Грубая и точная настройка с помощью недорого сдвоенного цифрового потенциометра

Журнал РАДИОЛОЦМАН, январь 2019

Reza Bahadur

Electronic Design

Цифровые потенциометры (ЦП) находят применение в самых разных системах для установки токов смещения, переменных опорных напряжений и настроек калибровки. В промышленных системах управления и автоматизации обязательна высокая точность. На рынке имеются ЦП с 1024 ступенями регулирования, однако вместо десятков центов они стоят единицы долларов. В то же время, сдвоенный 50-килоомный ЦП с 32 положениями движка доступен за 40 центов. Можем ли мы, используя оба ЦП в корпусе, получить точность, такую же, как в случае ЦП с 1024 положениями регулировки?

Первая мысль, которая может прийти в голову при использовании сдвоенного 32-позиционного ЦП – просто расположить два потенциометра один над другим. Но это лишь удвоит эффективное разрешение, к тому же многие ЦП нельзя сконфигурировать для такого типа включения. Кстати, обычной практикой увеличения разрешения ЦП является его подключение к более никому входному напряжению, но в данном случае такое решение неоптимально.

Однако оба ЦП могут использоваться одновременно. Фактически, вместо линейного увеличения разрешения в 2 раза можно увеличить разрешение до 322, или до 1024. Оба ЦП включаются между землей и источником питания. Один из них обеспечивает грубую регулировку, а другой точную. Иными словами, один дает 5 старших значащих бит, а второй – 5 младших. Критическими компонентами схемы являются весовые резисторы в суммирующей схеме.

Рисунок 1.	С помощью сдвоенного 32-позиционного цифрового потенциометра можно выполнять грубую и точную настройку. По сравнению с использованием ЦП, имеющего 1024 ступени регулирования, это решение существенно дешевле.

В схеме на Рисунке 1 сопротивление резистора R_ТОЧНО должно быть в 32 раза больше сопротивления R_ГРУБО (в нашем примере с 32 позициями потенциометра). Для различных значений числа позиций ЦП сопротивления необходимо масштабировать так, чтобы:

R_ТОЧНО = R_ГРУБО × (Число ступеней).

Сопротивление резистора обратной связи суммирующего усилителя равно 953 Ом (допуск 1%). Это стандартный номинал, ближайший к сопротивлению параллельно включенных резисторов 1 кОм и 32.4 кОм.

Учтите, что разрешение не всегда будет так же, как в этом примере, увеличиваться пропорционально квадрату количества позиций. Если взять упомянутые выше ЦП с 1024 положениями движка, регулировка ГРУБО/ТОЧНО теоретически даст разрешение, равное 10242, или 1,048,576 позициям. При напряжении источника питания 5 В вес младшего значащего бита составит 4.7 мкВ. Но обеспечит ли такую точность операционный усилитель?

Если требуется абсолютная точность по постоянному току, то самым важным параметром будет напряжение смещения. Типовое смещение прецизионного операционного усилителя ISL28194 равно 0.1 мВ (или 100 мкВ). Это смещение и будет ограничивать достижимый уровень точности. Напряжение смещения более типичных усилителей может находиться в диапазоне от 5 мВ до 25 мВ. Если ориентироваться на более доступные и дешевые операционные усилители со смещением 5 мВ, то максимальное количество реально доступных ступеней регулировки составит 1024.

Рисунок 2.	Зависимость выходного напряжения от положения движка показывает, что эквивалентное разрешение составляет 9.6 бит.

Обратите внимание, что на выходе будет инверсия суммы двух входных напряжений. На Рисунке 2 представлена зависимость выходного напряжения от положения движка ЦП. Идеальная схема показала бы линейный отклик для всех 1024 позиций. Из-за того, что на концах спектра напряжений схема имеет некоторые нелинейности, линейный диапазон регулировок ГРУБО/ТОЧНО находится в пределах положений движка примерно от 100 до 900. Этим 800 ступеням регулирования соответствует разрешение в 9.6 бит – вполне достойная точность для сдвоенного 32-позиционного ЦП, что, определенно, позволяет ему конкурировать с более дорогими 1024-позициоными 10-разрядными решениями.

Материалы по теме