Principiile de bază ale potențiometrelor digitale și cum se utilizează

Potențiometrele mecanice au fost folosite de zeci de ani de către proiectanți în aplicații care variază de la ajustarea circuitelor la controlul volumului. Cu toate acestea, ele au anumite limitări: cursoarele se pot uza, sunt sensibile la pătrunderea umezelii și pot fi deplasate accidental din poziția stabilită. În plus, pe măsură ce lumea devine tot mai digitală, proiectanții au nevoie de o alternativă pentru a îndeplini cerințele de control mai precis și de fiabilitate ridicată, pe lângă flexibilitatea de a ajusta valorile de la distanță prin firmware.

Circuitele integrate pentru potențiometre digitale – adesea numite digipot-uri – rezolvă aceste probleme făcând legătura între domeniul digital și lumea rezistoarelor analogice. Fiind componente complet electronice, compatibile cu microcontrolerul, digipot-urile permit unui procesor și unui software să controleze, să seteze și să varieze valoarea rezistenței lor sau raportul divizorului de tensiune.

Acestea oferă caracteristici și funcții pe care dispozitivele mecanice nu le pot oferi și sunt mai solide și mai fiabile, deoarece nu au un cursor mobil. Nu pot fi modificate în mod deliberat sau ajustate din greșeală, evitându-se astfel modificările inexplicabile ale performanțelor. Aplicațiile includ stabilizarea termică a ledurilor, varierea intensității ledurilor, controlul câștigului în buclă închisă, reglarea volumului audio, calibrarea și reglarea punților Wheatstone pentru senzori, controlul surselor de curent și reglarea filtrelor analogice programabile, acestea fiind doar câteva exemple.

Articolul de față va oferi o scurtă prezentare a potențiometrelor și a evoluției lor către digipot-uri. Se vor folosi apoi componente de la Analog Devices, Maxim Integrated, Microchip Technology și Texas Instruments pentru a explica funcționarea digipot-ului, configurațiile de bază și avansate și modul în care acestea răspund cerințelor de reglare a circuitului. Se va arăta cum pot fi utilizate funcțiile, caracteristicile, capacitățile și opțiunile acestora pentru a simplifica circuitele, pentru a face circuitele compatibile cu procesoarele și pentru a reduce sau chiar a elimina nevoia de potențiometre mecanice voluminoase și mai puțin fiabile.

Începeți cu elementele de bază ale potențiometrului

Potențiometrul este o componentă pasivă esențială a circuitului încă din primele zile ale electricității și electronicii. Este un dispozitiv cu trei terminale, cu un element de rezistență accesibil, care asigură o funcție de divizor de tensiune prin intermediul cursorului său pe un arbore rotativ, ce poate fi reglat de utilizator. Acesta este utilizat în nenumărate circuite analogice și de semnale mixte pentru a îndeplini o mare varietate de cerințe ale aplicațiilor (Figura 1).

Figura 1: Potențiometrul standard este un rezistor variabil cu arbore rotativ, care poate fi reglat de către utilizator. (Sursa imaginii: etechnog.com)

Rezistența văzută de circuit între oricare dintre contactele de capăt și cursorul reglabil variază de la zero ohmi (nominal) până la valoarea nominală completă a rezistenței firului sau a filmului pe măsură ce cursorul se rotește și alunecă de-a lungul elementului rezistiv. Cele mai multe potențiometre au un interval de rotație de la aproximativ 270 până la 300 de grade, cu o rezoluție mecanică tipică și o repetabilitate de aproximativ 0,5% și 1% din valoarea la scară maximă (între o parte din 200 și, respectiv, 100).

Rețineți că există o diferență mică, dar distinctă și importantă între un potențiometru și fratele său mai mic, reostatul. Un potențiometru este un dispozitiv cu trei terminale care acționează ca un divizor de tensiune (Figura 2, stânga), în timp ce reostatul este o rezistență reglabilă cu două terminale care controlează fluxul de curent. Potențiometrul este adesea cablat pentru a crea un reostat, ceea ce se poate face într-unul din trei moduri similare, lăsând un terminal de capăt neconectat sau conectat direct la cursor (Figura 2, dreapta).

Figura 2: Potențiometrul cu terminalele de capăt A și B și cursorul W (stânga) poate fi utilizat cu ușurință ca reostat cu oricare dintre cele trei abordări de conectare (dreapta). (Sursă imagine: Analog Devices)

Digipot-urile: potențiometre în formă de circuit integrat

Potențiometrul digital complet electronic emulează funcționalitatea potențiometrului electromecanic, dar o face folosind un circuit integrat fără piese mobile. Acesta acceptă un cod digital într-unul din mai multe formate și stabilește o valoare corespunzătoare a rezistenței. Ca atare, acesta este denumit uneori convertor digital-analogic rezistiv (RDAC).

Într-un potențiometru tradițional, o mână (sau uneori chiar un motor mic) stabilește poziția cursorului și, prin urmare, raportul divizorului de tensiune. Cu toate acestea, la un digipot, comenzile computerizate se conectează la circuitul integrat al digipot-ului printr-o interfață digitală și stabilesc o valoare echivalentă cu poziția cursorului (Figura 3).

Figura 3: Circuitul integrat al digipot-ului înlocuiește setarea manuală a cursorului potențiometrului cu un comutator electronic cu setare digitală care emulează un cursor mecanic. (Sursa imaginii: Circuits101, modificat)

Digipot-ul utilizează tehnologia standard CI CMOS și nu necesită o producție sau manipulare specială. Dimensiunea unui circuit integrat pentru digipot cu montare pe suprafață, de obicei de 3 x 3 milimetri (mm) sau mai puțin, este mult mai mică decât cea a unui potențiometru cu buton sau chiar a unui mic potențiometru de reglare cu șurubelniță (trimpot) și este manipulat la fel ca orice alt circuit integrat cu tehnologie de montare pe suprafață (SMT) în ceea ce privește producția de plăci de circuite imprimate.

În principiu, topologia internă a digipot-ului constă într-un simplu șir de rezistoare în serie cu comutatoare electronice adresabile digital între cursor și aceste rezistoare. Cu ajutorul unei comenzi digitale, comutatorul corespunzător este pornit în timp ce celelalte sunt oprite, stabilind astfel poziția dorită a cursoarelor. În practică, această topologie are unele dezavantaje, inclusiv un număr mare de rezistoare și comutatoare necesare și o dimensiune mai mare a matriței.

Pentru a minimiza aceste aspecte, furnizorii au conceput aranjamente alternative inteligente ale rezistoarelor și comutatoarelor care le reduc numărul, dar produc același efect. Fiecare dintre aceste topologii rezultă în mici diferențe în ceea ce privește modul în care este amplasat digipot-ul și caracteristicile sale de al doilea nivel, dar o mare parte din acestea sunt transparente pentru utilizator. În continuarea acestui articol, vom folosi termenul de potențiometru pentru dispozitivul electromecanic și digipot pentru cel complet electronic.

Digipot-urile oferă o gamă de specificații și caracteristici

La fel ca în cazul oricărei componente, există parametri de top, precum și parametri secundari care trebuie luați în considerare atunci când se selectează un digipot. Aspectele de prim rang sunt valoarea nominală a rezistenței, rezoluția și tipul de interfață digitală, în timp ce printre considerente se numără toleranța și sursele de eroare, gama de tensiune, lățimea de bandă și distorsiunea.

• Valoarea necesară a rezistenței, adesea numită rezistență de la un capăt la altul, este determinată de considerentele de proiectare ale circuitului. Furnizorii oferă rezistențe între 5 kiloohmi (kΩ) și 100 kΩ într-o secvență 1/2/5, cu alte câteva valori intermediare. În plus, există unități cu gamă extinsă care merg de la 1 kΩ până la 1 megaohm (MΩ).

• Rezoluția definește numărul de setări discrete ale treptelor sau atingerilor pe care le oferă digipot-ul, variind de la 32 la 1024 de trepte pentru a permite proiectantului să se adapteze la nevoile aplicației. Rețineți că până și un digipot cu 256 de trepte (8 biți) de nivel mediu are o rezoluție mai mare decât un potențiometru.

• Interfața digitală dintre microcontroler și digipot este disponibilă în formate seriale standard SPI și I²C, împreună cu pini de adresă, astfel ca mai multe dispozitive să poată fi conectate printr-o singură magistrală. Microcontrolerul utilizează o schemă simplă de codificare a datelor pentru a indica setarea dorită a rezistenței. Un digipot minimalist, cum ar fi TPL0501 de la Texas Instruments, un digipot cu 256 de benzi cu interfață SPI, este potrivit atunci când disiparea de putere și dimensiunea sunt esențiale (Figura 4). Este disponibil în capsule SOT-23 cu 8 pini (1,50 mm × 1,50 mm) și UQFN cu 8 pini (1,63 mm × 2,90 mm), care ocupă puțin spațiu.

Figura 4: Un digipot de bază, cum ar fi TPL0501 de la Texas Instruments cu o interfață SPI, este o componentă eficientă pentru aplicațiile cu restricții de spațiu și de putere care nu necesită caracteristici suplimentare. (Sursa imaginii: Texas Instruments)

Un exemplu de aplicație este utilizarea în dispozitive medicale purtabile de calitate clinică, cum ar fi oximetrele și plasturii cu senzori, unde este asociat cu amplificatorul operațional OPA320 de la TI (Figura 5). Combinația creează un divizor de tensiune pentru controlul câștigului amplificatorului, care furnizează ieșirea convertorului digital-analogic (DAC). Întrebarea evidentă este de ce să nu folosiți pur și simplu un DAC complet standard? Motivul este că această aplicație clinică necesită o ieșire analogică de precizie, de la șină la șină, cu un raport de respingere a modului comun (CMRR) ridicat și un zgomot redus, pentru care OPA320 este specificat la 114 decibeli (dB) și, respectiv, la 7 nanovolți per rădăcină Hertz (nV/√Hz) la 10 kilohertzi (kHz).

Figura 5: Un digipot poate fi asociat cu un amplificator operațional de precizie, cum ar fi OPA320 de la TI, pentru a crea un DAC cu performanțe superioare ale amplificatorului operațional de ieșire. (Sursa imaginii: Texas Instruments)

În plus, există variații ale interfeței digipot care simplifică utilizarea acestora în aplicații precum comenzile de volum operate de utilizator. Alte două opțiuni sunt interfețele cu buton de apăsare și sus/jos (U/D). În cazul interfeței cu butoane, utilizatorul apasă unul dintre cele două butoane disponibile: unul pentru a crește numărul rezistenței, iar celălalt pentru a-l descrește. Rețineți că pentru această acțiune nu este implicat niciun procesor (Figura 6).

Figura 6: Interfața cu butoane permite o conexiune fără procesor între două butoane acționate de utilizator, ceea ce duce la creșterea/scăderea directă a setării digipot-ului. (Sursă imagine: Analog Devices)

Interfața U/D poate fi implementată cu un minim de cerințe software și este declanșată printr-un codificator rotativ simplu sau un buton conectat la un procesor și implementat cu ajutorul unui digipot, cum ar fi MCP4011 de la Microchip Technology, un dispozitiv de bază cu 64 de trepte (6 biți) care este disponibil cu valori ale rezistenței de 2,1 kW, 5 kW, 10 kW și 50 kW (Figura 7).

Figura 7: Un digipot precum MCP4011 de la Microchip Technology, cu o linie de control U/D cu comandă periferică și selectarea cipului, necesită resurse minime de I/O și software din partea microcontrolerului gazdă. (Sursa imaginii: Microchip Technology, modificat)

Acesta utilizează un singur declanșator periferic înalt sau scăzut, plus selectarea cipului pentru a mări sau micșora incrementul de rezistență (Figura 8). Acest lucru permite implementarea simplă a unui buton care arată și se simte ca un control tradițional al volumului, fără problemele asociate cu potențiometrele, dar cu avantajele digipot-urilor.

Figura 8: Interfața U/D a unui digipot acceptă creșterea și descreșterea declanșată periferic a valorii rezistenței folosind un declanșator de la un codificator de joasă rezoluție. (Sursă imagine: Microchip Technology)

Toleranța pentru digipot-uri poate fi o problemă, deoarece este, de obicei, cuprinsă între ±10 și ±20% din valoarea nominală, ceea ce este acceptabil în multe cazuri rațiometrice sau cu buclă închisă. Totuși, acesta poate fi un parametru critic dacă digipot-ul este adaptat la un rezistor discret extern sau la un senzor într-o aplicație în buclă deschisă. Din acest motiv, există digipot-uri standard cu o toleranță mult mai mică, de până la ±1%. Desigur, ca în cazul tuturor circuitelor integrate, coeficientul de temperatură al rezistenței și abaterea asociată legată de temperatură pot fi, de asemenea, un factor. Furnizorii specifică acest număr în fișa lor tehnică, astfel ca proiectanții să poată evalua impactul acestuia prin intermediul modelelor de circuit, cum ar fi Spice. Sunt disponibile și alte opțiuni de toleranță limitată, care sunt discutate mai jos.

Deși nu reprezintă o problemă în aplicațiile statice, cum ar fi calibrarea sau stabilirea punctului de polarizare, lățimea de bandă și distorsiunea sunt problematice în aplicațiile audio și în cele conexe. Traseul de rezistență al unui anumit cod, combinat cu fenomenele parazite ale comutatorului, pinii și capacitățile de pe placă, creează un filtru trece-jos de tip rezistor-condensator (RC). Valorile mai mici ale rezistorului de la un capăt la altul produc o lățime de bandă mai mare, cu lățimi de bandă de până la aproximativ 5 megahertzi (MHz) pentru un digipot de 1 kΩ, și de până la 5 kHz pentru o unitate de 1 MΩ.

În schimb, distorsiunea armonică totală (THD) se datorează în mare măsură nealinierii rezistențelor la diferite niveluri de semnal aplicat. Digipot-urile cu o rezistență mai mare de la un capăt la altul reduc contribuția rezistenței interne a comutatorului față de rezistența totală, ceea ce duce la o valoare THD mai mică. Astfel, lățimea de bandă versus THD este un compromis pe care proiectanții trebuie să îl prioritizeze și să îl cântărească atunci când aleg valoarea nominală a digipot-ului. Valorile tipice variază de la -93 dB pentru un digipot de 20 kΩ, până la -105 dB pentru unitățile de 100 kΩ.

Variații duble, cvadruple și variații digipot liniare versus logaritmice

Pe lângă controlabilitatea lor care nu necesită manipulare, digipot-urile oferă o simplitate suplimentară, ușurință de proiectare și costuri mult mai mici decât potențiometrele. Alte capacități ale acestora includ:

• Digipot-urile duble sunt utile în cazul în care două rezistențe trebuie reglate independent, dar sunt în special utile atunci când trebuie să fie la aceeași valoare. Deși ar putea fi utilizate două circuite integrate digipot separate, dispozitivul dual adaugă avantajul urmăririi valorilor rezistenței în ciuda toleranței și a abaterii; sunt disponibile și dispozitive quad.

• Setări liniare versus logaritmice (log): în timp ce aplicațiile de ajustare și calibrare au nevoie, de obicei, de o relație liniară între codul digital și rezistența rezultată, multe aplicații audio beneficiază de pe urma unei relații logaritmice pentru a se potrivi mai bine cu scalarea în decibeli necesară în aplicațiile audio.

Pentru a îndeplini această cerință, proiectanții pot utiliza digipot-uri logaritmice, cum ar fi DS1881E-050+ de la Maxim Integrated Products. Acest dispozitiv cu două canale funcționează de la o singură sursă de alimentare de 5 volți, are o rezistență de 45 kΩ de la un capăt la altul și dispune de o interfață I²C cu pini de adresă pentru a permite până la opt dispozitive pe magistrală. Valoarea rezistenței fiecăruia dintre cele două canale poate fi setată independent și dispune de mai multe setări de configurare care pot fi selectate de către utilizator; configurația de bază are 63 de trepte cu atenuare de 1 dB pe treaptă, de la 0 dB la -62 dB, plus dezactivarea sunetului (Figura 9).

Figura 9: Digipot-ul Maxim DS1881E-050+ cu două canale este proiectat pentru traseele de semnal audio, oferind o setare a câștigului de 1 dB/pas într-un interval de 63 dB. (Sursa imaginii: Maxim Integrated Products)

DS1881E-050+ este proiectat pentru a minimiza diafonia, iar cele două canale oferă o potrivire canal-canal de 0,5 dB pentru a minimiza orice diferență de volum între ele. De asemenea, dispozitivul implementează comutarea rezistorului de trecere prin zero pentru a preveni clicurile sonore și include o memorie nevolatilă, a cărei utilitate generală este discutată mai jos.

Tensiunea maximă pe care o poate suporta digipot-ul este, de asemenea, un aspect important. Digipot-urile de joasă tensiune sunt disponibile pentru funcționarea cu șine de până la +2,5 volți (sau ±2,5 volți cu o sursă bipolară), în timp ce dispozitivele de tensiune mai mare, cum ar fi Microchip Technology MCP41HV31 – un dispozitiv de interfață SPI de 50 kΩ, cu 128 de prize, poate funcționa cu șine de până la 36 de volți (±18 volți).

Memoria nevolatilă ajută la resetările de putere

Digipot-urile de bază au multe atribute, dar au o slăbiciune inevitabilă în comparație cu potențiometrele: își pierd setarea după ce sunt scoase de sub tensiune, iar poziția lor de resetare la pornire (POR) este setată din proiectare, de obicei la mijlocul intervalului. Din păcate, pentru multe aplicații, această setare POR este inacceptabilă. Luați ca exemplu o setare de calibrare: odată stabilită, aceasta ar trebui să fie păstrată până când este ajustată în mod deliberat, în ciuda întreruperii alimentării cu energie electrică sau a înlocuirii bateriei; în plus, în multe aplicații, setarea „corectă” este cea care a fost utilizată ultima dată când a fost întreruptă alimentarea cu energie electrică.

Prin urmare, unul dintre ultimele motive pentru a rămâne la potențiometre a fost faptul că acestea nu își pierd setările la resetarea alimentării, dar digipot-urile au rezolvat acest neajuns. Inițial, a fost o practică de proiectare obișnuită ca procesorul sistemului să citească setarea digipot-ului în timpul funcționării, apoi să reîncarce această setare la pornire. Însă, acest lucru a creat erori la pornire și a fost adesea inacceptabil pentru integritatea și performanța sistemului.

Pentru a rezolva această problemă, furnizorii au completat digipot-urile cu tehnologia de memorie nevolatilă (NVM) bazată pe EEPROM. Cu NVM, digipot-urile își pot păstra ultima poziție programată a cursorului atunci când sursa de alimentare este oprită, în timp ce versiunile programabile o singură dată (OTP) permit proiectantului să seteze poziția de resetare la pornire (POR) a cursorului la o valoare predefinită.

NVM permite alte îmbunătățiri. De exemplu, în cazul AD5141BCPZ10 de la Analog Devices, eroarea de toleranță a rezistorului este stocată în memoria EEPROM (Figura 10). Dispozitivul este un potențiometru digital nevolatil, cu un singur canal, cu 128/256 de poziții, inscriptibil și nevolatil, care acceptă atât interfețele I²C, cât și SPI. Utilizând valorile de toleranță stocate, proiectanții pot calcula rezistența reală de la un capăt la altul cu o precizie de 0,01% pentru a defini raportul dintre segmentele digipot de „deasupra cursorului” și cele de „sub cursor”. Această acuratețe este de o sută de ori mai bună decât acuratețea de 1% a digipot-urilor de acuratețe și mai mare fără NVM.

Figura 10: Digipot-ul AD5141BCPZ10 de la Analog Devices încorporează o memorie nevolatilă inscriptibilă (EEPROM) care poate fi utilizată pentru a stoca setările dorite de resetare la pornire, precum și factorii de calibrare pentru propria rețea de rezistoare. (Sursă imagine: Analog Devices)

Acest mod liniar de reglare a câștigului permite programarea independentă a rezistenței dintre terminalele potențiometrului digital prin rezistoarele de șir R_AW și R_WB, permițând o potrivire foarte precisă a rezistoarelor (Figura 11). O astfel de precizie este adesea necesară pentru inversarea topologiilor amplificatoarelor, de exemplu, în cazul în care câștigul este determinat de raportul dintre două rezistoare.

Figura 11: NVM-ul dintr-un digipot poate fi, de asemenea, utilizat pentru a stoca rezistențe calibrate deasupra și sub cursor pentru circuitele care utilizează rapoarte de rezistență precise pentru a seta câștigul amplificatorului. (Sursa imaginii: Analog Devices)

Fiți atenți la particularitățile digipot-urilor

Deși digipot-urile sunt utilizate pe scară largă pentru a înlocui potențiometrele atunci când dispozitivul tradițional este mai puțin dorit sau nepractic, acestea au unele caracteristici pe care proiectanții trebuie să le ia în considerare. De exemplu, cursorul metalic al unui potențiometru intră în contact cu elementul rezistiv cu o rezistență de contact aproape de zero și, de obicei, are un coeficient de temperatură neglijabil. Cu toate acestea, în cazul unui digipot, cursorul este un element CMOS cu o rezistență modestă, dar totuși semnificativă, de ordinul a zeci de ohmi până la 1 kΩ. Dacă 1 miliamper (mA) de curent trece printr-un cursor de 1 kΩ, căderea de 1 volt rezultată pe cursor poate limita domeniul dinamic al semnalului de ieșire.

Mai mult, această rezistență a cursorului este o funcție atât a tensiunii aplicate, cât și a temperaturii, astfel încât introduce neliniaritate și, prin urmare, distorsiuni ale semnalelor de curent alternativ în traseul semnalului. Coeficientul tipic de temperatură al cursorului de aproximativ 300 de părți pe milion pe grad Celsius (ppm/⁰C) poate fi semnificativ și ar trebui luat în considerare în bugetul de erori pentru proiectele de înaltă precizie. Modelele digipot-urilor sunt, de asemenea, oferite cu un coeficient mult mai mic.

Concluzie

Digipot-ul este un circuit integrat cu setare digitală care înlocuiește potențiometrul electromecanic clasic în multe arhitecturi de sistem și proiecte de circuite. Nu numai că reduce dimensiunea produsului și probabilitatea de apariție a erorilor datorate mișcărilor accidentale, dar adaugă compatibilitate cu procesoarele și, prin urmare, cu software-ul, oferind în același timp o precizie și o rezoluție mai mari (dacă este nevoie), împreună cu alte caracteristici utile.

După cum s-a arătat, digipot-urile sunt disponibile într-o gamă largă de valori nominale de rezistență, mărimi de pas și precizii, în timp ce adăugarea unei memorii nevolatile le extinde capacitatea și depășește o barieră importantă în calea utilizării lor în multe aplicații.

Lectură suplimentară

1. Circuitele integrate răspund la provocarea de reglare a intensității lămpilor cu leduri în circuitele acționate de TRIAC