Osnove digitalnih potenciometrov in njihova uporaba

Revija logo digikey 300x150 - Osnove digitalnih potenciometrov in njihova uporabaMehanske potenciometre načrtovalci že desetletja uporabljajo v različnih aplikacijah, od nastavitve vezij do nadzora glasnosti. Vendar imajo svoje omejitve: njihovi gibljivi kontakti se lahko obrabijo, dovzetni so za vdor vlage in lahko se nenamerno premaknejo iz nastavljenega položaja.

Digi-Key Electronics
Avtor: Rolf Horn
2021-298-24

Zaradi vse večje digitalizacije sveta načrtovalci potrebujejo alternativo za izpolnitev zahtev po natančnejšem nadzoru in visoki zanesljivosti, vključno s fleksibilnostjo za oddaljeno prilagajanje vrednosti prek vdelane programske opreme.

Integrirana vezja digitalnih potenciometrov – pogosto imenovana »digipoti« – odpravijo te težave tako, da povežejo digitalno področje z analognim uporom. Kot povsem elektronska komponenta, združljiva z mikrokontrolerjem, digitalni potenciometri omogočajo procesorju in programski opremi nadzor, nastavitev in spreminjanje njune uporovne vrednosti ali razmerja delilnika napetosti.

Zagotavljajo funkcionalne lastnosti, ki jih mehanske naprave ne morejo, ter so trpežnejši in zanesljivejši, saj nimajo gibljivega kontakta. Ni jih mogoče namerno predelati oziroma nenamerno prilagoditi, s čimer se izognemo nerazložljivim spremembam zmogljivosti. Področja uporabe vključujejo toplotno stabilizacijo LED-ic, zatemnitev LED-ic, nadzor ojačenja zaprte zanke, nastavitev glasnosti zvoka, umerjanje in nastavitve Wheatstonovega mostička za senzorje, krmiljenje tokovnih virov in nastavitev programirljivih analognih filtrov, če jih naštejemo le nekaj.

V tem članku bodo na kratko predstavljeni potenciometri in njihov razvoj v smeri digipotov. S pomočjo komponent proizvajalcev Analog Devices, Maxim Integrated, Microchip Technology in Texas Instruments bo pojasnjeno delovanje digipotov, osnovne in napredne konfiguracije ter način obravnave zahtev za prilagoditev vezja. Prikazano bo, kako je mogoče z njihovimi funkcijami, lastnostmi, zmogljivostmi in možnostmi poenostaviti vezja, zagotoviti združljivost vezja/procesorja in zmanjšati ali celo odpraviti potrebo po večjih, manj zanesljivih mehanskih potenciometrih.

Osnove potenciometra
Potenciometer je pomemben sestavni del pasivnega vezja že od samih začetkov elektrike in elektronike. Gre za napravo s tremi priključnimi sponkami z dostopnim uporovnim elementom, ki zagotavlja funkcijo delilnika napetosti prek svojega uporabniško nastavljivega gibljivega kontakta na vrtljivi gredi. Uporablja se v številnih analognih vezjih in vezjih z mešanimi signali, s čimer izpolnjuje najrazličnejše zahteve glede uporabe (slika 1).
Upornost vezja med katerim koli končnim kontaktom in nastavljivim gibljivim kontaktom znaša od 0 ohmov (nominalno) do polne stopnje upornosti žice ali filma, ko se kontakt vrti in drsi vzdolž uporovnega elementa. Razpon vrtenja večine potenciometrov je približno 270 do 300 stopinj, z običajno mehansko ločljivostjo in ponovljivostjo približno 0,5 % in 1 % vrednosti celotne skale (med enim delom pri 200 oziroma 100).

Med potenciometrom in njegovim mlajšim bratom, reostatom, obstaja zelo majhna, vendar jasna in pomembna razlika. Potenciometer je naprava s tremi priključnimi sponkami, ki deluje kot delilnik napetosti (slika 2, levo), reostat pa je nastavljiv upor z dvema priključnima sponkama, ki nadzoruje pretok toka. Potenciometer je pogosto ožičen, s čimer se ustvari reostat – to je mogoče izvesti na enega od treh podobnih načinov, tako da končna priključna sponka ostane nepovezana oziroma se jo poveže neposredno z gibljivim kontaktom (slika 2, desno).

Digipoti: potenciometri v obliki integriranega vezja
Popolnoma elektronski digitalni potenciometer posnema delovanje elektromehanskega potenciometra, vendar to počne z uporabo integriranega vezja brez gibljivih delov. Sprejme digitalno kodo v enem od formatov in ustvari ustrezno uporovno vrednost. Zato se včasih imenuje uporovni digitalno-analogni pretvornik (RDAC).

Pri tradicionalnem potenciometru z roko (včasih tudi z majhnim motorjem) nastavimo položaj gibljivega kontakta in s tem razmerje delilnika napetosti. Pri digipotu pa se računalniške kontrole prek digitalnega vmesnika povežejo z integriranim vezjem digipota in vzpostavijo enakovredno vrednost položaju kontakta (slika 3).

Digipot uporablja standardno tehnologijo CMOS integriranih vezij in ne zahteva posebne izdelave ali obravnave. Velikost površinsko nastavljivega integriranega vezja digipota, ki običajno znaša 3 × 3 milimetre (mm) ali manj, je precej manjša od potenciometra, nastavljivega s tipko, ali celo od majhnega trimer potenciometra (trimpot), nastavljivega z izvijačem, ter se uporablja enako kot katero koli drugo integrirano vezje s tehnologijo površinske montaže (SMT) glede na proizvodnjo računalniških plošč.

Notranja topologija digipota je v osnovi sestavljena iz preprostega zaporednega niza uporov z digitalno naslovljivimi elektronskimi stikali med gibljivim kontaktom in temi upori. Z digitalnim ukazom se vklopi ustrezno stikalo, medtem ko so druga stikala izklopljena, s čimer se določi želeni položaj gibljivega kontakta. V praksi ima ta topologija nekaj pomanjkljivosti, vključno z velikim številom potrebnih uporov in stikal ter večjo velikostjo matrice.

Da bi zmanjšali pomisleke v zvezi s tem, so proizvajalci zasnovali pametne nadomestne ureditve uporov in stikal, ki zmanjšujejo njihovo število, vendar ustvarijo enak učinek. Vsaka od teh topologij povzroči majhne razlike v razponu digipota in njegovih sekundarnih značilnostih, vendar je večina tega pregledna za uporabnika. V nadaljevanju tega članka bomo uporabljali izraz »potenciometer« za elektromehansko napravo in »digipot« za popolnoma elektronsko napravo.

Specifikacije in funkcije, ki jih ponujajo digipoti
Kot pri vsaki komponenti je treba tudi pri izbiri digipota upoštevati parametre najvišje ravni in sekundarne parametre. Glavna vprašanja so nazivna uporovna vrednost, ločljivost in vrsta digitalnega vmesnika, pomisleki pa vključujejo toleranco in vire napak, napetostno območje, pasovno širino in popačenje.

  • Potrebna uporovna vrednost, pogosto imenovana neprekinjena (end-to-end) upornost, se določi glede na izvedbo vezja. Proizvajalci ponujajo upornosti od 5 do 100 kilohmov (kΩ) v zaporedju 1/2/5 z nekaterimi drugimi vmesnimi vrednostmi. Obstajajo tudi enote z razširjenim razponom, z vrednostmi od 1 kΩ do 1 megaohma (MΩ).
  • Ločljivost določa, koliko nastavitev diskretnih stopenj ali priključkov ponuja digipot (od 32 do 1024 stopenj), da lahko načrtovalec zadosti potrebam uporabe. Celo digipot z 256 stopnjami (8-bitni) srednjega razpona ima višjo ločljivost kot potenciometer.
  • Digitalni vmesnik med mikrokontrolerjem in digipotom je na voljo v standardnih formatih serijske komunikacije SPI in I2C, skupaj z naslovnimi priključki, tako da je mogoče prek enega vodila povezati več naprav. Mikrokontroler uporablja preprosto shemo kodiranja podatkov za prikaz želene nastavitve upornosti. Minimalistični digipot, kot je TPL0501 proizvajalca Texas Instruments – digipot z 256 priključki z SPI vmesnikom je dobra izbira, kadar sta izguba energije in velikost bistvenega pomena (slika 4). Na voljo je v prostorsko varčnih 8-polnih SOT-23 (1,50 mm × 1,50 mm) in UQFN (1,63 mm × 2,90 mm) ohišjih.

Primer njegove uporabe je uporaba v medicinskih pripomočkih za nošenje kliničnega razreda, kot so oksimetri in obliži s senzorji, pri čemer je povezan z operacijskim ojačevalnikom OPA320 proizvajalca Texas Instruments (slika 5). S takšno kombinacijo se ustvari delilnik napetosti za nadzor ojačenja ojačevalnika, s čimer se zagotovi izhod digitalno-analognega pretvornika (DAC). Očitno vprašanje je, zakaj ne bi preprosto uporabili standardnega DAC pretvornika? Razlog je v tem, da takšna klinična uporaba zahteva precizijski, »rail-to-rail« analogni izhod z visokim faktorjem dupšenja signalov (CMRR) in nizkim šumom, za katerega je OPA320 ojačevalnik določen pri 114 decibelih (dB) in 7 nanovoltih na koren herca (V/√Hz) pri 10 kilohercih (kHz).

Poleg tega obstajajo različice digipot vmesnika, ki poenostavljajo uporabo v primerih, kot so uporabniške nastavitve glasnosti. Še dve možnosti sta: vmesnik s tipko in vmesnik gor/dol (G/D). Pri vmesniku s tipko uporabnik pritisne eno od dveh razpoložljivih tipk: z eno poveča stopnjo upornosti, z drugo pa jo zmanjša. Procesor v to dejanje ni vključen (slika 6).

Vmesnik G/D se lahko izvede z minimalno programsko opremo in sproži prek preprostega rotacijskega enkoderjapodjetja Microchip Technology, preprosta naprava s 64 stopnjami (6-bitna), ki je na voljo z uporovnimi vrednostmi 2,1 kΩ, 5 kΩ, 10 kΩ in 50 kΩ (slika 7).

Uporablja en sam visoko oziroma nizko zmogljiv robni sprožilec z možnostjo izbire čipov za povečanje ali zmanjšanje upornosti (slika 8). To omogoča preprosto izvedbo, ki je videti kot tradicionalni kontrolnik glasnosti in se tako tudi občuti – brez težav, povezanih s potenciometri, ter s prednostmi digipotov.

Toleranca pri digipotih lahko predstavlja težavo, saj običajno znaša od ±10 do ±20 % nazivne vrednosti, kar je sprejemljivo v številnih ratiometričnih primerih oziroma primerih zaprte zanke. Vendar pa je lahko kritičen parameter, če se digipot usklajuje z zunanjim diskretnim uporom ali senzorjem v aplikaciji z odprto zanko. Zato obstajajo standardni digipoti z veliko strožjimi tolerancami, celo do ± 1%. Kot pri vseh integriranih vezjih, je dejavnik lahko tudi temperaturni koeficient upornosti in s tem povezan odklon, ki je posledica spremembe temperature. Proizvajalci to številko navedejo v svojem podatkovnem listu, da lahko načrtovalci ocenijo njen vpliv prek modelov vezij, kot je Spice. Druge možnosti stroge tolerance, ki so na voljo, so obravnavane v nadaljevanju.

Čeprav pri statičnih aplikacijah, kot je nastavitev umerjanja ali delovne točke, to ni zaskrbljujoče, pasovna širina in popačenje predstavljata težavo pri zvočnih in sorodnih aplikacijah. Pot upornosti določene kode v kombinaciji s parazitsko kapacitivnostjo ter kapacitivnostjo nožic in plošč ustvari uporovno-kondenzatorski (RC) nizkopasovni filter. Nižje vrednosti neprekinjenega upora ustvarijo večjo pasovno širino, približno 5 megahercev (MHz) za digipot 1 kΩ do 5 kHz za enoto 1 MΩ.

Nasprotno pa je celotno harmonsko popačenje (THD) v veliki meri posledica nelinearnosti uporov pri različnih uporabljenih ravneh signala. Digipoti z večjo neprekinjeno upornostjo zmanjšajo prispevek upornosti notranjega stikala v primerjavi s skupno upornostjo, zaradi česar se zmanjša celotno harmonsko popačenje. Zato je pasovna širina v primerjavi s celotnim harmonskim popačenjem kompromis, ki mu morajo načrtovalci pri izbiri nazivne vrednosti digipota dati prednost in jih pretehtati. Običajne vrednosti se gibljejo od –93 dB za digipot 20 kΩ do –105 dB za digipote vrednosti 100 kΩ.

Dvojne, četverne in linearne različice digipotov v primerjavi z logaritemskimi
Digipoti poleg svoje »hands-off« (brez poseganja) nadzora ponujajo še dodatno preprostost, enostavno načrtovanje in precej nižje stroške kot potenciometri. Nekatere njihove druge zmogljivosti:

  • Dvojni digipoti so uporabni, kadar je treba dve upornosti neodvisno prilagoditi, zlasti pa so koristni, kadar morata imeti enako vrednost. Čeprav bi lahko uporabili dve ločeni digipot vezji, dvojna naprava doda prednost sledenja uporovnih vrednosti kljub toleranci in odklonu; na voljo so tudi četverne naprave.
  • Linearne nastavitve v primerjavi z logaritemskimi: čeprav je pri nastavljanju in umerjanju običajno potrebno linearno razmerje med digitalno kodo in posledično upornostjo, lahko številne zvočne aplikacije izkoristijo prednost logaritemskega razmerja za boljšo prilagoditev decibelne skale, ki se zahteva v zvočnih situacijah.

Za izpolnitev te potrebe lahko načrtovalci uporabijo logaritemske digipote, kot je DS1881E-050+ proizvajalca Maxim Integrated Products. Ta naprava z dvema kanaloma deluje z enim 5-voltnim napajalnikom, ima neprekinjeno upornost 45 kΩ in vključuje vmesnik I2C z naslovnimi priključki, s čimer omogoča do osem naprav na vodilu. Uporovno vrednost posameznih kanalov je mogoče nastaviti neodvisno in vključuje več konfiguracijskih nastavitev, ki jih lahko izbere uporabnik; osnovna konfiguracija ima 63 stopenj s slabljenjem 1 dB na stopnjo, od 0 dB do –62 dB, vključno z dušenjem (slika 9).

DS1881E-050+ zmanjšuje presluh, oba kanala pa ponujata 0,5 dB ujemanja kanalov za zmanjšanje morebitnih razlik v glasnosti med njima. Naprava izvaja tudi preklapljanje uporov z ničelnim prehodom za preprečevanje slišnih klikov in vključuje NV pomnilnik; njegova splošna uporabnost je obravnavana v nadaljevanju članka.

Upoštevati je treba tudi največjo napetost, ki jo lahko digipot prenese. Nizkonapetostni digipoti so na voljo za delovanje z vodili že od +2,5 volta (oziroma ±2.5 volta z bipolarnim napajalnikom), tisti z višjo napetostjo, kot je MCP41HV31 proizvajalca Microchip Technology – naprava z upornostjo 50 kΩ, 128 priključki in SPI vmesnikom – pa lahko deluje z vodili do 36 voltov (±18 voltov).

NV pomnilnik pomaga pri ponastavitvah napajanja
Osnovni digipoti imajo številne prednosti, vendar imajo v primerjavi s potenciometri eno neizogibno šibkost: po izključitvi napajanja se njihova nastavitev izgubi, njihov položaj ob ponastavitvi ob vklopu (POR) pa je določen z njihovo izvedbo, običajno v srednjem območju. Za številne aplikacije ta nastavitev POR žal ni sprejemljiva. Vzemimo nastavitev umerjanja: ko je uveljavljena, jo je treba ohranjati vse do namerne prilagoditve, kljub izključitvi napajanja ali zamenjavi baterije; nadalje, v številnih aplikacijah je bila »pravilna« nastavitev tista, ki je bila nazadnje uporabljena, ko je bilo napajanje izključeno.
Eden od preostalih razlogov za nadaljnjo uporabo potenciometrov je bilo tako dejstvo, da ob ponastavitvi napajanja ne izgubijo svoje nastavitve, vendar so digipoti to pomanjkljivost odpravili. Običajna praksa pri načrtovanju je bila sprva takšna, da je sistemski procesor med delovanjem odčital nastavitev digipota, nato pa to nastavitev znova naložil ob vklopu napajanja. Vendar je to povzročilo napake ob vklopu ter je bilo pogosto nesprejemljivo za celovitost in delovanje sistema.

V odgovor tem pomislekom so proizvajalci digipotom dodali tehnologijo NV pomnilnika (NVM), ki temelji na EEPROM tehnologiji. Z NV pomnilnikom lahko digipoti ob izključitvi napajanja ohranijo nazadnje nastavljen položaj gibljivega kontakta, različice OTP (enkratna nastavitev) pa načrtovalcem omogočajo nastavitev položaja gibljivega kontakta ob ponastavitvi ob vklopu (POR) na vnaprej določeno vrednost.

NV pomnilnik omogoča še druge izboljšave. Na primer, pri digipotu AD5141BCPZ10proizvajalca Analog Devices je napaka tolerance upora shranjena v njegovem EEPROM pomnilniku (slika 10). Gre za digitalni potenciometer z enim kanalom, 128/256 položaji in prepisljivim NV pomnilnikom, ki podpira tako I2C kot SPI vmesnike. Z uporabo shranjenih vrednosti tolerance lahko načrtovalci izračunajo dejansko neprekinjeno upornost z natančnostjo 0,01 % ter na podlagi tega določijo razmerje segmentov digipota »nad gibljivim kontaktom« in »pod gibljivim kontaktom«. Ta natančnost je stokrat boljša od 1% natančnosti digipotov s še večjo natančnostjo, ki pa ne vključujejo NV pomnilnika.
Ta način linearne nastavitve ojačenja omogoča neodvisno programiranje upornosti med priključnimi sponkami digitalnega potenciometra prek serijskih uporov RAW in RWB, kar omogoča izjemno natančno ujemanje uporov (slika 11). Takšna natančnost je pogosto potrebna za razsmerjanje topologij ojačevalnikov, npr. kadar je ojačenje določeno z razmerjem dveh uporov.

Ne pozabite na posebne značilnosti digipotov
Čeprav se digipoti pogosto uporabljajo kot zamenjava za potenciometre, kadar je tradicionalna naprava manj zaželena ali nepraktična, morajo načrtovalci nekatere njihove značilnosti upoštevati. Na primer, kovinski gibljivi kontakt potenciometra se dotakne uporovnega elementa s skoraj nično kontaktno upornostjo, njegov temperaturni koeficient pa je običajno zanemarljiv. V primeru digipota je gibljivi kontakt element CMOS z zmerno, toda še vedno pomembno upornostjo v zaporedju več deset ohmov do 1 kΩ. Če skozi gibljivi kontakt 1 kΩ steče tok 1 miliamper (mA), lahko posledični padec 1 volta po celotnem gibljivem kontaktu omeji dinamični razpon izhodnega signala.

Poleg tega je ta upor gibljivega kontakta funkcija uporabljene napetosti in temperature – na ta način uvaja nelinearnost in s tem popačenje izmeničnih signalov v poti signalov. Običajen temperaturni koeficient gibljivega kontakta, ki znaša približno 300 delcev na milijon na stopinjo Celzija (ppm/⁰C), je lahko pomemben in ga je potrebno upoštevati v proračunu napak pri izvedbah z visoko natančnostjo. Na voljo so tudi modeli digipotov s precej nižjim koeficientom.

Zaključek
Digipot je digitalno nastavljeno integrirano vezje, ki nadomešča klasični elektromehanski potenciometer v številnih arhitekturah sistema in izvedbah vezij. Ne zmanjšuje le velikosti izdelka in verjetnosti napak zaradi nenamernega premikanja, temveč dodaja tudi združljivost s procesorji in s tem s programsko opremo, ter hkrati ponuja večjo natančnost in višjo ločljivost (če je potrebno), skupaj z drugimi uporabnimi funkcijami.

Kot je prikazano v članku, so digipoti na voljo v širokem razponu nazivnih uporovnih vrednosti, velikosti stopenj in natančnosti, dodatek nehlapnega pomnilnika pa poveča njihovo zmogljivost in premaguje pomembno oviro za njihovo uporabo v številnih aplikacijah.

Dodatni članki:
ICs Answer the Challenge of Dimming LED Lamps in TRIAC-Driven Circuits (Integrirana vezja kot odgovor na izziv zatemnitvenih svetilk LED v vezjih TRIAC)
https://www.digikey.si/en/articles/ics-answer-the-challenge-of-dimming-led-lamps-in-triac-driven-circuits

https://www.digikey.com