ЭФО предлагает со своего склада новую серию преобразователей интерфейсов USB UART компании FTDI FT232RNL-REEL
РадиоЛоцман - Все об электронике

Способы снижения погрешности цифровых потенциометров

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.

Критерии выбора литиевых аккумуляторов и батареек: что необходимо учитывать разработчикам

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:

   (1)

или:

  (2)

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:

  (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:

  (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

Перевод: AlexAAN по заказу РадиоЛоцман

На английском языке: Get Precision Performance from a Digitally Controlled Potentiometer (DCP)

Электронные компоненты. Летние скидки и кэшбэк от ТМ Электроникс
Для комментирования материалов с сайта и получения полного доступа к нашему форуму Вам необходимо зарегистрироваться.
Имя