Электронные устройства с применением цифровых потенциометров

     МИНИСТЕРСТВО  ОБРАЗОВАНИЯ РЕСПУБЛИКИ БЕЛАРУСЬ

     Учреждение  образования «БЕЛОРУССКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ

     ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ» 
 
 
 

     Факультет    ИДиП

     Кафедра   ПОиСОИ

     Специальность   ПОиСОИ  
 
 
 
 
 
 
 
 

     ИНДИВИДУАЛЬНОЕ  ЗАДАНИЕ НА ТЕМУ:

     Электронные устройства с применением цифровых потенциометров 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

     Выполнила

     Студентка  Подбильская Наталья Сергеевна 

     Руководитель  проекта (работы)

     доцент  Беляев Валерий Павлович  
 
 
 

     Индивидуальное  задание защищено с оценкой_________ 
 

Минск 2010

     Реферат

     Индивидуальная  работа 23 с. Источников − 7 Таблица – 1; рисунков – 20; графиков − 8

     ЦИФРОВОЙ  ПОТЕНЦИОМЕТР, РЕЗИСТОР, ЭНЕРГОЗАВИСИМАЯ  ПАМЯТЬ,

     ФИЛЬТР, РАЗРЕШАЮЩАЯ СПОСОБНОСТЬ, ВЫХОДНОЙ СИГНАЛ,

     Индивидуальная  работа содержит ряд характеристик  цифрового потенциометра, сферу  и примеры их применения. Достоинства, недостатки, параметра, АЧХ. Примеры применения при управлении низкочастотного фильтра и управления громкости в аудиоаппаратуре. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

     Введение

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

     Цифровой  потенциометр электронный компонент, который имитирует функции аналоговых потенциометров.

     Цифровой  потенциометр — цифровое управление электронный компонент, которого имитирует функции потенциометра. Он часто используется для обрезки и масштабирования аналоговых сигналов микроконтроллеров. Это либо построены с использованием R-2R интегральной схемы или цифро-аналоговый преобразователь. Цифровой потенциометр электронных компонент, который часто контролируются цифровые протоколы, такие как I ² C и SPI , а также более основных Up/Down протоколов. Некоторые типичные использования цифровых потенциометров в цепях требует усиления контроля усилителей, слабого сигнала аудио-балансировки и настройки смещения.

     Основные  сведения

     Практически каждая электронная схема содержит элементы, предназначенные для заводской  подстройки характеристик или для оперативного управления ими пользователя 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, требующие ручной установки в необходимое положение, становятся цифровые потенциометры. Они тоже имеют свои ограничения по применению, однако при грамотном использовании способны заменить электромеханические устройства в подавляющем большинстве применений.

     Структурная схема цифрового потенциометра  показана на рис. 1

Цепочка резисторов с отводами, коммутируемыми ключами, представляет собой собственно потенциометр с тремя выводами R_H, R_L, R_W. Позиция движка R_W определяется позицией замкнутого ключа. Ключи управляются регистром (счетчиком) через дешифратор. Состояние счетчика изменяется через интерфейс входным логическим сигналом либо непосредственно, либо считыванием установленной в энергозависимой памяти позиции. Управляющая логика обеспечивает заданный режим работы. ЦП должен иметь, по крайней мере, два вывода для подключения питающего напряжения — V_CC и GND. Для работы в двухполярном режиме требуется вывод для подключения источника отрицательной полярности V_SS . В некоторых ЦП, предназначенных для использования при повышенных напряжениях,  прикладываемых к резистивному элементу, могут присутствовать отдельные выводы для подключения источника 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.

     Схема включения

     Большинство ЦП имеет три вывода от резистивного элемента, позволяющие включать устройство и потенциометром, и реостатом. В  некоторых моделях, имеющих корпус с малым количеством выводов, вывод RL объединен с выводом GND, что несколько ограничивает схемотехнические возможности их применения Обозначение выводов потенциометра RL и RH условно, определено только, что с увеличением кода, управляющего потенциометром, растет сопротивление между выводами R_L и R_W 
 

     Функциональная  характеристика

Подавляющее большинство ЦП имеет линейную зависимость  сопротивления от управляющего кода. Небольшая номенклатура ЦП имеет логарифмическую, или псевдологарифмическую зависимости сопротивления от кода.

     Сопротивление движка

     В ЦП отсутствует подвижный контакт  к резистивному элементу, его функции  выполняет набор электронных  ключей, коммутирующий отводы от цепочки  резисторов на вывод R_W . В качестве ключей используются МОП-транзисторы, а сопротивление канала выступает в роли контактного сопротивления (сопротивления движка). Максимальное значение движка превышает типовое в несколько раз. Сопротивление канала МОП –транзистора зависит от напряжения питания, имея большой температурный дрейф, что осложняет применение ЦП, особенно в режиме реостата или при заметной нагрузке потенциометра.

     Память

     Потенциометры, имеющие в своем составе энергозависимую  память EEPROM, при подаче питающих напряжений устанавливаются в определенное положение, программируемое при регулировке электронного устройства. Если ЦП не имеет встроенной энергозависимой 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.

Для определенных условий применений требуется наличие  энергозависимой памяти цифрового  потенциометра. Такие потенциометры  наиболее близки по функциям своим  механическим аналогам, поскольку они  удерживают значение сопротивления  вне зависимости от внешних условий, таких как, например, наличие питания в цепи. Цифровые потенциометры с функцией энергозависимой памяти широко используются в аудио оборудовании, поскольку сохраненные в памяти устройства параметры настройки устраняют необходимость проведения повторных установок резистора после включения питания. Цифровые потенциометры семейства MAX5427/MAX5428/MAX5429 предлагают уникальную опцию программирования. Каждое устройство имеет функцию однократного программирования (OTP, one-time program), которая устанавливает необходимое пользователю положение движка на уровне сброса по включению питания (POR). Положение движка все еще может быть регулируемым, но оно всегда возвращаеться к запрограммированному положению при включении питания. В качестве альтернативы, однократно программируемая пам'ять позволяет пользователю отключить интерфейс и единожды зафиксировать движок в требуемом положении, предотвращающая, таким образом, последующие нежелателные регулировки. В результате, устройство из потенциометра превращаеться фиксированный делитель напряжения.

     Допустимое  напряжение на выводах

     Принципиальное  отличие ЦП от переменных резисторов в том, что напряжение на выводах  ЦП не может быть больше регламентированного  значения. Для большинства моделей  это напряжение не может превышать напряжение питания. Подавляющее большинство ЦП предназначены для работы с однополярными источниками 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 на ЦП, остается все меньше. 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. 
 
 

     Полоса  пропускания

     Эквивалентная схема ЦП с учетом паразитных емкостей показана на рис. 2

Рис 2 Эквивалентная схема  ЦП

Коэффициент передачи делителя имеет частотную зависимость, с ростом частоты входного сигнала коэффициент передачи уменьшается. Чем меньше номинальное сопротивление ЦП, тем шире полоса пропускания. Для оценки пригодности ЦП в конкретном положении с широкополосным сигналом требуется провести расчеты полосы пропускания для реально возможных коэффициентов передачи делителя на постоянном токе. Типовые значения емкостей приводятся в справочных данных, для большинства ЦП C_L=C_H 10пФ,C_W=25пФ.

Шумы  помехи и искажения

Для большинства  ЦП нормируется уровень собственных шумов. Как правило, ЦП с меньшим значением номинального сопротивления характеризуется и меньшими шумами. Для ЦП характерен эффект проникновения цифровых управляющих сигналов в цепь переменного резистора через паразитные емкости. Для однократных заводских регулировок это не существенно. 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. Модуляция сопротивления канала коммутирующего МОП-транзистора вызывает нелинейное искажение сигнала в пределах 0,001−0,1%

     Достоинства ЦП

По сравнению  с обычными переменными резисторами, ЦП имеют ряд преимуществ:

• отсутствие подвижных механических частей;
• высокая надежность;
• нечувствительны к вибрациям;
• нет проблем с контактом при работе на малых токах;
• не требуется регулировочных отверстий для отвертки;
• быстрый процесс настройки;
• высокая точность регулировки;
• как и для обычных резисторов, начальное положение может быть загружено из EEPROM при включении питания;
• несколько устройств в одном корпусе с относительным отклонением менее 1 %;
• корпуса микросхем более компактны, чем корпуса построечных резисторов; например, ЦП выпускаются в корпусах TSSOP и SOT-23, что позволяет использовать их в PCMCIA-картах и в других критичных к объему устройства приложениях;
• стоимость цифровых потенциометров меньше стоимости качественных переменных резисторов.

     Недостатки

Существуют некоторые отличия цифровых потенциометров от обычных механических переменных резисторов, которые накладывают ограничения на их применение и в большинстве случаев являются недостатками.  

     Параметры ЦП

     Важнейшим параметром ЦП является количество коммутируемых отводов переменного резистора (количество шагов). Этот параметр определяет дискретность регулировки. Обычно количество шагов является степенью числа 2, но бывают ЦП и с другим количеством шагов, например 100. Наиболее распространены ЦП с количеством шагов от 32 до 256.

     Еще одним важным параметром ЦП, впрочем, как и обычного переменного резистора, является полное сопротивление. Наиболее распространены ЦП с полным сопротивлением 10, 50 и 100 кОм.

     Среди других параметров ЦП необходимо отметить

• максимальное напряжение на выводах переменного резистора
• сопротивление «щетки»
• максимальный допустимый ток
• максимальную рассеиваемую мощность
• шум
• нелинейность и температурный коэффициент.

     Амплитудно-частотная  характеристика

     Из-за наличия паразитных емкостей АЧХ  делителя, который образован ЦП, имеет спад на высоких частотах.

     Рис.3 Эквивалентная схема ЦП.

     Эквивалентная схема ЦП показана на рис. 2. Из нее видно, что ЦП представляет собой ФНЧ, частота среза которого зависит, в частности, от положения. Значения емкостей на рисунке указаны ориентировочно. Они зависят от типа ЦП и от положения. В то же время значения паразитных емкостей практически не зависят от номинального сопротивления ЦП. Поэтому там, где требуется широкая полоса пропускания, следует применять ЦП с возможно меньшим сопротивлением, имеющие более высокую частоту среза. Приблизительно частота среза для ЦП сопротивлением 100 кОм равна 100 кГц, 50 кОм — 200 кГц, 10 кОм — около 1 МГц (рис. 4). У обычных построечных резисторов паразитные емкости значительно меньше.

     Рис.4. АЧХ ЦП AD8400 

Область применения ЦП

     Области применения ЦП в настоящее время  весьма разнообразны и их становится все больше в связи с появлением более совершенных ЦП. С расширением номенклатуры ЦП, появлением моделей с дополнительными функциональными возможностями расширяеться и сфера применения. Вот некоторые из этих областей:

• цифровая регулировка усиления;
• реализация регулируемых источников опорного напряжения;
• регулировка громкости в аудиосистемах;
• регулировка смещения нуля в операционных усилителях;
• регулировка выходного напряжения стабилизаторов;
• настройка измерительных мостов;
• регулировка усиления, частоты настройки и добротности фильтров;
• регулировка полной шкалы и смещения в усилителях датчиков;
• регулировка частоты и скважности генераторов;
• регулировка смещения pin-диодов в ВЧ-аттенюаторах;
• регулировка контрастности и подсветки ЖК-индикаторах.
• Управление яркостью светодиодов;
• Оперативные и заводские регулеровки в аудио- и видеоаппаратуре, в том числе управление громкостью и стереобалансом в аудиоаппаратуре среднего класса;

     В настоящее время широко рекламируется  возможность применения ЦП в качестве регуляторов громкости и тембра в аудиоаппаратуре. Однако обычные ЦП имеют для этого слишком маленький динамический диапазон и большие искажения. Для цифровых потенциометров остается лишь узкая ниша low-end применений, таких как регулировка громкости в сотовых телефонах, переносной аппаратуре и устройствах multimedia. Для построения высококачественных регуляторов громкости выпускается ряд специализированных микросхем, таких как AD7111, AD7112 от Analog Devices, CS3310 от Crystal и др.

     Схемы включения ЦП приведены как в справочных материалах на конкретные изделия, так и в многочисленных фирменных руководствах по применению. На рисунке 5 изображена элегантная схема регулировки выходного напряжения импульсного стабилизатора напряжения. Характеристики стабилизатора слабо зависят от разброса номинального сопротивления ЦП и его ТКС. Имеющаяся номенклатура ЦП предоставляет разработчику богатый выбор. Самые широкие возможности имеют ЦП от Analog Devices, Intersil и Maxim.

Рис. 5 Применение ЦП в стабилизаторе напряжения

     Примеры применения ЦП

     На  рис. 6 а показана схема инвертирующего усилителя, коэффициент усиления которого регулируется с помощью ЦП в пределах от –0,5 до –2. Особенностью схемы является то, что она допускает диапазон входного напряжения ±10 В без нарушения  условия, что на выводах ЦП напряжение не должно превышать ±5 В.  

     Рис. 6.а        Рис. 6.б

     На  рис. 6 б приведен пример регулировки  смещения ОУ с помощью ЦП. Благодаря  резисторам, включенным последовательно  с ЦП, цепь регулировки смещения удалось запитать от источника ±15 В без нарушения ограничения ±5 В для ЦП.

     На  рис. 6 в изображен гиратор, значение эквивалентной индуктивности которого регулируется с помощью ЦП.

     На  рис. 6 г показан стабилизатор на основе IC LM317, выходное напряжение которого регулируется с помощью ЦП. В этой схеме максимальное выходное напряжение ограничено возможностями ЦП.

     Рис. 6.в       Рис. 6.г

     При построении широкополосных усилителей АЧХ даже самого низкоомного ЦП может  оказаться неудовлетворительной. В  таких случаях можно уменьшить  эффективное полное сопротивление  ЦП, включив параллельно ему постоянный резистор. На рис. 6 д показана схема усилителя, частота среза которого регулируется с помощью ЦП в пределах 0,13…1 МГц, а коэффициент усиления — в пределах 1−2.

     В некоторых приложениях, например при  регулировке тока лазерных диодов, разрешение обычных ЦП может оказаться недостаточным. В то же время применение ЦАП высокой разрядности является дорогостоящим решением. Используя простую верньерную схему, можно на основе счетверенного 64-шагового ЦП получить результирующее число шагов 8001 (рис. 6, е).

     Рис. 6.д

     Рис. 6.е

     Если  соединить последовательно два 64-шаговых  ЦП, то получим число шагов, равное 256. Если еще два ЦП использовать для задания напряжений на выводах  этого каскадного ЦП, то получим 63 разных интервала напряжения, в которых  будет работать каскадный ЦП (63 получается в результате того, что всегда положения двух дополнительных ЦП должны отстоять друг от друга на единицу). Используя 127 положений каскадного ЦП и 63 положения дополнительных ЦП, получаем общее количество шагов 8001. Теоретически можно увеличить это количество еще в два раза, если использовать все положения каскадного ЦП, однако разрешающую способность будет ограничивать нелинейность ЦП. С ЦП типа X9241 фирмы Xicor общая дифференциальная нелинейность не превышает 0,008 %. Ситуацию можно еще улучшить, если каскадный ЦП подключить через повторители на ОУ (рис. 6, ж).

Управление  цифровым потенциометром фильтром НЧ

Цифровые  потенциометры — достаточно гибкие устройства, которые могут применяться в самом широком спектре устройств, в том числе, и для создания низкочастотного фильтра с регулируемой полосой пропускания.

Простой НЧ фильтр. На рисунке 6 показан аудио НЧ фильтр, построенный с помощью DS3903. Схема питается от одиночного источника 2.7…5.5 В и имеет каскад предварительного усиления с максимальной амплитудной нагрузкой 5 В (1.77 ВRMS) от

источника питания 5 В. Для создания низкочастотного  фильтра с двумя полюсами (12 дБ приращения) на одной частоте, номинал конденсатора С3 должен в два раза превышать номинал С2. Потенциометры POT0 и POT2 запрограммированы на одинаковые

значения. Пороговая частота при такой  конфигурации составит:

где R_POT — значение сопротивления, соответствующее цифровому значению, запрограммированному в POT0 и POT2. Входной каскад схемы (C1, U1-POT1, U2A, R1, и R2) отвечает за контроль громкости. Также, он необходим для смещения DC напряжения аудио сигнала на уровень V_CC/2 для того, чтобы сигналы прошли через цифровой потенциометр и операционные усилители без изменения формы импульсов. Такая топология позволяет схеме работать с любым значением V_CC между 2.7 и 5.5 В, так как схема не может превысить выходное напряжение над напряжением питания. DC уровень выхода останется на уровне V_CC/2 до тех пор, пока входное напряжение не вышло за пределы напряжения питания. В приложениях, которые уже имеют схему ограничения напряжения питания, входной каскад может быть удален и использовано прямое подключение к фильтру. Если входная цепь удалена, выходной сигнал будет равняться входному сигналу, отфильтрованному через 2-полярный фильтр с пороговой частотой (f_C), включающей постоянную составляющую входного сигнала. Посредством изменения номинального значения конденсатора или выбора цифрового потенциометра с другим полным сопротивлением можно добиться пороговой частоты до 500 кГц. Модель резистора для расчета R_POT показана на рисунке 7. Для определенных положений движка ключ будет находиться в закрытом состоянии, а для других положений он будет разомкнут. Каждое изменение положения движка в сторону увеличения может расцениваться как увеличение сопротивления на 1 LSB (10 кОм/125=78 Ом для DS3903), за исключением максимального положения, где параллельная комбинация сопротивлений потенциометра и движка может вызвать некоторую нелинейность.

Рис. 6 Аудио фильтр низких частот с DS3903.

Рис. 7 Принципиальная схема цифрового потенциометра.

Формула для расчета R_POT:

Формула для расчета R_POT: где: RLSB - эквивалентное полное сопротивление, приводимое в документации, разделенное на количество шагов потенциометра.

R_W −сопротивление движка, указанное в документации изделия

n −программируемые положения потенциометра

a −количество шагов цифрового потенциометра.

Зависимость значения сопротивления R_POT для DS3903 с номинальным значением 10 кОм показана на рисунке 8. График подразумевает, что конечное сопротивление составляет ровно 10 кОм и импеданс движка не превышает 500 Ом. Оба эти параметра подвержены значительным изменениям, но отклонения, в первую очередь, влияют на минимальную и максимальную пороговую частоту. Действительное значение пороговой частоты может быть настроено в любой точке диапазона от минимального до максимального значений. Поэтому выбирают номинал конденсатора, который устанавливает требуемую пороговую частоту по центру настраиваемого схемой диапазона. Работа цепи, представленной на рисунке 6, была протестирована с помощью аудио тестера. На рисунках 9-11 показаны результаты тестов эффективности усиления и THD+N.

Рис. 8

Рис 9

Рис 10

Рис 11

Возможно, самое большое ограничение, которое накладывает использование цифрового потенциометра, связано с тем, что напряжение на выводах потенциометра должно быть в диапазоне V_CC, чтобы диоды с ESD защитой не искажали аудио сигналы. Выбор типа потенциометра (линейного или логарифмического) повлияет на характер регулировки пороговой частоты: линейный или логарифмический, соответственно. От разрешающей способности выбранного типа потенциометра (например, 128 или 256 шагов) будет зависеть насколько точно можно настроить частоту среза. Чем выше разрешение потенциометра, тем точнее настройка частоты. Как правило, вероятность того, что в аудио приложении может потребоваться потенциометр с разрешением более 64 или 128 положений, не велика. Желательно использовать потенциометр с высокой разрешающей способностью для устройств, где полоса пропускания фильтра регулируется в широком диапазоне частот. Некоторые цифровые потенциометры имеют встроенную энергонезависимую память, которая позволяет сохранять положение среднего контакта после отключения и включения питания. Такую опцию можно использовать для калибровки положения фильтра и не регулировать его при последующих включениях питания. Потенциометры без энергонезависимой памяти запускаются с предварительно установленного положения, т.е. требуют повторных регулировок. Цифровые потенциометры имеют большую погрешность конечного сопротивления и сопротивления движка. Несмотря на то, что точные значения потенциометров всё еще будут расходиться (обычно погрешность составляет ±20% от полного сопротивления), их относительные значения будут совпадать. Кроме того, цифровые потенциометры содержат некоторую внутреннюю паразитную емкость, которая будет ограничивать максимальную рекомендуемую частоту среза фильтра. Не рекомендуется использовать 10 кОм потенциометры с частотой среза более 500 кГц, потенциометры 50 кОм — с частотой более 100 кГц, и потенциометры 100 кОм — с частотой более 50 кГц. Для аудио приложений существующая полоса пропускания вполне достаточна, но для широкополосных устройств об этом не следует забывать.

Управление  громкостью с помощью  цифровых потенциометров

     По  сравнению с громоздкими механическими  устройствами, цифровые потенциометры предоставляют значительные преимущества в области звукового контроля, особенно там, где речь идет о портативной электронике, МР3 плейерах, мобильных телефонам, стерео AM/FM радио. Многие современные портативные устройства предлагают пользователям в качестве дополнительной функции стерео аудио приемник, например, для воспроизведения МР3 файлов или прослушивания радио on-line через интернет. Для таких схем сегодня применяются множество специализированных микросхем, тем не менее, здесь могут быть так же эффективно применены стандартные компоненты с малой мощностью потребления. Исторически сложилось, что для контроля громкости звучания применяют специальные потенциометры с логарифмической зависимостью. Нелинейность выходной характеристики таких устройств отвечает особенностям человеческого восприятия звуковых сигналов.

     Как правило, в центральном положении  среднего контакта логарифмические потенциометры давали 20 дБ приращения, затем аттенюация значительно увеличивалась при вращении движка от средней точки против часовой стрелки и уменьшалась при вращении по часовой стрелки (в сторону усиления громкости). Несмотря на ряд преимуществ, было несколько причин, мешающих использованию потенциометров в портативной электронике, в числе которых можно назвать ограничение по площади, занимаемому устройством на плате, а также вопросы надежности. В то же время, сочетание кнопок и какого-либо головного процессора стало широко распространенной практикой для управления громкостью. Такое решение было недорогим и очень удобным в схемотехническом отношении. Поворотные стерео потенциометры также имеют проблемы с механическим конструктивном, погрешность регулировки значительно увеличивается при повороте ручки вправо и влево. Кроме того, необходимо учитывать для какого типа регулировки будет использован данный механический потенциометр: для регулировки в полном диапазоне громкости, для регулировки баланса в 30 дБ от полного диапазона, но без возможности регулировки полного диапазона.

     Выбор цифрового потенциометра  для регулировки громкости.

     В последние несколько лет были разработаны цифровые потенциометры с резистивной архитектурой лестничного типа и интегрированными транзисторами с цифровым управлением для полной замены механических потенциометров в ряде применений. С первого взгляда, использование пары потенциометров покажется логичным решением для регулировки звука в стерео системах, тем не менее, есть ряд замечаний, которые необходимо учитывать перед выбором потенциометра.