Digitrode
цифровая электроника вычислительная техника встраиваемые системы
Что такое цифровой потенциометр?
Цифровой потенциометр (или цифровой переменный резистор) функционирует как традиционный механический потенциометр, который меняет свое сопротивление, за исключением того, что цифрового потенциометра представляет собой интегральную микросхему, и в качестве управляющего воздействия здесь используется электрический сигнал, а не вращение ручки как в случае с механическим потенциометром.
По существу, оба типа потенциометра представляют собой тип аналоговых устройств, которые обеспечивают переменное сопротивление. Но в механический потенциометр формирует регулируемый делитель напряжения, значение которого меняются вследствие вращения или продольного перемещения механической части, что свидетельствует о не слишком высокой надежности в долгосрочной перспективе. Цифровые потенциометры изменяют значение сопротивления с помощью цифровых входов без участия каких-либо механических частей.
Хотя цифровые потенциометры несколько дороже своих механических собратьев, все же они удобны для использования там, где экологические факторы могут неблагоприятно повлиять на механические элементы классических потенциометров. Так, среды с вибрацией или частицами грязи, пыли, влаги или жира, которые могут засорять и склеивать вал, являются опасными для применения механических потенциометров. Цифровые потенциометры значительно лучше защищены от неблагоприятных факторов окружающей среды, поскольку они располагаются в изолированном корпусе. Они менее подвержены вибрации, менее доступны для физического воздействия и могут предложить больше возможностей, чем механические устройства. На рисунке ниже приведена блок-схема сдвоенного цифрового потенциометра TPL0102.
К дополнительным возможностям в данном случае можно отнести, например, режим автоматического отключения и программируемое значение, которое устанавливается после включения. Цифровые потенциометры могут использовать память (как энергозависимую, так и энергонезависимую). Кроме того, цифровые потенциометры в большинстве своем меньше своих механических аналогов, поэтому они могут занимать меньше места на печатной плате. Широко распространенным корпусом для них является корпус SOT-23-6 размером 2.9 х 2.8. Также есть и более компактные форм-факторы.
Кроме того, цифровые потенциометры имеют более высокое разрешение, точность и большую стабильность. К недостаткам помимо цены, наверное, стоит отнести несколько повышенную сложность в эксплуатации, поскольку для использования цифрового потенциометра его сначала необходимо запрограммировать. Это, как правило, осуществляется с помощью интерфейсов I2C или SPI. Но это не такие уж существенные недостатки по сравнению с достоинствами. Цифровые потенциометры с успехом могут применяться в области программируемых источников питания, фильтрах, измерительных и калибровочных приборах, для изменения коэффициентов усиления операционных усилителей, для регулировки звука в аудиосистемах и прочих не менее важных прецизионных приложениях.
Что такое цифровой потенциометр и где он применяется
Потенциометр — это «делитель» напряжения или переменный резистор (ПР). В случае с цифровым его типом — это интегральная схема, регулирующая сопротивление и использующая для этого программу, в которой уже заданы шаги применяемого диапазона.
Цифровые и механические потенциометры: отличия
«Эволюция» резисторов не стоит на месте. Поэтому все реже в различных видах аппаратуры, начиная от любительского радио и заканчивая устройствами с ЖК-дисплеями, можно встретить механические варианты радиоэлементов. Им на смену пришли цифровые потенциометры.
Хотя пользователи отмечают, что функционал обычных резисторов и ЦП сопоставим, по техническим параметрам и надежности у последних потенциал намного выше.
ЦП и ПР — взаимозаменяемые резисторы с широкими разбегом сопротивления. Но есть у них и отличия:
Таким образом, вполне логично, что во все виды современных электронных устройств встраиваются цифровые потенциометры.
Что нужно учесть при выборе ЦП
При необходимости купить цифровой потенциометр следует знать, на какие его параметры обращать внимание. Среди них:
Отдавать предпочтение нужно тому ЦП, параметры которого больше всего подходят под конкретную задачу. Например, последний показатель крайне важен для приложений и схем, критически ограниченных по размеру. Хотя некоторые пользователи отмечают, что можно сделать подобный потенциометр своими руками, такая работа не стоит затраченного времени и сил. В продаже настолько большой выбор ЦП, да еще по доступной цене, что можно подобрать для любых целей и устройств.
Главные параметры ЦП
Самым важным показателем данного вида резистора является количество шагов, то есть коммутируемых отводов. Чаще всего оно соотносится к степени числа 2. Наиболее распространенными являются ЦП от 32 до 256 шагов.
Также при выборе устройства важным параметром считается полное сопротивление. В продаже чаще всего можно встретить резисторы с показателями 10 кОм, 50 кОм и 100 кОм.
Также нужно уделить внимание показателю максимального напряжения на выводах, в крайнем положении, посмотреть на уровень допустимого тока, нелинейность, температурный коэффициент и рассеивающую мощность.
Показатели устройств могут отличаться у разных производителей, так что подбирать лучше, исходя из потребностей аппаратуры, для которой они применяются. Ниже приведена таблица с параметрами, характеристиками и особенностями потенциометров.
Плюсы цифровых потенциометров
Если сравнивать механические или другие виды резисторов с цифровыми их аналогами, то у последних есть ряд преимуществ. Среди них:
Все эти параметры определяют выбор потребителей и производителей электронной техники в пользу цифровых потенциометров.
Наличие энергонезависимой памяти
Это очень важный параметр. Простые переменные резисторы после настройки сохраняют регулировочные параметры. У цифровых все обстоит иначе: как только происходит выключение, заданные настройки сбрасываются. При следующем подключении ЦП возвращается в положение, введенное изначально (заводские настройки, например). Первоначальные параметры зависят от типа резистора.
В системе с цифровым потенциометром часто устанавливается микропроцессор, способный загружать нужные для восстановления регулировок коды. При его отсутствии следует использовать резистор с энергозависимой памятью.
Эта встроенная функция позволяет единожды установить нужные параметры, а при последующих выключениях/включениях аппарата восстанавливать их. Сегодня большинство производителей, например, Catalyst или Xicor изготавливают ЦП исключительно с программируемой памятью.
Есть даже цифровые резисторы с возможностью запоминания до 4-х настроек, что весьма полезно, если устройство работает сразу в нескольких режимах или в условиях предустановки. Количество памяти может быть разным в зависимости от назначений ЦП. Так, резистор DS1845/46 обладает памятью 256 Б.
Разбег допустимых напряжений
Особенностью цифровых потенциометров является то, что их нельзя подключать к цепи, показатель которой выше допустимого для них напряжения. Этот параметр не должен выходить за рамки напряжения ЦП. Для большинства имеющихся на рынке цифровых резисторов он находится в диапазоне от 0 до 5 В. ЦП можно использовать лишь в цепях с таким же напряжением питания.
Правда, существуют варианты, напряжение на выводах которых больше, чем в питании. Так, электронный потенциометр X9312 имеет питание +5 В, но способен принять +15 В.
Также есть резисторы с двухполярным типом питания, например, ±5 В. Как отмечают некоторые пользователи, двухполярное питание при подаче управляющих сигналов относительно отрицательного напряжения, можно подавать и на обычный ЦП.
Зависимость от ТКС
Температурный коэффициент сопротивления — важный параметр. Он достаточно большого диапазона, так как резисторы изготавливаются из поликристаллического кремния, который обладает положительным ТКС. Абсолютное значение температурного коэффициента равен 300–800 ppm/град.
Его нужно учитывать, когда ЦП применяется в качестве делителя напряжения или трехполюсника, так как показатель первого обладает небольшим температурным коэффициентом — всего 20 ppm/град.
Возможные помехи
Они могут появиться в связи с тем, что в ЦП проникают посторонние сигналы с управляющих входов в цепь. Это происходит из-за наличия в них емкостей, например, между каналами или затвором полевого ключа.
Такие помехи практически незаметны там, где регулировка проводится редко, но, например, при установке силы громкости они нежелательны. Для устройств, в которых ЦП должны настраиваться, часто бывают нужны специальные электронные резисторы для устранения подобных помех, например, glitchless-регуляторы.
Сферы применения ЦП
Область использования цифровых потенциометров весьма широка и с каждым годом становится все больше, ведь появляются новые, более «продвинутые» резисторы. Ниже представлены самые распространенные сферы применения ЦП:
Чаще всего ЦП применяют в качестве настройщиков громкости в смартфонах, в multimedia, в небольшого размера переносной аппаратуре. Для использования в высококачественных регуляторах есть специализированные ЦП, например, CS3310 от Crystal или AD7111 от Analog Devices.
Примеры использования
Ниже приведен пример использования и управления 6-канальным ЦП AD5206 при помощи платы Arduino. Устройство предназначено для регулирования яркостью диодов. При этом используется связь SPI. Для настройки резисторов нужны:
Ниже представлена схема AD5206, ее распиновка и назначение выводов.
Данный цифровой потенциометр оснащен 6-ю переменными резисторами, для каждого из которых в корпусе отведено по 3 вывода. У отдельных потенциометров выводы обозначены A1, B1 и W1.
В данном примере все 6 потенциометров используются в роли делителя напряжения. Для чего 1 крайний вывод (А) подключается к питанию, а второй (В) — к шине земли. Wiper (или средний) берет изменяющееся напряжение.
При таком подключении AD5206 создает сопротивление в 10 кОм, которое изменяется в 255 шагов.
Ниже приведена схема подсоединения.
ЦП для программирования в схемах
Если цифровые потенциометры используются для программирования различных уровней в схемах или для калибровки в устройствах датчиков, то именно их состояние определяет скорость и точность регулировки при подключении к питанию.
В продаже есть много разных видов ЦП, отличающихся возможностями пользовательской настройки состояния при включении, но основных категорий лишь две:
Первые варианты ЦП можно разделить на 3 вида по используемому в них типу памяти:
Подобное разделение помогает подобрать оптимальный вид потенциометра под конкретную схему или систему. Так, в аппаратуре, где необходима постоянная (частая) настройка, например, звука в аудиосистеме, можно установить энергозависимый вариант.
Если в устройстве нужно настроить один раз параметры для его использования, например, заводские настройки, то подойдет тип с ОРТ. Он остается неизменным на все время его эксплуатации.
Цифровой потенциометр способен принять только ту амплитуду сигнала, которая заложена в рамках его верхнего и нижнего показателя напряжения питания. Если планируется применить его для проведения переменного тока, то лучше воспользоваться резисторами с двухполярным питанием.
Заключение
Как уже было сказано, цифровые потенциометры замещают механические и другие виды резисторов при создании регулируемых систем. Тем самым вся схема (или узел) устройства становится более надежной, долговечной, ей не страшны встряски, падения, окисление элементов, как это происходит в механических аналогах. Также ЦП незаменимы в платах или схемах крайне малого размера, например, картах памяти.
Чтобы подобрать нужный вариант, следует внимательно изучить параметры и область применения цифровых потенциометров. Именно совокупность первых и уровень их влияния на качество и эффективность ЦП должны быть решающим фактором при покупке.
Видео по теме
Когда не помогает ЦАП. Цифровые потенциометры в деталях. Часть первая
Прогресс не обошёл стороной не только велосипед. Сегодня традиционные переменные и подстроечные резисторы в очень многих приложениях уступают место цифровым сопротивлениям. В англоязычных источниках их называют digital potentiometer, RDAC или digiPOT. Область применения этих устройств гораздо шире регулировки уровня звукового сигнала. В частности они приходят на помощь в очень многих случаях, когда требуется изменять параметры обратной связи, что трудно реализовать с помощью традиционных ЦАП.
Особенно эффективно их применение в связке с операционными усилителями. Так можно получить регулируемые усилительные каскады, преобразователи разного рода величин, фильтры, интеграторы, источники напряжения и тока и многое многое другое. Словом эти очень недорогие и компактные устройства могут быть полезными каждому разработчику электроники и радиолюбителю…
Изначально я хотел написать краткую статью, но в результате углубленного изучения темы материал с трудом уместился в две части. Сегодня я постараюсь рассказать об архитектуре данных устройств, их возможностях, ограничениях использования и тенденциях развития. В заключении вскользь затрону тему областей применения, поскольку конкретные примеры практической реализации схем на их основе будут рассмотрены во второй части. МНОГО примеров!
Лично я за последние пять лет с успехом применял цифровые сопротивления в нескольких своих разработках, надеюсь что данный цикл статей окажется полезным для многих и поможет вам решать многие задачи более изящно и просто, чем сегодня. Людям, далёким от разработки электроники данная статья может просто расширить кругозор, показав как эволюционируют под натиском цифровых технологий даже такие простейшие вещи, как переменные резисторы.
P.S.Так получилось, что уже вышла ещё одна статья из этой серии и в ней пример всего один, зато подробно разобранный. Для остальных обещанных примеров придётся писать третью.
Архитектура.
Для того, чтобы понять как работает данное устройство обратимся к функциональной схеме. На ней изображена аналоговая часть цифрового 8 битного сопротивления.
Основа прибора — 255 резисторов одинакового номинала и выполненные по технологии КМОП двунаправленные электронных ключи. Цифровое значение в интервале 0-255 записывается в регистр с которого подаётся на дешифратор. В зависимости от значения, сохранённого в регистре, срабатывает один из ключей, подключающий средний вывод W к выбранной точке в линейной матрице сопротивлений Rs. Ещё два ключа служат для подключения крайних выводов А и В. С их помощью прибор может переходить в неактивный режим.
Выводы А и В — аналоги крайних выводов переменного сопротивления, W — среднего вывода к которому у обычных переменных резисторов крепится движок.
Возможные схемы включения также аналогичны традиционным переменным сопротивлениям…
Рассмотрим как устанавливается требуемое сопротивление на примере 10 килоомного резистора. Для начала вычислим значение каждого из резисторов сборки, необходимых для формирования такого сопротивления Rs=10000/256=39,06 Oм. Допустим, мы пытаемся регулировать сопротивление между выводами W и B. Для получения нуля запишем это значение в управляющий регистр, но вместо желаемого нуля получим сопротивление в 100 Ом. Почему? Дело в том, что каждый из контактов прибора имеет своё внутреннее сопротивление и в рассматриваемом случае оно равно 50 Ом, поэтому и минимальное значение, которое можно получить с помощью данного потенциометра равно не нулю, а ста Омам — сопротивлению контактов W и B. Записав в регистр единицу получим 50+50+39=139 Ом.
В общем случае вычислить сопротивление между выводами W и B в зависимости от значения регистра D можно по формуле:
Интерфейсы подключения.
Рассмотрим теперь функциональную диаграмму всего устройства, имеющего интерфейс I2C.
Тут некоторые вопросы может вызвать только вывод AD0. Он предназначен для возможности применения в одном канале I2C одновременно двух потенциометров. В зависимости от того, находится ли на нём логический ноль или единица, меняется адрес устройства на шине I2C. Схема подключения двух микросхем на одну шину показана ниже.
Кроме интерфейса I2C, для управления данными приборами часто используется SPI интерфейс. В этом случае также существует возможность управления несколькими устройствами по одной шине. Для этого они объединяются в цепочку. Например так:
В данном режиме буферный регистр записи значений работает как сдвиговый. Каждый новый бит поступает на вход DIN и по стробу с SCLK записывается в его младший разряд. Одновременно бит старшего разряда выходит наружу через вывод SDO и переходит в следующий прибор в цепочке. После того, как записана информация во все устройства, поступает импульс стробирования SYNC, по которому новые значения регистров всех приборов входящих в цепочку перезаписывается из буферного в рабочий регистрор. Очевидный недостаток подобного решения — не существует способа записать информацию в отдельно взятый прибор. Для любого изменения значений требуется обновить содержание регистров во всей цепочке.
Для решения подобного рода проблем, а так же экономии конечной цены решения изготавливают микросхемы, включающие в свой состав два, четыре и даже 6 цифровых сопротивлений одновременно.
Рабочие напряжение и ток
Пожалуй, самым существенным недостатком первых разработок было ограниченное напряжение, допустимое на выводах. Оно не должно превышать напряжения питания которое могло лежать в диапазоне от 2.7 до 5.5В, а главное не могло уходить в отрицательную область, из-за чего применение микросхем ограничивалось устройствами с однополярным питанием. Первым делом инженеры решили проблему двуполярности. Так появились приборы, способные работать как от однополярного напряжения вплоть до 5,5 Вольт, так и поддерживающие режим двуполярного питания вплоть до ± 2.75В. Затем стали появляться версии с максимальным питанием ±5.5 и даже ±16,5(до 33 вольт однополярного у AD5291/5292). Конечно по этому параметру традиционные сопротивления до сих пор сильно выигрывают, но для подавляющего большинства схем и 33 вольт вполне достаточно.
Тем не менее, какое бы максимальное напряжение не поддерживал прибор, в случае если имеется возможность его выхода за пределы допустимого, следует применить хотя бы простейшую защиту с помощью диодов или супрессоров.
Ещё одной серьёзной проблемой является низкий максимальный рабочий ток цифровых сопротивлений, который обусловлен в первую очередь их малыми размерами. Без риска деградации с течением времени средний постоянный ток для большинства моделей не должен превышать 3 мА. В случае, если протекающий ток имеет импульсный характер, его максимальное значение может быть выше.
Борьба за точность. Технология управляемого хаоса
К сожалению, существующая технология изготовления допускает возможность отклонения сопротивления интегральных резисторов, применяемыx в цифровых сопротивлениях, вплоть до 20 процентов от номинала. Однако, внутри одной партии и тем более одного конкретного прибора разница сопротивлений не превышает 0.1%. Для того, чтобы повысить точность установки, производитель стал измерять сопротивление резисторов как минимум на каждой пластине и прописывать в энергонезависимую память каждой из микросхем не номинальное, а реальное сопротивление, которое получилось в ходе производства, с точностью до 0.01 процента. Подобный механизм позволяет в частности в микросхемах AD5229/5235 вычислить реальную точность установки сопротивления c погрешностью недостижимой даже в многооборотных подстроечных резисторах — 0.01 процент. Основываясь на этом можно скорректировать операцию декодирования цифрового кода в сопротивление. Предположим, что элементарное сопротивление имеет значение 100 Ом. Тогда, чтобы выставить сопротивление в 1K вы устанавливаете в цифровом регистре 10. Но если в реальном приборе сопротивления имеют отклонение от номинала в большую сторону и равны 110 Ом, то при уровне 10 вы получите 1,1K. Однако, считав реальное значение сопротивления микроконтроллер может пересчитать код и подаст в действительности на дешифратор вместо десяти код 9. Тогда мы получим в реальности 9*110= 990 Ом.
Кроме этого, AD запатентовала технологию калибровки значения сопротивлений с точностью 1%. К сожалению, я так и не смог найти информации каков её механизм работы.
Для увеличения дискретности установки сопротивления были разработаны приборы с 10 битным дешифратором, обеспечивающие 1024 шага регулировки. Дальнейшее увеличение этого параметра можно достичь используя последовательное или параллельное соединение двух цифровых сопротивлений с разным номиналом.
Температурная стабильность
Тут всё совсем не плохо. Применение резисторов, изготавливаемых по плёночным технологиям позволяет достичь уровня дрейфа не превышающего 35ppm/°C (0,0035%). Существуют приборы с термокомпенсацией, температурный дрейф которых находится на уровне 10ppm/°C. По этому параметру цифровые сопротивления превосходят многие движковые аналоги. Для приложений, в которых данный параметр не актуален, можно выбирать более дешёвые приборы с полупроводниковыми резисторами у которых дрейф находится на уровне 600 ppm/°C.
Ряд доступных сопротивлений.
Конечно, тут не наблюдается такого разнообразия как у традиционных движковых резисторов, тем не менее есть из чего выбрать. Таблица ниже иллюстрирует зависимость доступных сопротивлений от разрядности прибора.
Искажение сигнала
Основные искажения, сигнала вносимые цифровыми усилителями можно разделить на два класса.
Эти искажения возрастают с увеличением приложенного напряжения. Получить представление о их типичных значениях можно из следующей таблицы, составленной для микросхем AD9252…
Влияние этого эффекта возрастает с увеличением сопротивления прибора. В таблице ниже показано на какой частоте наблюдается ослабление сигнала на 3 децибела для разных сопротивлений разных номиналов.
Для большей наглядности приведу ещё графики зависимости передачи сигнала от установленного уровня сопротивления для микросхем AD5291 с разными номиналами 20 и 100 килоом.
Таким образом, получается что чем выше номинал сопротивления, тем ниже его рабочая частота.
“Фишечки” эволюции
Производители пытаются сделать работу с прибором наиболее комфортной, изобретая разные приятные мелочи. В результате цифровые сопротивления обзавелись внутренней энергонезависимой памятью, как однократно, так и многократно программируемой.
Главное её предназначение — хранения начального значения сопротивления, которое автоматически устанавливается сразу после включения питания. Первые модели электронных резисторов устанавливались при подаче питания в среднее положение, потом появилась дополнительная ножка для сброса в ноль, затем уровень стало можно задавать с помощью записанного в память значения. В наиболее продвинутых моделях в память можно записать несколько предустановленных значений, между которыми потом пользователь может быстро переключаться нажатием кнопок.
Кстати о кнопках — в некоторых моделях добавили две кнопочки для пошагового увеличения / уменьшения сопротивления.
Кроме этого, появился интерфейс для подключения энкодеров.
Что бы ещё улучшить?
Можно пофантазировать в каком направлении будет развиваться прогресс в производстве цифровых сопротивлений.
Для достижения большей точности может измениться система коммутации.
Например, добавив в традиционную схему всего одно сопротивление в параллельном включении, ну хорошо, два. Ещё одно в верхнее плечо для симметрии — можно увеличить точность установки сопротивлений в два раза! Объединение же в одной корпусе двух приборов даст возможность увеличения дискретности и точности в несколько раз.
Введение в корпус простейшего микроконтроллера, управляющего дишифратором позволит на основе реального значения полученных сопротивлений создать программу переключения для установки сопротивления прибора с очень большой точностью — 0.1% и выше. Интегрировав в такие приборы датчик температуры можно ввести компенсацию для сохранения линейности в очень широком температурном диапазоне. Возможно появление аналогов частотнокомпенсированных сопротивлений для HiFi аппаратуры, которые будут представлять из себя несколько сопротивлений в одном корпусе. Одно из них будет использоваться для регулировки уровня громкости, а другие для частотной компенсации.
Области применения
Конкретные схемотехнические решения на основе цифровых сопротивлений я приведу в следующей части статьи, пока же просто рассмотрим области применения.
Конечно, прежде всего приходит на ум усилители с регулируемым коэффициентом усиления.
В результате повышения точности установки значений, стало возможным применение электронных сопротивления в схемах управления уровнем усиления инструментальных усилителей.
Автоматическое или программное изменение контрастности жидкокристаллического индикатора можно организовать с помощью электронного сопротивления номиналом 10 Килоом.
На основе цифровых сопротивлений легко реализовывать управляемые фильтры. Фильтры высоких порядков часто требуют по несколько задающих резисторов одинаковых номиналов. Это очень удобно реализовать с помощью приборов, содержащих несколько сопротивлений в одном корпусе, поскольку в этом случае мы получаем отличную повторяемость. На рисунке приведена упрощённая схема простейшего управляемого ФНЧ.
Логарифмический усилитель, со сравнительно высоким напряжением питания, на основе AD5292.
Программно управляемый стабилизатор напряжения.
Линейный ряд от ADI
В заключении приведу полную список доступных на сегодня электронных потенциометров от компании Analog Devices. При этом следует отметить, что подобные приборы выпускает далеко не только эта фирма. Например, MAXIM также давно делает неплохие микросхемы.
Для начала приборы, которые не поддерживают программирование пользователем.
В заключении программируемые приборы. При выбора конкретной модели стоит обращать внимание на то что они бывают как однократно программируемыми, так и поддерживающими репрограммирование. Причём большое количество циклов обеспечивают только микросхемы с памятью выполненной по технологии EEPROM.
На этом заканчиваю обзор. Следующая статья будет посвящена рассмотрению практических схем с применением цифровых сопротивлений.