Základy digitálních potenciometrů a jejich používání

Mechanické potenciometry používají konstruktéři po desetiletí v aplikacích od trimování obvodů po ovládání hlasitosti. Mají však svá omezení: jejich jezdci se mohou opotřebovat, jsou náchylné k pronikání vlhkosti a mohou se náhodně vychýlit z nastavené polohy. Navíc, jak se svět mění na digitální, potřebují konstruktéři alternativu, která by splnila požadavky na přesnější ovládání a vysokou spolehlivost, společně s flexibilitou dálkového nastavování hodnot pomocí firmwaru.

Integrované digitální potenciometry - často nazývané digipoty - řeší tyto problémy propojením digitální domény se světem analogových rezistorů. Jako plně elektronické součásti kompatibilní s mikrokontroléry umožňují digipoty procesoru a softwaru řídit, nastavovat a měnit svého hodnotu odporu nebo poměr děliče napětí.

Nabízejí vlastnosti a funkce, které mechanické součásti nemohou poskytovat, a jsou odolnější a spolehlivější, protože nemají pohyblivý jezdec. Nelze je záměrně vylaďovat, ani neúmyslně nastavovat, čímž jsou vyloučeny nevysvětlitelné změny chování. Aplikace kromě mnoha dalších zahrnují tepelnou stabilizaci LED diod, stmívání LED diod, ovládání zisku v uzavřené smyčce, úpravu hlasitosti zvuku, kalibraci a trimování Wheatstoneova můstku pro senzory, ovládání zdrojů proudu a ladění programovatelných analogových filtrů.

Tento článek poskytne stručný úvod do potenciometrů a jejich vývoje směrem k digipotům. Poté s využitím součástí od společností Analog Devices, Maxim Integrated, TMicrochip Technology, a Texas Instruments vysvětlí princip funkce, základní a pokročilé konfigurace digipotu a způsob, jakým řeší požadavky na regulaci obvodu. Článek ukáže, jak lze jejich funkce, vlastnosti, schopnosti a možnosti využívat ke zjednodušení obvodů, zajištění kompatibility obvodů s procesory a snížení nebo dokonce odstranění potřeby objemných a méně spolehlivých mechanických potenciometrů.

Začínáme se základy potenciometrů

Potenciometr byl nezbytnou součástí pasivního obvodu od prvních dnů elektrotechniky a elektroniky. Jedná se o třísvorkovou součástku s přístupným odporovým prvkem poskytující funkci děliče napětí prostřednictvím uživatelsky nastavitelného jezdce na otočné hřídeli. Používá se v široké škále analogových obvodů a obvodů se smíšeným signálem pro splnění celé řady aplikačních požadavků (obrázek 1).

Obrázek 1: standardní potenciometr je uživatelsky nastavitelný proměnný odpor s otočnou hřídelí. (Zdroj obrázku: etechnog.com)

Odpor, který vnímá obvod mezi jedním koncovým kontaktem a nastavitelným jezdcem, se mění od nulové hodnoty (nominální) až po plný jmenovitý odpor drátu nebo filmu během otáčení a klouzání jezdce po odporové dráze. Většina potenciometrů má rozsah otáčení přibližně 270 až 300 stupňů s typickým mechanickým rozlišením a opakovatelností přibližně 0,5 % a 1 % hodnoty plného rozsahu (jeden díl z 200, resp. 100).

Všimněte si, že existuje nepatrný, ale zřetelný a důležitý rozdíl mezi potenciometrem a jeho mladším sourozencem, reostatem. Potenciometr je třísvorková součást fungující jako dělič napětí (obrázek 2, vlevo), zatímco reostat je dvousvorkový proměnný odpor, který řídí tok proudu. Potenciometr je často zapojen tak, aby vytvořil reostat, který lze realizovat jedním ze tří podobných způsobů, a to ponecháním koncové svorky nezapojené nebo připojené přímo k jezdci (obrázek 2, vpravo).

Obrázek 2: potenciometr s koncovými svorkami A a B a jezdcem W (vlevo) lze snadno používat jako reostat v jednom ze tří způsobů zapojení (vpravo). (Zdroj obrázku: Analog Devices)

Digipoty: Potenciometry v podobě IO

Plně elektronický digitální potenciometr emuluje funkci elektromechanického potenciometru, ale činí tak pomocí integrovaného obvodu bez pohyblivých částí. Potenciometr přijímá digitální kód v jednom z několika formátů a stanoví odpovídající hodnotu odporu. Jako takový je někdy označován jako odporový digitálně-analogový převodník (RDAC).

Ručka (někdy také malý motorek) u tradičního potenciometru nastavuje polohu jezdce a tím i poměr děliče napětí. V digipotu se však počítačové ovládací prvky připojují k IO přes digitální rozhraní a nastavují ekvivalentní hodnotu polohy jezdce (obrázek 3).

Obrázek 3: integrovaný digipot nahrazuje ruční otáčení jezdce potenciometru digitálně nastavitelným elektronickým spínačem, který emuluje mechanický jezdec (Zdroj obrázku: Circuits101, upraveno)

Digipot využívá standardní technologii CMOS IO a nevyžaduje speciální výrobu ani manipulaci. Velikost IO digipotu pro povrchovou montáž, která je obvykle 3 x 3 mm nebo nižší, je mnohem menší než velikost potenciometru ovládaného knoflíkem nebo dokonce malého trimru (trimpot) ovládaného šroubovákem a při výrobě desek plošných spojů se s ním manipuluje stejně jako s jakýmkoli jiným IO pro povrchovou montáž (SMT).

Vnitřní topologie digipotu se v zásadě skládá z jednoduchého sériového řetězce odporů s digitálně adresovatelnými elektronickými spínači mezi jezdcem a těmito odpory. Pomocí digitálního příkazu se příslušný spínač zapne, zatímco ostatní se vypnou, čímž se nastaví požadovaná poloha jezdce. V praxi má tato topologie některé nevýhody včetně velkého počtu požadovaných odporů a spínačů a větší velikosti matrice.

Aby se tyto obavy minimalizovaly, vymysleli prodejci chytré alternativní uspořádání rezistorů a spínačů, které snižují jejich počet, ale mají stejný účinek. Každá z těchto topologií má za následek malé rozdíly ve způsobu určení rozsahu digipotu a v jeho charakteristikách druhé úrovně, ale mnohé z toho je pro uživatele transparentní. Po zbytek tohoto článku budeme pro elektromechanické zařízení používat termín potenciometr a pro plně elektronické zařízení digipot.

Digipoty nabízejí rozsah specifikací a funkcí

Stejně jako u všech součástí je i při výběru digipotu třeba vzít v úvahu parametry nejvyšší úrovně a také sekundární parametry. Mezi hlavní kritéria patří jmenovitá hodnota odporu, rozlišení a typ digitálního rozhraní, přičemž je nutno zohlednit také zdroje chyb a jejich toleranci, rozsah napětí, šířku pásma a zkreslení.

• Požadovaná hodnota odporu, často nazývaná odpor mezi koncovými body, je určena konstrukčními požadavky obvodu. Prodejci nabízejí odpory v rozsahu 5 kΩ až 100 kΩ v 1/2/5 sekvenci s některými dalšími mezilehlými hodnotami. Kromě toho existují jednotky s rozšířeným dosahem, jejichž spodní hodnota odporu dosahuje až 1 kΩ a horní hodnota až 1 MΩ.

• Rozlišení definuje, kolik diskrétních kroků nebo odboček digipot nabízí v rozsahu 32 až 1024 kroků, aby konstruktér mohl reagovat na potřeby aplikace. Pamatujte na to, že i 256krokový (8bitový) digipot středního rozsahu má vyšší rozlišení než potenciometr.

• Digitální rozhraní mezi mikrokontrolérem a digipotem je dostupné ve standardním sériovém SPI a I²C formátu společně s adresovými piny, aby bylo možné připojit více součástí prostřednictvím jedné sběrnice. Mikrokontrolér používá jednoduché schéma kódování dat k indikaci požadovaného nastavení odporu. Minimalistický digipot, například model TPL0501 od společnosti Texas Instruments s 256 odbočkami a rozhraním SPI, je velmi vhodný pro použití tam, kde jsou kritické důležité odvod energie a rozměry (obrázek 4). Digipot k dispozici v prostorově úsporných, 8pinových pouzdrech SOT-23 (1,50 mm × 1,50 mm) a UQFN (1,63 mm × 2,90 mm).

Obrázek 4: základní digipot, naříklad model TPL0501 od společnosti Texas Instruments s rozhraním SPI, je efektivní součástí pro aplikace s prostorovým a energetickým omezením, které nepotřebují další funkce. (Zdroj obrázku: Texas Instruments)

Jedním příkladem je jeho použití v klinicky ověřených nositelných lékařských zařízeních, jako jsou oxymetry a náplasti senzorů, kde je spárován s operačním zesilovačem OPA320 od společnosti TI (obrázek 5). Tato kombinace vytváří dělič napětí na regulaci zesílení zesilovače, který poskytuje výstup digitálně-analogového převodníku (DAC). Zřejmá otázka je, proč jednoduše nepoužít standardní kompletní D/A převodník? Důvodem je skutečnost, že tato klinická aplikace vyžaduje přesný analogový výstup typu rail-to-rail s vysokým poměrem potlačení součtového signálu (CMRR) a nízkým šumem, pro který je zesilovač OPA320 specifikován při 114 dB, resp. 7 nV vztažených na odmocninu Hz (nV/√Hz) při 10 kHz.

Obrázek 5: digipot lze spárovat s přesným operačním zesilovačem, například s modelem TI OPA320, a vytvořit tak D/A převodník se špičkovým operačním zesilovačem na výstupu. (Zdroj obrázku: Texas Instruments)

Pro digipoty dále existují varianty rozhraní, které zjednodušují jejich použití v aplikacích, jako jsou uživatelsky ovládané regulátory hlasitosti. Dvě další možnosti jsou tlačítko a rozhraní nahoru/dolů (U/D). Pomocí tlačítkového rozhraní uživatel stiskne jedno ze dvou dostupných tlačítek: jedno pro zvýšení hodnoty odporu a druhé pro její snížení. Všimněte si, že do této akce není zapojen žádný procesor (obrázek 6).

Obrázek 6: tlačítkové rozhraní umožňuje spojení dvou tlačítek ovládaných uživatelem bez použití procesoru, což dovoluje přímé zvyšování/snižování nastavení digipotu. (Zdroj obrázku: Analog Devices)

Rozhraní U/D, které lze realizovat s minimálními softwarovými požadavky, se spouští pomocí jednoduchého otočného kodéru nebo tlačítka připojeného k procesoru a je implementováno pomocí digipotu, například modelu MCP4011 od společnosti Microchip Technology, který představuje základní 64krokové (6bitové) zařízení nabízející hodnoty odporu 2,1 kΩ, 5 kΩ, 10 kΩ a 50 kΩ (obrázek 7).

Obrázek 7: digipot, například model MCP4011 od společnosti Microchip Technology s okrajem spouštěným U/D rozhraním a výběrem čipu, vyžaduje minimální I/O a softwarové zdroje z hostitelského mikrokontroléru. (Zdroj obrázku: Microchip Technology, upraveno)

Digipot využívá jednu hranovou spoušť reagující nárůst nebo pokles signálu a čip na zvyšování nebo snižování přírůstku odporu (obrázek 8). Toto řešení umožňuje jednoduchou implementaci knoflíku vypadajícího a působícího jako tradiční regulátor hlasitosti, a to bez problémů spojených s potenciometry a se zachováním výhod digipotů.

Obrázek 8: U/D rozhraní digipotu podporuje hranou spouštěné zvyšování a snižování hodnoty odporu pomocí spouštěče z kodéru s nízkým rozlišením. (Zdroj obrázku: Microchip Technology)

Problémem může být tolerance pro digipoty, která se obvykle pohybuje mezi ±10 a ±20 % nominální hodnoty, což je přijatelné v mnoha případech poměrové regulace nebo regulace v uzavřené smyčce. Pokud je však digipot přizpůsoben externímu diskrétnímu rezistoru nebo senzoru v aplikaci s otevřenou smyčkou, může se jednat o kriticky důležitý parametr. Proto existují standardní digipoty s mnohem užší tolerancí, již od ±1 %. Samozřejmě, stejně jako u všech integrovaných obvodů, může být důležitým faktorem také teplotní koeficient odporu a související teplotní drift. Prodejci tento údaj uvádějí ve svém katalogovém listu, aby konstruktéři mohli odhadnout jeho vliv prostřednictvím modelů obvodů, například Spice. K dispozici jsou další možnosti úzké tolerance probrané níže.

Ačkoli šířka pásma a zkreslení nepředstavují problém ve statických aplikacích, jako jsou kalibrace nebo nastavení pracovního bodu, jsou problémem ve zvukových a souvisejících aplikacích. Odporová dráha konkrétního kódu v kombinaci s parazitními vlastnostmi spínače, piny a kapacitami desky vytváří odporově-kapacitní filtr (RC) se spodní propustí. Nižší hodnoty odporu mezi koncovými body poskytují vyšší šířku pásma, tj. až kolem 5 MHz pro 1 kΩ digipot nebo již od 5 kHz pro 1 MΩ jednotku.

Naproti tomu celkové harmonické zkreslení (THD) je z velké části způsobeno nelinearitami odporů při různých úrovních použitého signálu. Digipoty s vyšším odporem mezi koncovými body snižují příspěvek vnitřního odporu spínače k celkovému odporu, což má za následek nižší zkreslení THD. Šířka pásma oproti zkreslení THD je tedy kompromis, který musí konstruktéři upřednostnit a zvážit při výběru nominální hodnoty odporu digipotu. Typické hodnoty se pohybují od -93 dB pro 20kΩ digipoty a až -105 dB pro 100kΩ jednotky.

Duální, kvadrální a lineární vs logaritmické průběhy digipotu

Kromě své „samovolné“ ovladatelnosti nabízejí digipoty také další jednoduchost, lehkost provedení a mnohem nižší cenu než klasické potenciometry. Další schopnosti:

• Duální digipoty jsou praktické tam, kde je třeba nastavit dva odpory nezávisle, a zvláště praktické, pokud musejí mít stejnou hodnotu. Ačkoli lze používat dva samostatné IO digipotu, duální součást nabízí navíc výhodu sledování hodnot odporu navzdory toleranci a driftu; k dispozici jsou také kvadrální součásti.

• Lineární versus logaritmický (log) průběh regulace: zatímco trimovací a kalibrační aplikace obvykle potřebují lineární závislost mezi digitálním kódem a výsledným odporem, mnoho audio aplikací využívá logaritmickou závislost, která lépe vyhovuje decibelové stupnici obvyklé u těchto aplikací.

Pro vyhovění těmto požadavkům mohou konstruktéři využívat logaritmické digipoty, například model DS1881E-050+ od společnosti Maxim Integrated Products. Tato dvoukanálová součástka je napájena z jediného 5V zdroje, má odpor 45 kΩ mezi koncovými body a je vybavena rozhraním I²C s adresovými piny umožňujícími připojení až osmi zařízení na sběrnici. Hodnotu odporu každého ze dvou kanálů lze nastavit nezávisle, přičemž obvod nabízí několik uživatelsky volitelných konfiguračních nastavení; základní konfigurace má 63 kroků s útlumem 1 dB na krok, v rozsahu 0 dB až -62 dB, plus ztlumení (obrázek 9).

Obrázek 9: dvoukanálový digipot Maxim DS1881E-050+ je navržen pro cesty audio signálu a poskytuje nastavení zisku 1 dB/krok v rozsahu 63 dB. (Zdroj obrázku: Maxim Integrated Products)

Obvod DS1881E-050+ je navržen tak, aby minimalizoval přeslechy a jeho dva kanály nabízejí vzájemné přizpůsobení 0,5 dB, aby byl minimalizován jakýkoli rozdíl v hlasitostech mezi nimi. Obvod dále implementuje přepínání odporů v průchodu nulou, aby nedocházelo ke slyšitelným cvaknutím, a obsahuje energeticky nezávislou paměť, jejíž celkový význam je probrán níže.

Je také důležité vzít v úvahu maximální napětí, které digipot podporuje. Nízkonapěťové digipoty jsou k dispozici pro provoz se sběrnicemi o napětí již od +2,5 V (nebo ±2,5 V s bipolárním napájením), zatímco modely vyšším napětím, například MCP41HV31 od společnosti Microchip Technology, tedy obvod 50 kΩ s rozhraním SPI a 128 odbočkami, je schopen provozu se sběrnicemi o napětí až 36 V (±18 V).

S resetováním napájení pomáhá energeticky nezávislá paměť

Základní digipoty mají mnoho předností, ale ve srovnání s potenciometry mají jednu nepřehlédnutelnou slabinu: po odpojení napájení ztrácejí své nastavení a jejich poloha resetu po zapnutí (POR) je dána jejich konstrukcí, obvykle ve středním rozsahu. Bohužel pro mnoho aplikací je toto nastavení POR nepřijatelné. Uvažme nastavení kalibrace: jakmile je jednou vytvořeno, mělo by být zachováno, dokud nebude úmyslně upraveno, a to i po odpojení napájení nebo výměně baterie; dále v mnoha aplikacích bylo „správným“ nastavením to, které se používalo naposledy použito při odpojení napájení.

Jedním ze zbývajících důvodů, proč zůstat u potenciometrů proto bylo, že neztrácejí nastavení při resetu napájení. Digipoty však tento nedostatek vyřešily. Zpočátku bylo běžnou konstrukční praxí nechat systémový procesor načíst zpět nastavení digipotu během provozu a poté toto nastavení znovu zavést při zapnutí. Takové řešení však způsobovalo poruchy při zapínání a bylo často nepřijatelné pro integritu a výkon systému.

Dodavatelé tento problém vyřešili tak, že do digipotů přidali energeticky nezávislou paměť (NVM) typu EEPROM. S pamětí NVM mohou digipoty uchovat poslední naprogramovanou polohu jezdce při vypnutí napájení, zatímco jednorázové programovatelné (OTP) verze umožňují konstruktérovi nastavit polohu jezdce při resetu po zapnutí (POR) na předem definovanou hodnotu.

Paměť NVM umožňuje další vylepšení. Například obvod AD5141BCPZ10 od společnosti Analog Devices má chybu tolerance odporu uloženou v paměti EEPROM (obrázek 10). Tato součástka je jednokanálový, 128/256-polohový digitální potenciometr s přepisovatelnou, energeticky nezávislou pamětí podporující rozhraní I²C i SPI. Pomocí uložených hodnot tolerancí mohou konstruktéři vypočítat skutečný odpor mezi koncovými body s přesností 0,01 % a definovat tak poměr segmentů digipotu „nad jezdcem“ a „pod jezdcem“. Tato přesnost je stokrát lepší než 1% přesnost u digipotů s ještě vyšší přesností, ale bez paměti NVM.

Obrázek 10: digipot AD5141BCPZ10 od společnosti Analog Devices obsahuje přepisovatelnou, energeticky nezávislou paměť (EEPROM), kterou lze použít k uložení požadovaného nastavení resetu po zapnutí, jakož i jako kalibračních faktorů pro vlastní pole odporů. (Zdroj obrázku: Analog Devices)

Tento režim lineárního nastavení zesílení umožňuje nezávislé programování odporu mezi svorkami digitálního potenciometru přes řetězec rezistorů R_AW a R_WB, což umožňuje vysoce přesné přizpůsobení rezistorů (obrázek 11). Taková přesnost je často potřebná například pro invertující topologie zesilovačů, kde je zesílení určeno poměrem dvou rezistorů.

Obrázek 11: paměť NVM v digipotu lze používat také k ukládání kalibrovaných odporů nad a pod jezdcem pro obvody, které k nastavení zesílení zesilovače používají přesné poměry odporu.(Zdroj obrázku: Analog Devices)

Pozor na některé zvláštnosti digipotů

Zatímco digipoty jsou široce používány jako náhrada potenciometrů tam, kde jsou tradiční součástky méně žádoucí nebo nepraktické, mají některé vlastnosti, které musí konstruktéři zohlednit. Například kovový jezdec potenciometru se dotýká odporového prvku s téměř nulovým kontaktním odporem a má obvykle zanedbatelný teplotní koeficient. V případě digipotu je však CMOS jezdec prvkem s mírným, ale přesto smysluplným odporem v řádu desítek ohmů až 1 kΩ. Pokud jezdcem s odporem 1 kΩ prochází proud 1 mA, výsledný úbytek napětí 1 V na jezdci může omezit dynamický rozsah výstupního signálu.

Jelikož je tento odpor jezdce také funkcí přiváděného napětí i teploty, zavádí nelinearitu a tím zkreslení střídavých signálů v signálové cestě. Typický teplotní koeficient jezdce kolem 300 dílů na milion a stupeň Celsia (ppm/⁰C) může být významný a měl by být započítán do rozpočtu chyb u vysoce přesných konstrukcí. Různé modely digipotů jsou nabízeny i s mnohem nižším koeficientem.

Závěr

Digipot je digitálně nastavovaný integrovaný obvod, který v mnoha systémových architekturách a návrzích obvodů nahrazuje klasický elektromechanický potenciometr. Nejen, že snižuje rozměry produktu a pravděpodobnost chyb v důsledku náhodného pohybu, ale zavádí také kompatibilitu s procesory a tedy i se softwarem a zároveň nabízí vyšší přesnost i rozlišení (v případě potřeby) společně s dalšími praktickými funkcemi.

Bylo ukázáno, že digipoty jsou k dispozici v širokém rozsahu jmenovitých hodnot odporu, velikostí kroků a přesností, zatímco přidání energeticky nezávislé paměti rozšiřuje jejich schopnosti a překonává důležitou překážku jejich použití v mnoha aplikacích.

Další materiály pro studium

1. Integrované obvody odpovídají na výzvu stmívání LED diod v obvodech řízených TRIACem