Подписка на новости

Опрос

Нужны ли комментарии к статьям? Комментировали бы вы?

Реклама

 

2006 №5

Цифровые потенциометры

Пушкарев Михаил


Цифровые потенциометры — альтернатива электромеханическим переменным резисторам. Их применение позволяет придать новые свойства электронным устройствам при одновременном уменьшении массогабаритных показателей и повышении надежности.

Практически каждая электронная схема содержит элементы, предназначенные для заводской подстройки характеристик или для оперативного управления ими пользователем аппаратуры. В подавляющем большинстве случаев для этих целей предназначены переменные резисторы, номенклатура которых весьма велика. Заменой электромеханическим резисторам с подвижным контактом, имеющим ограниченный ресурс, относительно большие габариты, требующим ручной установки в необходимое положение, становятся цифровые потенциометры (ЦП). Они тоже имеют свои ограничения по применению, однако при грамотном использовании способны заменить электромеханические устройства в подавляющем большинстве применений.

Структурная схема типичного цифрового потенциометра показана на рис. 1.

Рис. 1. Структурная схема цифрового потенциометра
Рис. 1. Структурная схема цифрового потенциометра

Цепочка резисторов с отводами, коммутируемыми ключами, представляет собой собственно потенциометр с тремя выводами RH, RL и RW. Положение движка RW определяется позицией замкнутого ключа. Ключи управляются регистром (счетчиком) через дешифратор. Состояние счетчика изменяется через интерфейс входными логическими сигналами либо непосредственно, либо считыванием установленной в энергонезависимой памяти позиции. Управляющая логика обеспечивает заданный режим работы. ЦП должен иметь, по крайней мере, два вывода для подключения питающего напряжения — VCC и GND. Для работы в двухполярном режиме требуется вывод для подключения источника отрицательной полярности VSS. В некоторых ЦП, особенно предназначенных для использования при повышенных напряжениях, прикладываемых к резистивному элементу, могут присутствовать отдельные выводы для подключения к источнику питания аналоговой части V+ и V–. Для управления по соответствующей цифровой шине предназначено несколько интерфейсных выводов. От одного до четырех адресных выводов используется для присвоения индивидуального адреса ЦП при работе нескольких устройств на одной шине. Конкретный тип ЦП в зависимости от своих функциональных возможностей может иметь как более простую, так и более сложную схему.

Перечень фирм-производителей цифровых потенциометров, а также их основные характеристики приведены в таблице 1.

Таблица 1. Фирмы-производители цифровых потенциометров; * – У ЦП Summit специфическая схемотехника и ТКС в режиме потенциометра для большинства изделий не нормирован.
Таблица 1. Фирмы-производители цифровых потенциометров; * – У ЦП Summit специфическая схемотехника и ТКС в режиме потенциометра для большинства изделий не нормирован.

Номенклатура ЦП, представленная в таблице 2, предоставляет разработчику богатый выбор. Наиболее широкие возможности имеют ЦП от Analog Devices, Intersil и Maxim.

Схема включения

Большинство ЦП имеет три вывода от резистивного элемента, позволяющие включать устройство и потенциометром, и реостатом. Такие ЦП, как AD5246, AD5248, CAT5121, CAT5122, ISL90460, MAX5434, MCP4012, имеют только два вывода, позволяющие включать их только реостатом. AD5162, MAX5403_5, MAX5498_9 содержат один потенциометр и один реостат. В некоторых моделях, имеющих корпус с малым количеством выводов, к примеру ISL90460, ISL90462, вывод RL объединен с выводом GND, что несколько ограничивает схемотехнические возможности их применения. Обозначение выводов потенциометра RL и RH условно, определенно только, что с увеличением кода, управляющего потенциометром, растет сопротивление между выводами RL и RW.

Функциональная характеристика

Подавляющее большинство ЦП имеет линейную зависимость сопротивления от управляющего кода. Небольшая номенклатура ЦП имеет логарифмическую, как CAT5116, X9314, X9460, DS1866, MAX5407_11, или псевдологарифмическую, как DS1666, зависимость сопротивления от кода. Например, модели AD5231, AD5232, AD5235, AD5253_5 имеют две программируемые пользователем зависимости сопротивления — линейную и логарифмическую.

Номинальное сопротивление

Номинальное значение сопротивления резисторов находится в пределах от 1 до 1000 кОм. Нижний предел сопротивления ограничен как используемыми резистивными материалами, так и существенным увеличением влияния сопротивления движка. Большинство ЦП имеют номинальные значения сопротивления, равные 10, 50, 100 кОм. Потенциометры сопротивлением 1000 кОм производит только Analog Devices (AD5222, AD5241, AD5242). Отклонение сопротивления от номинального значения довольно значительно, в пределах ±(15–35)%, что объясняется сложностью производства точных резисторов по технологии интегральных схем.

Температурный коэффициент сопротивления

Температурный коэффициент сопротивления (ТКС) находится в пределах ±(15–850) ppm/°С. Нижнее значение параметра соответствует уровню наилучших по этой характеристике металлофольговых переменных резисторов, а верхнее значение намного лучше, чем у углеродистых переменных резисторов. Значительно меньше температурный коэффициент отношения сопротивлений (ТКОС) (температурный коэффициент делителя), равный ±(1–60) ppm/°С. Для некоторых типов цифровых потенциометров величина ТКОС весьма мала при значительном ТКС (для MCP410x и MCP420x ±1 и ±800 ppm/°С соответственно). Стоит отметить, что обычно ТКС нормируется для полного сопротивления, а ТКОС — в среднем положении движка, при этом приводятся типовые значения параметров, однако из этих правил есть исключения. Так, для AD5259 типовое значение ТКС в начальном и среднем положении движка равно соответственно 500 и 15 ppm/°C, а типовое значение ТКОС — 60 и 5 ppm/°C. Для большинства ЦП фирмы Catalist Semiconductor и части ЦП фирмы Intersil нормировано максимальное значение ТКОС, равное 20 ppm/°C.

Сопротивление движка

В ЦП отсутствует подвижный контакт к резистивному элементу, его функции выполняет набор электронных ключей, коммутирующий отводы от цепочки резисторов на вывод RW. В качестве ключей используются МОП-транзисторы, а сопротивление канала выступает в роли контактного сопротивления (сопротивления движка). Его типовое значение для разных моделей ЦП находится в пределах от 15 Ом (для AD5233) до 1000 Ом (для MAX5436_9). Максимальное значение сопротивления движка превышает типовое в несколько раз. Сопротивление канала МОП-транзистора зависит от напряжения питания, имеет большой температурный дрейф, что осложняет применение ЦП, особенно в режиме реостата или при заметной нагрузке потенциометра.

Количество ступеней

Следующее отличие ЦП от электромеханических резисторов в дискретном характере изменения сопротивления. Поскольку резистивный элемент представляет собой цепочку резисторов с отводами, сопротивление изменяется скачками от ступени к ступени, а разрешающая способность зависит от количества ступеней, которых в различных моделях ЦП может быть от 8 до 1024. Ненулевая разрешающая способность характерна и для проволочных переменных резисторов, часто используемых в качестве регулировочных элементов в прецизионных устройствах. В диапазоне сопротивлений 10–50 кОм эквивалентное и лучшее разрешение по сравнению с проволочными переменными резисторами имеют ЦП с количеством ступеней 512 и 1024. Обычно для ЦП с несколькими потенциометрами в корпусе количество ступеней одинаково для всех потенциометров. DS1845, DS1855 имеют один потенциометр на 100 ступеней, второй на 256 ступеней, а DS1846 — два потенциометра на 100 ступеней, один на 256 ступеней.

Количество резисторов в корпусе

Конструктивно в одном корпусе объединяются от одного до шести резисторов. Шесть резисторов в корпусе имеют только AD5206 и DS3930, причем в последнем присутствуют общий для всех резисторов вывод RL и два вывода RH, каждый на группу из трех резисторов. Практически все ЦП имеют в корпусе резисторы с одинаковыми номинальными сопротивлениями. Исключение — DS1845, DS1846, DS1855, DS3902, DS3906, X9241AM, включающие от двух до четырех потенциометров различных номиналов. Некоторые модели с двумя и более резисторами в корпусе обладают хорошо согласованными характеристиками. Для всех ЦП Catalist Semiconductor и части ЦП Analog Devices нормировано максимальное различие в сопротивлениях потенциометров в корпусе не более 1%.

Нелинейность характеристики

Для ЦП с линейной характеристикой нормируются дифференциальные и интегральные нелинейности в единицах младшего значащего разряда при включении потенциометром и реостатом. Значения нелинейности при включении потенциометром не более 0,25–2 МЗР для интегральной нелинейности, и не более 0,2–1 МЗР для дифференциальной нелинейности. Нелинейности при включении реостатом обычно равны или несколько больше соответствующих значений при включении потенциометром. Для ЦП с логарифмической характеристикой обычно приведены максимальные отклонения в дБ от идеальной характеристики.

Память

Потенциометры, имеющие в своем составе энергонезависимую память EEPROM, при подаче питающих напряжений устанавливаются в определенное положение, программируемое при регулировке электронного устройства. Если ЦП не имеет встроенной энергонезависимой памяти, то при включении питания, как правило, его движок устанавливается в начальное положение в ЦП с логарифмической характеристикой и в среднее положение в ЦП с линейной характеристикой. В AD5228 предустановка в начальное или среднее положение при подаче питания программируется коммутацией соответствующего вывода. Все ЦП фирмы Winbond Electronics и большая часть ЦП фирм Catalist Semiconductor и Intersil имеют встроенную энергонезависимую память. Все ЦП фирм Austriamicrosystems и Microchip, напротив, не имеют такой памяти. Среди ЦП, выпускаемых Analog Devices и Maxim, есть однократно программируемые изделия. Такие ЦП после установки движка в требуемое положение можно перевести в состояние, при котором последующая регулировка будет уже невозможна.

Таблица 2. Цифровые потенциометры (полную версию таблицы см. на сайте http://www.finestreet.ru/_pub/Table_2_full.xls)
Таблица 2. Цифровые потенциометры (полную версию таблицы см. на сайте http://www.finestreet.ru/_pub/Table_2_full.xls)
Таблица 2. Цифровые потенциометры (полную версию таблицы см. на сайте http://www.finestreet.ru/_pub/Table_2_full.xls)
Таблица 2. Цифровые потенциометры (полную версию таблицы см. на сайте http://www.finestreet.ru/_pub/Table_2_full.xls)
Таблица 2. Цифровые потенциометры (полную версию таблицы см. на сайте http://www.finestreet.ru/_pub/Table_2_full.xls)
Таблица 2. Цифровые потенциометры (полную версию таблицы см. на сайте http://www.finestreet.ru/_pub/Table_2_full.xls)
Таблица 2. Цифровые потенциометры (полную версию таблицы см. на сайте http://www.finestreet.ru/_pub/Table_2_full.xls)
Таблица 2. Цифровые потенциометры (полную версию таблицы см. на сайте http://www.finestreet.ru/_pub/Table_2_full.xls)

Допустимое напряжение на выводах

Принципиальное отличие ЦП от переменных резисторов в том, что напряжение на выводах ЦП не может быть больше регламентированного. Для большинства моделей это напряжение не может превышать напряжения питания. Подавляющее большинство ЦП предназначены для работы с однополярным источником питания напряжением 3–5 В, соответственно и потенциалы на выводах должны находиться в пределах 0–3(5) В. Это ограничивает область применения ЦП, но с учетом тенденции снижения питающего напряжения аппаратуры мест, в которых переменные резисторы не могут быть заменены ЦП, остается все меньше. Потенциометры X9318, X9319 при напряжении питания 5 В имеют допустимый диапазон напряжений на выводах потенциометра 0–8 В и 0–10 В соответственно, а XISL95310, ISL95311 даже 0–13 В. ЦП AD5260, AD5262, AD5280, AD5282 при соответствующем напряжении питания в однополярном режиме допускают напряжения на выводах в пределах 0–15 В, а AD5290 и AD7376 — в пределах 0–30 В. X9313, X9314, X9511 и некоторые другие ЦП от Intersil при однополярном питании работоспособны и при отрицательных потенциалах на выводах потенциометра. Многие модели ЦП могут использоваться и с двухполярным питанием, обычно при этом номинальное напряжение источников питания вдвое меньше, чем при однополярном питании, или равно ему. Такие ЦП, как X9420, X9428, DS1808, MAX5436_9, и некоторые другие, требуют наряду с питанием цифровой части отдельного двухполярного источника для питания аналоговой части, напряжение которого и определяет допустимый диапазон напряжений на выводах потенциометра. Для MAX5436_9 допустимый диапазон напряжений питания аналоговой части в пределах ±(5–15) В.

Полоса пропускания

Эквивалентная схема ЦП с учетом паразитных емкостей показана на рис. 2. Коэффициент передачи делителя имеет частотную зависимость, с ростом частоты входного сигнала коэффициент передачи уменьшается. Для всех ЦП, выпускаемых Austriamicrosystems, Analog Devices, Winbond Electronics, части ЦП Catalist Semiconductor и Maxim нормировано типовое значение полосы пропускания на уровне –3 дБ в режиме делителя напряжения при среднем положении движка, что позволяет сравнивать частотные свойства ЦП. Чем меньше номинальное сопротивление ЦП, тем шире его полоса пропускания. Для оценки пригодности ЦП в конкретном приложении сширокополосным сигналом потребуется провести расчеты полосы пропускания для реально возможных коэффициентов передачи делителя на постоянном токе. Типовые значения емкостей приводятся в справочных данных, для большинства ЦП CL = CH = 10 пФ, CW = 25 пФ. Однако для ЦП Austriamicrosystems и Analog Devices типовые значения CL(CH) = = 10–140 пФ, CW = 35–150 пФ, а ЦП серий MCP41xxx, MCP42xxx от Microchip имеют рекордно малое значение CW = 5,6 пФ. Заметная разница значений соответствующих емкостей для ЦП разных производителей может быть вызвана различиями в методиках измерения.

Рис. 2. Эквивалентная схема ЦП
Рис. 2. Эквивалентная схема ЦП

Шумы, помехи и искажения

Для большинства ЦП нормируется уровень собственных шумов. Как правило, ЦП с меньшим значением номинального сопротивления характеризуются и меньшими шумами.

Для ЦП характерен эффект проникновения цифровых управляющих сигналов в цепь переменного резистора через паразитные емкости. Для однократных заводских регулировок это несущественно. Но для оперативных регулировок, когда появление помех нежелательно, например, для регулирования громкости в усилителе, следует использовать ЦП с нормированным уровнем помех.

Для некоторых многоканальных ЦП нормируется взаимовлияние сигналов переменного тока в разных каналах, например, для AD5262 этот показатель равен –64 дБ на частоте 10 кГц, а для X9460 соответственно –102 дБ на частоте 1 кГц.

Модуляция сопротивления канала коммутирующего МОП-транзистора вызывает нелинейные искажения сигнала в пределах 0,001–0,1%.

Интерфейс и адресация

Для управления ЦП используются в основном три типа управляющих шин: SPI, I2C и Up/Down. Для некоторых моделей интерфейсы называются 3-Wire и 2-Wire, чаще всего при этом обеспечена совместимость с SPI и I2C соответственно, но могут быть и исключения, которые отмечены в справочной документации на конкретную микросхему. Единственный ЦП, DS2890, имеет интерфейс 1-Wire, причем для исполнения в трехвыводном корпусе ТО-92 через один вывод обеспечивается питание и управление. У части моделей ЦП предусмотрено по две разных шины управления, например SPI+I2C (AD5161, AD5263), 2-Wire+Up/Down (X9455), SPI+Up/Down (MAX5482_5).

Интерфейс Up/Down предоставляет возможность управлять ЦП вручную с помощью кнопок и существует в нескольких версиях. В AD5228 двумя кнопками — Push-Up и Push-Down — можно увеличить или соответственно уменьшить номер позиции движка. AD5227, CAT5111, CAT5113, CAT5116, X9116, X93154, WMS71xx имеют три вывода управления: CS — выбор устройства, U/D — направление, CLK или INC — регулирование. В ЦП CAT5110, CAT5118_22, ISL90460_2, MCP4011_14 вывод CS предназначен для выбора направления регулирования, а вывод U/D — для регулирования.

Некоторые модели ЦП обладают возможностью адресации, что позволяет управлять группой потенциометров по одной управляющей цифровой шине. Наиболее распространенный способ адресации ЦП — коммутация в соответствующих комбинациях от одного до четырех адресных выводов на положительный полюс питания и на «землю». Этим обеспечивается работа на одной управляющей шине двух (X9420, X8421), четырех (AD5251_4, AD5259, CAT5132, CAT5411, ISL23711, ISL95311), восьми (X9428, ISL90840, DS1845) или шестнадцати (CAT5221, CAT5419) устройств. В AD5228 комбинацией уровней на двух адресных выводах с тремя состояниями можно задать девять адресов. MAX5417_19 имеют четыре установленных производителем адреса, определяемых буквенным суффиксом, коммутацией одного внешнего вывода адресация расширяется до восьми устройств. DS3902 позволяет записать в энергонезависимую память до 128 адресов. Каждый DS2890 имеет уникальный 64-битный идентификационный номер, записанный производителем.

Конструктивное исполнение и условия эксплуатации

ЦП выпускаются в различных корпусах в зависимости от функциональных возможностей и требуемого количества выводов. Для монтажа в отверстия предназначены единственный в своем роде DS2890 в трехвыводном ТО-92 и много моделей в пластиковых DIP-корпусах с числом выводов от 8 до 24. Большинство ЦП выпускаются в корпусах для поверхностного монтажа: пяти-, шестивыводных SOT-23, SC-70 иMSOP, SO, TSSOP с числом выводов от 8 до 24. Есть модели в миниатюрных корпусах TDFN и BGA.

Диапазон рабочих температур для подавляющего большинства ЦП от –40 до +85 °С. Часть моделей ЦП фирм Catalist Semiconductor и Intersil выпускаются и для применения при температурах от 0 до +70 °С. Пожалуй, только Austriamicrosystems и Analog Devices изготовляют ЦП с более широким температурным диапазоном эксплуатации, вплоть до автомобильного: от –40 до +125 °С.

Дополнительные функциональные возможности

ЦП DS3904_5 включают три переменных резистора с объединенными с GND выводами RL и ключами в каждом из выводов RH, которыми резистор переводится в высокоимпедансное состояние. В MAX5437 и MAX5439 есть нескоммутированный операционный усилитель с возможностью отключения, а в SMP9512 — встроенный источник опорного напряжения. Для экономии электроэнергии некоторые модели ЦП Analog Devices (AD5200_1, AD5241_2, AD5260, AD5262, AD5280, AD5282) и Microchip (MCP41XXX, MCP42XXX) имеют вывод SHDN, позволяющий отключить управление. В некоторых ЦП (AD7376, MCP42XXX) предусмотрен вывод RS для установки движка в среднее положение. В AD5165 со сверхнизким энергопотреблением — инверсный вход выбора устройства CS для уменьшения энергопотребления. Наличие входа MODE позволяет изменять сопротивление двух потенциометров в AD5222 либо одновременно, либо порознь. Два встроенных диода в AD2850 предназначены для построения логарифмирующего усилителя. Для исключения влияния сопротивления нагрузки на характеристики потенциометра несколько типов ЦП фирмы Catalist Semiconductor (CAT5111, CAT5112 и др.) имеют на выходе буферный повторитель. Некоторые ЦП с интерфейсом SPI (AD5232, DS1867, WMS7201_4 и др.) оснащены выходами данных, позволяющими включать группу ЦП цепью с управлением по одной шине.

Среди множества моделей ЦП особое место занимают MAX5420, MAX5421, MAX5430, MAX5431, предназначенные для применения в усилителях с программируемым усилением, и MAX5426, предназначенный для применения в инструментальных усилителях с программируемым усилением. Все они имеют по четыре ступени, для них с очень высокой точностью нормируется отношение сопротивлений (0,025, 0,09 и 0,5 %) в рабочем диапазоне температур.

Области применения

С расширением номенклатуры ЦП, появлением моделей с дополнительными функциональными возможностями расширяется и сфера их применения. Вот лишь некоторые:

  • оперативные и заводские регулировки в источниках опорного напряжения и источниках питания;
  • регулировка смещения нуля операционных усилителей;
  • регулировки «нуля» и «диапазона» в разнообразных датчиках;
  • регулировки контрастности и подсветки в ЖК-индикаторах,
  • управление яркостью светодиодов;
  • оперативные и заводские регулировки в аудио- и видеоаппаратуре, в том числе управление громкостью и стереобалансом в аудиоаппаратуре среднего класса;
  • управление частотой настройки, добротностью и усилением активных фильтров.

Схемы включения ЦП приведены как в справочных материалах на конкретные изделия, так и в многочисленных фирменных руководствах по применению. На рис. 3 изображена элегантная схема регулировки выходного напряжения импульсного стабилизатора напряжения. Характеристики стабилизатора слабо зависят от разброса номинального сопротивления ЦП и его ТКС.

Рис. 3. Применение ЦП в стабилизаторе напряжения
Рис. 3. Применение ЦП в стабилизаторе напряжения

Имеющаяся номенклатура ЦП предоставляет разработчику богатый выбор. Самые широкие возможности имеют ЦП от Analog Devices, Intersil и Maxim.

Скачать статью в формате PDF  Скачать статью Компоненты и технологии PDF

 


Другие статьи по данной теме:

Сообщить об ошибке