелевых систем. Будет также уделено внимание достоинствам и недостаткам цифровых потенциометров в сравнении с традиционными электромеханическими приборами. Приведены многочисленные примеры практического применения цифровых потенциометров, показывающие возможность значительного улучшения систем по сравнению с традиционными альтернативными решениями. Например, использование цифрового потенциометра в качестве резистора обратной связи операционного усилителя позволяет изменять коэффициент усиления в зависимости от амплитуды входного сигнала.

Цифровые потенциометры – это переменные резисторы с цифровым управлением, которые можно использовать вместо функционально эквивалентных механических аналогов. Если функциональность цифровых и механических переменных резисторов сопоставима, то технические характеристики, надежность и воспроизводимость оборудования с цифровыми потенциометрами в большинстве случаев намного выше. Изменяя величину сопротивления потенциометров, можно регулировать величину напряжения или тока в устройстве. В сочетании с другими компонентами, такими как операционные усилители (ОУ), с их помощью можно управлять уровнем сигнала или коэффициентом усиления. Использование цифровых потенциометров в качестве регулировочных компонентов позволяет разработчикам создавать гибкие и многофункциональные системы. Например, замена цифровым потенциометром резистора обратной связи ОУ дает возможность изменять коэффициент усиления в соответствии с амплитудой входного сигнала. Конструктор получает преимущество работы с максимальным числом типов входных сигналов при минимальном количестве компонентов (таких, как операционные усилители) и меньшей площади печатной платы. При малых размерах цифровой потенциометр обеспечивает большую функциональность.

Читайте также:  Стиль мультилинии в автокаде

Сравнение цифровых и механических потенциометров

Цифровые и механические потенциометры имеют общие черты, позволяющие им быть взаимозаменяемыми во многих приложениях. Оба типа выпускаются в широком диапазоне сопротивлений и удовлетворяют потребности пользователей в регулируемых сопротивлениях. Некоторыми преимуществами механических потенциометров являются способность выдерживать большие напряжения и токи и рассеивать большую мощность. Однако из-за особенностей конструкции характеристики и надежность механических потенциометров со временем ухудшаются. Механические потенциометры более чувствительны к ударам и вибрации, а сопротивление подвижного контакта со временем может измениться из-за окисления, старения и износа, что уменьшает срок их службы. Цифровой потенциометр состоит из нескольких КМОП переключателей (Рисунок 1). Отсутствие механических элементов делает его устойчивым к ударам, износу, старению и контактным шумам.

Рисунок 1. Внутренняя структура цифрового потенциометра.

Что необходимо учитывать при выборе цифрового потенциометра

Как и в случае с другими компонентами вашего приложения, при выборе цифровых потенциометров необходимо учитывать некоторые факторы. Степень важности каждого параметра будет зависеть от конкретных характеристик и особенностей разрабатываемой системы.

Наиболее важные параметры цифровых потенциометров:

  • Напряжение входного сигнала
  • Максимальный ток и мощность
  • Полное сопротивление
  • Точность и температурный коэффициент
  • Разрешение
  • Число каналов в корпусе
  • Линейность
  • Состояние при включении
  • Наличие памяти
  • Интерфейс
  • Размеры

Лучший способ разобраться в этих параметрах – определить степень влияния каждого из них на выбор цифрового потенциометра для конкретного приложения.

В качестве примера рассмотрим два приложения, в которых обычно используются цифровые потенциометры:

  • Аттенюаторы сигналов постоянного и переменного тока;
  • Регуляторы усиления схем на основе ОУ.

Цифровые потенциометры в качестве аттенюаторов

В этом режиме цифровой потенциометр аналогичен цифроаналоговому преобразователю (ЦАП) с низким разрешением. Схема включения, а также некоторые часто используемые обозначения и передаточная функция приведены на Рисунке 2. Сопротивление между крайними выводами A и B потенциометра обозначается RAB. Сопротивления между концами потенциометра и его движком обозначаются RAW и RWB.

Рисунок 2. Цифровой потенциометр как ЦАП
с низким разрешением.

Чтобы правильно выбрать цифровой потенциометр для этой схемы, необходимо в первую очередь оценить его три ключевых параметра: диапазон напряжений питания, разрешение и линейность.

Наиболее важными параметрами являются напряжение питания (1) и разрешение (2), поскольку они определяют рабочий диапазон входных напряжений и количество различных уровней сопротивления, которые можно получить с помощью потенциометра. Для характеристики линейности цифровых потенциометров используются те же параметры, что и для ЦАП: интегральная и цифровая нелинейность. Интегральная нелинейность определяет максимальное отклонение передаточной характеристики цифрового потенциометра от идеальной прямой линии, проведенной из начала координат в точку полной шкалы. Цифровая нелинейность характеризует разницу между реальной и идеальной передаточными функциями для последовательных кодов.

Для приложений переменного тока, кроме перечисленных параметров (диапазон питающих напряжений, разрешение и линейность), необходимо также учитывать общий коэффициент нелинейных искажений и ширину полосы пропускания.

Регулировка коэффициента усиления ОУ с помощью цифрового потенциометра

Цифровые потенциометры очень удобны для управления усилением ОУ. С помощью цифрового потенциометра можно точно устанавливать соотношение Rb/Ra, определяющее усиление схемы. Подобные усилители широко используются для регулировки громкости, калибровки датчиков, управления яркостью и контрастностью ЖК экранов. При этом нельзя упускать из виду целый ряд важных характеристик цифровых потенциометров.

При потенциометрическом включении цифрового потенциометра необходимо помнить о том, что сопротивления его верхнего и нижнего плеч изменяются от нуля до максимального значения. Поскольку сопротивление RAW увеличивается, а RBW уменьшается, передаточная функция принимает логарифмический характер (Рисунок 3а), наилучшим образом соответствуя особенностям зрительного и слухового восприятия человека.

Рисунок 3. Схемы включения цифрового потенциометра.

Если требуется линейный характер регулировочной функции, цифровой потенциометр можно включить в режиме реостата (Рисунок 3б), в режиме ЦАП с верньером (Рисунок 3в) или в режиме установки линейного коэффициента передачи – специфической функции, доступной только в приборах семейства digiPOT+ компании ADI, например, в AD5144 (Рисунок 3г).

Реостатный режим с дискретным резистором

При использовании цифрового потенциометра в реостатном включении с последовательным постоянным резистором (Рисунок 3б) регулировочная характеристика усилителя может быть линеаризована. Эта схема проста, но требует учета ряда особенностей, обеспечивающих необходимую точность системы.

Сопротивления как механических, так и цифровых потенциометров по разным причинам отклоняются от своих номинальных значений. Допуск сопротивлений механических потенциометров определяется сложностью достижения воспроизводимости в условиях массового производства. Отклонение сопротивлений цифровых потенциометров также связано с особенностями технологического процесса, но в сравнении с механическими приборами повторяемость его значений намного выше.

Отклонение сопротивления дискретного резистора для поверхностного монтажа может быть меньше 1%, но разброс сопротивлений между концами некоторых цифровых потенциометров иногда достигает 20%. Именно это несоответствие может привести к потере разрешения и стать серьезной проблемой, особенно в приложениях без обратной связи, где использование управления для компенсации ошибки нецелесообразно. Там, где контроль возможен, присущая цифровым потенциометрам гибкость позволяет с помощью простейшей процедуры калибровки установить движок в нужное положение и компенсировать любое смещение.

В номенклатуре цифровых потенциометров Analog Devices имеются приборы с допусками от 20% до 1%, отвечающие самым строгим требованиям повторяемости и точности. Для некоторых цифровых потенциометров, таких как AD5258/AD5259, выполняются заводские измерения величины погрешности, результаты которых сохраняются в доступной пользователю памяти, и могут служить для согласования резисторов при производстве.

Режим установки линейного коэффициента передачи

Последним способом является режим установки линейного коэффициента передачи – эксклюзивная функция семейства digiPOT+ компании ADI. Каким образом эта патентованная архитектура позволяет независимо программировать сопротивления каждого плеча RAW и RWB, показано на Рисунке 3г. Этот режим дает возможность обеспечить линейную передаточную характеристику, зафиксировав сопротивления одного плеча (RWB) и изменяя сопротивление другого (RAW). Такой режим аналогичен реостатному включению потенциометра с дискретным резистором, однако общая погрешность допуска в этом случае меньше 1%, даже без использования каких-либо комбинаций дополнительных последовательных или параллельных резисторов.

Рисунок 4. Ошибка рассогласования для цифрового
потенциометра с сопротивлением 10 кОм.

Это связано с тем, что погрешность сопротивлений одинакова для резисторных цепочек обоих плеч потенциометра, и поэтому может не учитываться. Рисунок 4 показывает, что ошибка рассогласования минимальна при больших значениях кода. В первой четверти шкалы рассогласование превышает ±1% из-за дополнительных ошибок, вносимых сопротивлениями внутренних КМОП переключателей, которые нельзя игнорировать.

Почему для вашего приложения важна память

При использовании цифровых потенциометров для программирования уровней в схемах, калибровки датчиков и задания коэффициентов усиления от их состояния при включении питания зависят скорость и точность установки конфигурации устройства. Выпускается много видов цифровых потенциометров, различающихся вариантами задания пользовательской установки состояния при включении. Основных категорий цифровых потенциометров существует две:

  • Энергонезависимые, содержащие на кристалле элемент памяти, в которой хранится положение движка при включении питания;
  • Энергозависимые, не имеющие программируемой памяти, в которых движок, в зависимости от конфигурации, при включении питания устанавливается в нулевое, среднее или максимальное положение. Конкретные особенности каждого прибора описаны в технической документации.

Энергонезависимые потенциометры дополнительно классифицируются по типу памяти:

  • EEPROM;
  • Однократно программируемые (OTP);
  • Многократно программируемые.

Широкий ассортимент видов памяти позволяет подобрать цифровой потенциометр наиболее подходящий для конкретной системы. Например, в устройствах, требующих постоянной регулировки, могут использоваться энергозависимые цифровые потенциометры. Для систем с однократной заводской калибровкой лучше подойдут потенциометры с ОТР памятью. Цифровые потенциометры с EEPROM сохраняют положения движка, так что после включения питания они возвращаются в последнее состояние и могут продолжать регулироваться по мере необходимости.

Заключение

Как было показано выше, цифровые потенциометры могут применяться при создании простых в использовании регулируемых сигнальных цепей, заменяя в них механические потенциометры, улучшая таким образом характеристики и надежность системы и сокращая площадь печатной платы. Учет вышеизложенных соображений позволит упростить разработку систем и улучшить их характеристики.

Примечания

Амплитуда сигнала, передаваемого через цифровой потенциометр, ограничена его минимальным и максимальным напряжением питания. Если сигнал выходит за эти пределы, он будет ограничен внутренними защитными диодами. Для сигналов переменного тока необходимо использовать потенциометры с двуполярным питанием или, при однополярном питании, добавлять к сигналу постоянную составляющую.

Так же, как и в случае ЦАП, разрешение определяется количеством положений движка. При типичных значениях 128 или 256 у некоторых приборов этот параметр может достигать 1024.

Материалы по теме

Перевод: ShuRusu по заказу РадиоЛоцман

Оцените статью
Добавить комментарий

Adblock detector