Цифровые потенциометры против механических: специфика разработки высококачественных систем

Журнал РАДИОЛОЦМАН, сентябрь 2017

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.

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 R_AB. Сопротивления между концами потенциометра и его движком обозначаются R_AW и R_WB.

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 R_AW увеличивается, а R_BW 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 R_AW и R_WB, показано на Рисунке 3г. Этот режим дает возможность обеспечить линейную передаточную характеристику, зафиксировав сопротивления одного плеча (R_WB) и изменяя сопротивление другого (R_AW). 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