Журнал РАДИОЛОЦМАН, январь 2012
Intersil Corporation
Типичное отклонение сопротивлений поликремневых резисторов в цифровых потенциометрах (ЦП) лежит в диапазоне ±20%. Однако относительная точность согласования элементов резистивной матрицы очень высока, их погрешность обычно не превышает ±1%, а часто бывает еще лучше. Это различие между относительной и полной точностью необходимо принимать во внимание при проектировании, чтобы минимизировать, или совсем избежать настроек схемы на этапе производства. В этом руководстве мы обсудим влияние точности ЦП на характеристики схем и некоторые способы ее повышения на уровне окончательной системы.
В большинстве приложений ЦП используются либо как делители напряжения, либо как переменные резисторы.
Режим делителя напряжения
При использовании ЦП в качестве делителя напряжения выводы RH и RL соединяются с шинами питания, при этом конечная точность напряжения на движке RW зависит только от качества согласования сопротивлений внутренних резисторов и будет одинаковой для всех ЦП одного типа, независимо от отклонения общего сопротивления. Это легко объясняется тем, что напряжение между выводами RH и RL делится между определенным количеством отводов, т.е., масштабируется между n одинаковых резистивных элементов цепочки делителя. К примеру, для схемы, изображенной на Рисунке 1, выходное напряжение VOUT при положении движка m можно вычислить по Формулам 1 и 2:
|
или:
|
где
n – общее количество отводов,
m – текущая позиция движка,
RTOTAL – общее сопротивление ЦП.
 |
|
| Рисунок 1. | Точный делитель напряжения. |
Как видно из Уравнения 2, общее сопротивление сократилось и исчезло из выражения. Это означает, что никакого влияния на VOUT оно не оказывает. Однако, если хотя бы к одному из выводов RH или RL подключен другой резистор, точность выходного сигнала становится функцией точности номиналов резисторов ЦП. Это связано с тем, что масштабный коэффициент перестает быть одинаковым для всех элементов делителя (Рисунок 2).
 |
|
| Рисунок 2. | Точность этих схем неодинакова. |
Выходная функция изображенной на Рисунке 2 схемы с резисторами R1 и R2 описывается Уравнением 3:
|
Заметим, что сопротивление движка в расчет не принимается, так как на погрешность данной схемы оно никак не влияет, если допустить, что параметры ОУ идеальны.
Реостатный режим
При использовании ЦП в качестве перемененного сопротивления его выходная точность начинает определяться суммой начальной погрешности (± 20%) и дополнительной ошибкой, вносимой сопротивлением движка, поскольку ключи движка неидеальны (имеют небольшое сопротивление, типичное значение которого 70 Ом) и неодинаковы для различных отводов. Влияние сопротивления движка можно уменьшить в реостатной конфигурации, когда движок соединен с одним из выводов ЦП (Рисунок 3а).
 |
|
| а) | б) |
| Рисунок 3. | Режимы реостата и переменного сопротивления. |
В реостатной конфигурации (Рисунок 3а) сопротивление движка оказывается включенным параллельно с частью цепочки резисторов, что приводит к появлению зависимости от выбранного положения движка.
Другая возможная конфигурация, где один из выводов ЦП оставлен свободным, изображена на Рисунке 3б. В этом случае сопротивление движка известно, так как всегда приводится в технических характеристиках в форме графика (Рисунок 4), что намного упрощает вычисление общего сопротивления для любого отвода. Если движок находится в положении m, для расчета сопротивления можно использовать Уравнение 4:
|
где
Rm – сопротивление реостата,
RWIPER – сопротивление движка,
ROFFSET – сопротивление смещения (приводится в технических спецификациях).
 |
|
| Рисунок 4. | Зависимость сопротивления движка от положения отвода для ЦП 10 кОм. |
Примеры решений, улучшающих точность схем с цифровыми потенциометрами
Несмотря на то, что начальная точность обычного ЦП находится в диапазоне ±20%, ошибку приложения, использующего ЦП, можно уменьшить с помощью ряда несложных приемов. Например, после небольшой модификации схемы, изображенной на Рисунке 2, ее точность существенно повышается (Рисунок 5).
 |
|
| Рисунок 5. | Способ повышения точности в режиме делителя напряжения. |
В схеме, изображенной на Рисунке 5, входной сигнал VIN делится цепочкой из трех резисторов R1, R2 и R3, а ЦП подключен параллельно R2. Сохраняя гибкость регулировки выходного напряжения, такая конфигурация обеспечивает намного более низкую погрешность. Заметим, что для достижения хорошей точности сопротивление RTOTAL должно в 5-10 раз превышать значение R2.
Можно добиться еще более высокой точности с помощью параллельно-последовательной комбинации ЦП и прецизионных постоянных резисторов (Рисунок 6).
 |
|
| Рисунок 6. | Цифровой потенциометр с постоянными резисторами в параллельно-последовательной конфигурации. |
Например, включив 256-позиционный ЦП с сопротивлением 10 кОм и точностью ±20% по схеме, изображенной на Рисунке 6, можно получить переменный резистор с диапазоном сопротивлений от 5.5 кОм до 10.695 кОм и погрешностью от ±1.1% до ±8.5% (Таблица 1).
| Таблица 1. | Цифровые потенциометры в параллельно-последовательной конфигурации с постоянными резисторами |
|
|
RTOTAL
(кОм) |
R1
(кОм) |
R2
(кОм) |
Минимальное
сопротивление при m=1 (кОм) |
Максимальное
сопротивление при m=255 (кОм) |
Инкремент
(кОм) |
Общая ошибка
|
|
|
m=1
|
m=255
|
|||||||
|
Минимум
|
8
|
6.742
|
29.106
|
5.495
|
9.786
|
0.021
|
–1.08%
|
–8.50%
|
|
Номинал
|
10
|
6.81
|
29.4
|
5.555
|
10.695
|
0.026
|
|
|
|
Максимум
|
12
|
6.878
|
29.694
|
5.615
|
11.541
|
0.031
|
1.08%
|
7.90%
|
Прецизионные решения не обязательно требуют особых схемотехнических приемов. Так, компания Intersil выпускает прецизионный ЦП ISL22317 со 128 отводами, точностью 1% и энергонезависимой памятью для запоминания положений движка. Микросхема доступна в вариантах полного сопротивления 10, 50 и 100 кОм и может быть сконфигурирована либо как двухвыводной переменный резистор, либо как трехвыводной потенциометр. Благодаря специальной схеме компенсации, ISL22317 имеет нулевое сопротивление движка, что в совокупности с низким температурным коэффициентом и высокой начальной точностью делает ненужным использование сложных алгоритмов.
Еще одно применение ЦП – замена ЦАП в некоторых приложениях. В большинстве случаев, если в схеме требуется тонкая подстройка в ограниченном диапазоне, 8-битный ЦП обеспечит лучшее разрешение, нежели 10-битный ЦАП. Разрешение ЦП, в зависимости от количества отводов и разности напряжений между выводами, показано в Таблице 2.
| Таблица 2. | Разрешающая способность цифровых потенциометров в зависимости от количества отводов |
|
Разность
напряжений между выводами ЦП: VH–VL |
Разрешение, мВ
|
||||||
|
16 отводов
|
32 отвода
|
64 отвода
|
100 отводов
|
128 отводов
|
256 отводов
|
1024 отвода
|
|
|
4 бита
|
5 бит
|
6 бит
|
7 бит
|
7 бит
|
8 бит
|
10 бит
|
|
|
10 В
|
667
|
323
|
159
|
101
|
79
|
39
|
10
|
|
9 В
|
600
|
290
|
143
|
91
|
71
|
35
|
9
|
|
8 В
|
533
|
258
|
127
|
81
|
63
|
31
|
8
|
|
7 В
|
467
|
226
|
111
|
71
|
55
|
27
|
7
|
|
6 В
|
400
|
194
|
95
|
61
|
47
|
24
|
6
|
|
5.5 В
|
367
|
177
|
87
|
56
|
43
|
22
|
5
|
|
5 В
|
333
|
161
|
79
|
51
|
39
|
20
|
5
|
|
4 В
|
267
|
129
|
63
|
40
|
31
|
16
|
4
|
|
3 В
|
200
|
97
|
48
|
30
|
24
|
12
|
2.9
|
|
2 В
|
133
|
65
|
32
|
20
|
16
|
8
|
2.0
|
|
1 В
|
67
|
32
|
16
|
10
|
8
|
3.9
|
1.0
|
|
0.5 В
|
33
|
16
|
8
|
5
|
3.9
|
2.0
|
0.5
|
