Grunderna för digitala potentiometrar och hur man använder dem

Mekaniska potentiometrar har använts av konstruktörer i årtionden för tillämpningar som sträcker sig från justering av kretsar till volymkontroll. Men, de har dock sina begränsningar: glidbanorna kan slitas ut, de är känsliga för inträngande fukt och de kan av misstag flyttas från sin inställda position. När världen dessutom blir allt mer digital, behöver konstruktörer ett alternativ för att uppfylla kraven på mer noggrann kontroll och hög tillförlitlighet, tillsammans med flexibiliteten att kunna fjärrjustera värden via firmware.

Digitala integrerade potentiometerkretsar - löser dessa problem genom att överbrygga den digitala världen och den analoga resistorvärlden. Som en helt elektronisk, mikroprocessorkompatibel komponent ger digitala potentiometrar en processor och ett program möjlighet att styra, ange och variera dess resistansvärde eller spänningsdelningsgrad.

De har egenskaper och funktioner som mekaniska enheter inte kan tillhandahålla, och de är mer robusta och tillförlitliga eftersom de inte har någon rörlig glidbana. De kan inte justeras medvetet eller av misstag, vilket undviker oförklarliga prestandaförändringar. Tillämpningarna inkluderar termisk stabilisering av lysdioder, dimring av lysdioder, styrning av förstärkning för slutna slingor, justering av ljudvolym, kalibrering och Wheatstone-bryggor för givare, styrning av strömkällor och inställning av programmerbara analoga filter, för att bara nämna några.

Artikeln kommer att helt kort introducera potentiometrar och deras utveckling till digitala potentiometrar. Den kommer sedan att använda komponenter från Analog Devices, Maxim Integrated, Microchip Techology ochTexas Instruments för att förklara de digitala potentimetrarnas funktion, grundläggande och avancerade konfigurationer och hur de tillgodoser kraven för kretsjustering. Den kommer att visa hur deras egenskaper, funktioner, kapaciteter och alternativ kan användas för att förenkla kretsar, göra kretsar processorkompatibla och minska eller till och med eliminera behovet av skrymmande, mindre tillförlitliga mekaniska potentiometrar.

Börja med potentiometerns grunder

Potentiometern har varit en viktig, passiv komponent från elektricitetens och elektronikens tidigaste dagar. Det är en anordning med tre anslutningar där en tillgänglig resistiv del, tillhandahåller en spänningsdelningsfunktion via den glidbana som användaren kan ställa in med en vridbar axel. Den används i otaliga analoga kretsar och kretsar med blandade signaler för att uppfylla ett stort antal tillämpningsbehov (figur 1).

Figur 1: Standardpotentiometern är en variabel resistor som kan ställas in av användaren med en vridbar axel. (Bildkälla: etechnog.com)

Resistorn som är kopplad till kretsen mellan antingen vardera ändanslutning och den justerbara glidbanan varierar från noll ohm (nominellt) till de fulla värdena för tråd- eller filmresistorn när glidbanan vrids och glider längs den resistiva delen. De flesta potentiometrar har ett vridområde på cirka 270 till 300 grader, med en typisk mekanisk upplösning och repeterbarhet på cirka 0,5 % och 1 % av den fulla skalans värde (mellan en del av 200 respektive 100).

Observera att det finns en liten, men tydlig och viktig skillnad, mellan en potentiometer och dess yngre släkting, reostaten. En potentiometer är en anordning med tre anslutningar som fungerar som en spänningsdelare (figur 2, vänster), medan reostaten är en justerbar resistor med två anslutningar som styr strömflöde. Potentiometern kopplas ofta för att skapa en reostat, vilket kan utföras på något av tre liknande sätt, genom att lämna en ändanslutning oansluten eller ansluten direkt till glidbanan (figur 2, höger).

Figur 2: Potentiometern med ändanslutningarna A och B och glidbanan W (vänster) kan enkelt användas som reostat med någon av tre anslutningsmetoderna (höger). (Bildkälla: Analog Devices)

Digitala potentiometrar: Potentiometrar i form av en integrerad krets

Den helt elektroniska digitala potentiometern emulerar funktionerna hos den elektromekaniska potentiometern men gör det med hjälp av en integrerad krets utan rörliga delar. Den tar emot en digital kod i något av flera format och skapar ett motsvarande resistansvärde. I en sådan användning, kallas den ibland resistiv digital-till-analogomvandlare (RDAC).

I en traditionell potentiometer, ställer användarens hand (eller ibland till och med en liten motor) in glidbanans position och därmed förhållandet för spänningsdelningen. I en digital potentiometer ansluts dock en datorstyrning till den digitala potentiometerns integrerade krets via ett digitalt gränssnitt och fastställer ett motsvarande värde för glidbanans position (figur 3).

Figur 3: En integrerad krets med en digital potentiometer ersätter den manuella inställningen av potentiometerns glidbana med en digitalt inställd elektronisk omkopplare som emulerar en mekanisk glidbana. (Bildkälla: Circuits101, modifierad)

Den digitala potentiometern använder vanlig teknik för CMOS-kretsar och kräver ingen speciell tillverkning eller hantering. Storleken på en ytmonterad integrerad krets med en digital potentiometer, normalt 3 x 3 mm eller mindre, är mycket mindre än en vredjusterad potentiometer eller till och med en liten trimpotentiometer som justeras med en skruvmejsel, och hanteras på exakt samma sätt som andra ytmonterade kretsar vid produktion av kretskort.

Den digitala potentiometerns interna topologi består i princip av ett enkelt motståndsnät med digitalt adresserbara elektroniska omkopplare mellan glidbanan och dessa motstånd. Med hjälp av ett digitalt kommando kan lämplig omkopplare slås på medan andra stängs av, vilket skapar önskad position för glidbanan. I praktiken, har denna topologi vissa nackdelar, inklusive att det krävs ett stort antal motstånd och omkopplare och ett större format.

För att minimera dessa bekymmer har leverantörer tagit fram smarta alternativa motstånds- och omkopplararrangemang som minskar antalet men ger samma effekt. Var och en av dessa topologier resulterar i små skillnader i den digitala potentiometerns intervall och dess egenskaper för nivå två, men mycket av detta är transparent för användaren. Under den resterande delen av artikeln använder vi termen potentiometer för den elektromekaniska enheten och digital potentiometer för den helt elektroniska.

Utbud av specifikationer och funktioner för digitala potentiometrar

Som med alla komponenter, finns det parametrar som är extremt viktiga likväl som sekundära som du bör tänka på när du väljer en digital potentiometer. De viktigaste frågorna är nominellt motståndsvärde, upplösning och typ av digitalt gränssnitt, medan överväganden inkluderar tolerans och felkällor, spänningsområde, bandbredd och distorsion.

• Det erforderliga resistansvärdet, ofta kallat resistans från ände-till-ände, definieras av kretsens konstruktionsöverväganden. Leverantörer erbjuder resistanser mellan 5 och 100 kΩ i en 1/2/5 sekvens med vissa andra mellanliggande värden. Det finns dessutom enheter med utökat intervall som går ända ner till 1 kΩ och ända upp till 1 MΩ.

• Upplösning definierar hur många diskreta steg eller avtappningsinställningar som den digitala potentiometern erbjuder, från 32 till 1024 steg så att konstruktören kan motsvara tillämpningens behov. Tänk på att även en digital potentiometer med 256-steg (8 bitar) i mellanklass har högre upplösning än en potentiometer.

• Det digitala gränssnittet mellan microkontrollern och den digitala potentiometern finns för vanligt seriellt SPI- och I²C-format, tillsammans med adresseringsstift så att fler enheter kan anslutas via en enda buss. Microkontrollern använder ett enkelt datakodningsschema för att ange önskad motståndsinställning. En minimalistisk digital potentiometer som t.ex. TPL0501 från Texas Instruments är en digital potentiometer med 256 avtappningar med SPI-gränssnitt som passar bra där effektavledning och storlek är viktigt (figur 4). Den finns i en utrymmesbesparande SOT-23-kapsling med 8 stift (1,50 × 1,50 mm) och en UQFN-kapsling med 8 stift (1,63 × 2,90 mm).

Figur 4: En grundläggande digital potentiometer som TPL0501 från Texas Instruments med ett SPI-gränssnitt är en effektiv komponent för tillämpningar med begränsad plats och effekt, som inte behöver ytterligare funktioner. (Bildkälla: Texas Instruments)

Ett exempel på en tillämpning är dess användning i bärbara medicinska apparater för klinikmiljö som t.ex. oximetrar och sensorplåster, där den är sammankopplad med operationsförstärkaren OPA320 från TI (figur 5). Kombinationen skapar en spänningsdelare för att kontrollera förstärkarens förstärkning som tillhandahåller utgången för digital-till-analogomvandlaren (DAC). Den uppenbara frågan är varför man inte bara använder en vanlig komplett DAC? Anledningen till detta är att denna kliniska tillämpning kräver en noggrann utgång från matning till matning med ett högt gemensamt avvisningsförhållande (CMRR) och lågt brus, där OPA320 specificerats för 114 dB och 7 nV/√Hz vid respektive 10 kHz.

Figur 5: En digital potentiometer kan kopplas samman med en noggrann operationsförstärkare som t.ex. OPA320 från Texas Instruments, för att skapa en DAC med överlägsen prestanda för operationsförstärkarens utgång. (Bildkälla: Texas Instruments)

Det finns dessutom variationer i den digitala potentiometerns gränssnitt som förenklar dess användning i tillämpningar som volymontroller som vrids av användaren. Två andra alternativ är tryckknappen och gränssnittet för upp/ner. Med gränssnittet med tryckknappar, trycker användaren på en av två tillgängliga knappar: en för att öka resistansmängden och den andra för att minska det. Observera att det inte finns någon processor inblandad i denna åtgärd (figur 6).

Figur 6: Gränssnittet med tryckknappar möjliggör en anslutning utan processor mellan två tryckknappar som användaren styr, vilket leder till en direkt ökning/minskning av den digitala potentiometerns inställning. (Bildkälla: Analog Devices)

Upp/ner-gränssnittet kan implementeras med en minimal mängd programvara och aktiveras via en enkel roterande kodomvandlare eller tryckknapp ansluten till en processor, och implementeras med hjälp av en digital potentiometer som t.ex. MCP4011 från Microchip Technology, en grundläggande enhet med 64 steg (6-bitar) som finns med resistansvärden för 2,1 kW, 5 kW, 10 kW och 50 kW (figur 7).

Figur 7: En digital potentiometer som MCP4011 från Microchip Technology med en flankdriven styrledning för upp/ner och kretsval kräver en minimal mängd in-/utgångar och programvaruresurser från den microkontroller som är värd. (Bildkälla: Microchip Technology, modifierad)

Den använder en aktivering vid hög eller låg flank samt kretsval för att öka eller minska resistansen (figur 8). Detta möjliggör en enkel implementering av ett vred som som ser ut och känns som en traditionell volymkontroll, utan de problem som är förknippade med potentiometrar, och med fördelen hos en digital potentiometer.

Figur 8: Gränssnittet för upp-/ner för för en digital potentiometer har stöd för flankutlöst ökning eller minskning av resistansvärdet med hjälp av en kodomvandlare med låg upplösning. (Bildkälla: Microchip Technology)

Toleransen för digitala potentiometrar kan vara ett problem eftersom den vanligtvis ligger mellan ± 10 och ± 20 % av det nominella värdet, vilket är acceptabelt i många fall med ratiometriska eller slutna slingor. Det kan dock vara en kritisk parameter om den digitala potentiometern matchas mot en extern diskret resistor eller en givare i en tillämpning med en öppen slinga. Av denna anledning finns det vanliga digitala potentiometrar med en mycket snävare tolerans, ända ner till ± 1 %. Givetvis kan resistansens temperaturkoefficient och tillhörande temperaturrelaterade avvikelse, som med alla integrerade kretsar, även utgöra en faktor. Leverantörer anger denna siffra i sina datablad så att konstruktörer kan bedöma dess inverkan på det via verktyg för kretskonstruktion som t.ex. Spice. Andra snäva toleransalternativ finns och diskuteras nedan.

Även om det inte är ett problem i statiska tillämpningar som t.ex. kalibrering eller inställning av förspänningspunkt, är bandbredd och distorsion problem i ljud- och ljudrelaterade tillämpningar. Resistansvägen för en viss kod, i kombination med parastiska omkopplare och kapacitanser i stift och kretskort skapar ett lågpassfilter med en resistor-kondensator (RC). Lägre resistansvärden från ände till ände ger en högre bandbredd, med bandbredder upp till cirka 5 MHz för en digital potentiometer på 1 kΩ, ner till 5 kHz för en enhet med 1 MΩ.

I motsats till detta, beror den totala harmoniska distorsionen (THD) till stor del på olinjäriteter i resistanserna vid olika tillämpade signalnivåer. Digitala potentiometrar med högre resistans från ände till ände minskar bidraget från den interna omkopplingsresistansen till den totala resistansen, vilket resulterar i en lägre THD. Således är bandbredd kontra total harmonisk distorsion en avvägning som konstruktörer måste prioritera och väga in när de väljer den digitala potentiometerns nominella värde. Typiska värden varierar från -93 dB för en digital potentiometer på 20, ner till -105 dB för en enhet på 100 kΩ.

Dubbla, fyrdubbla och linjära kontra logaritmiska varianter av digital potentiometrar

Förutom deras styrbarhet utan mänsklig inblandning erbjuder digitala potentiometrar ytterligare förenkling, enkel kontruktion och mycket lägre kostnader än potentiometrar. Några av deras övriga egenskaper:

• Dubbla digitala potentiometrar är användbara när två resistanser behöver justeras oberoende av varandra, men är särskilt användbara när de måste ha samma värde. Även om två separata integrerade kretsar med digitala potentiometrar kan användas, ger den dubbla enheten en ökad fördel genom spårning av resistansvärden trots tolerans och avvikelse. Det finns även fyrdubbla enheter.

• Linjära kontra logaritmiska (log) inställningar: medan tillämpningar för justering och kalibrering vanligtvis behöver en linjär relation mellan den digitala koden och den resulterande resistansen, har många ljudtillämpningar nytta av en logaritmisk relation för att bättre passa den decibelskala som krävs i ljudsituationer.

För att möta detta behov kan konstruktörer använda logaritmiska digitala potentiometrar som DS1881E-050+ från Maxim Integrated Products. Denna enhet med två kanaler drivs med en matning på 5 V, har en resistans på 45 kΩ från ände till ände och har ett I²C-gränssnitt med adresseringsstift för att möjliggöra upp till åtta enheter på bussen. Resistansvärdet för var och en av de två kanalerna kan ställas in oberoende, och det har flera konfigurationsinställningar som användaren kan välja. Grundkonfigurationen har 63 steg med 1 dB dämpning per steg, från 0 dB till -62 dB, plus tystnad (figur 9).

Figur 9: den digitala potentiometern DS1881E-050+ med två kanaler från Maxim är konstruerad för ljudsignalvägar, och har en förstärkning på 1 dB/steg över ett område på 63 dB. (Bildkälla: Maxim Integrated Products)

DS1881E-050+ är konstruerad för att minimera överhörning, och de två kanalerna erbjuder 0,5 dB matchning från kanal till kanal för att minimera en eventuell volymskillnad mellan dem. Enheten implementerar även en resistansväxling med nollgenomgång för att förhindra klickljud och innehåller ett icke-flyktigt minne, vars allmänna nytta diskuteras nedan.

Den maximala spänningen som den digitala potentiometern kan hantera är också ett övervägande. Digitala potentiometrar för låg spänning finns för matning ända ner till +2,5 V (eller ± 2,5 V med en bipolär matning), medan modeller för högre spänningar, som t.ex. MCP41HV31 från Microchip Technology är en enhet med 50 kΩ, 128 avtappningar för SPI-gränssnitt - som fungerar med spänningsmatningar på upp till 36 V (± 18 V).

Ett icke-flyktigt minne underlättar strömåterställningar

Grundläggande digitala potentiometrar har många förmågor men en oundviklig svaghet jämfört med potentiometrar. De förlorar sin inställning när strömmen försvinner, och deras läge vid en strömåterställning ställs in av konstruktionen, normalt mitt i området. Olyckligtvis, är denna inställning vid en strömåterställning inte acceptabel i många tillämpningar. Tänk på en kalibreringsinställning: när den väl har etablerats bör den bibehållas tills den medvetet justeras, oavsett om nätströmmen försvinner eller om batteribyten sker. Dessutom är den ”korrekta” inställningen i många tillämpningar den inställning som senast användes innan strömmen försvann.

Därför var en av de återstående anledningarna till att fortsätta med potentiometrar, att de inte tappar sin inställning vid strömåterställning, men de digitala potentiometrarna har åtgärdat denna brist. Det var ursprungligen en vanlig praxis bland konstruktörer att låta systemprocessorn läsa av den digitala potentiometerns inställning under drift och sedan ladda om den inställningen vid start. Detta skapade emellertid fel vid start och var ofta inte acceptabelt för systemintegritet och prestanda.

För att hantera detta bekymmer, lade leverantörerna till EEPROM-baserad NVM-teknik (icke-flyktigt minne) i digitala potentiometrar. Med NVM kan de digitala potentiometrarna bibehålla den senast programmerade positionen för glidbanan när strömförsörjningen slås av, medan engångsprogrammerbara (OTP) versioner gör det möjligt för konstruktören att ställa in glidbanans position vid strömåtersällning (POR) till ett fördefinierat värde.

NVM möjliggör andra förbättringar. AD5141BCPZ10 från Analog Devices har exempelvis sitt resistanstoleransfel lagrat i EEPROM-minnet (figur 10). Enheten är en omskrivningsbar icke-flyktig digital potentiometer med en kanal och 128-/256-positioner med stöd för gränssnitten I²C och SPI. Med hjälp av de lagrade toleransvärdena kan konstruktörer beräkna den faktiska resistansen från ände till ände med en noggrannhet på 0,01 % för att definiera förhållandet mellan den digitala potentiometerns segment ”över glidbanan” och ”under glidbanan”. Denna noggrannhet är hundra gånger bättre än 1 % noggrannhet för digitala potentiometrar med ännu högre noggrannhet utan NVM.

Figur 10: Den digitala potentiometern AD5141BCPZ10 från Analog Devices innehåller ett omskrivningsbart icke-flyktigt minne (EEPROM) som kan användas för att lagra önskade inställningar vid strömåterställning, samt kalibreringsfaktorer för sin egen resistormatris. (Bildkälla: Analog Devices)

Detta linjära inställningsläge för förstärkning möjliggör en oberoende programmering av resistansen mellan anslutningarna på den digitala potentiometern genom motståndsnätet R_AW och R_WB, vilket möjliggör en mycket noggrann matchning av resistansen (figur 11). En sådan noggrannhet behövs ofta för att invertera förstärkartopologier, där förstärkningen exempelvis bestäms av förhållandet mellan två resistorer.

Figur 11: Det icke-flyktiga minnet i en digital potentiometer kan även användas för att lagra kalibrerade resistanser över och under glidbanan, för kretsar som använder exakta resistansförhållanden för att ställa in en förstärkares förstärkning. (Bildkälla: Analog Devices)

Var uppmärksam på de digitala potentiometrarnas särdrag

Digitala potentiometrar används ofta för att ersätta potentiometrar där den traditionella enheten är mindre önskvärd eller inte praktisk, men de har vissa egenskaper som konstruktörer måste ta hänsyn till. En potentiometers metallavstrykare kommer t.ex. i kontakt med det resistiva elementet med en kontaktresistans nära noll och har vanligtvis en försumbar temperaturkoefficient. I fallet med en digital potentiometer är glidbanan dock ett CMOS-element med en blygsam men ändå betydelsefull resistans i storleksordningen tiotals ohm till 1 kΩ. Om 1 mA ström passerar genom en glidbana på 1 kΩ kan det resulterande spänningsfallet på 1 V över glidbanan begränsa utsignalens dynamiska område.

Dessutom är denna resistans i glidbanan en funktion av både den applicerade spänningen och temperaturen, så det introducerar en ickelinjäritet och därmed en distorsion av växelströmssignaler i signalvägen. Glidbanans typiska temperaturkoefficient på cirka 300 delar per miljon per grad Celsius (ppm/⁰C) kan vara betydande och bör tas med i felbudgeten för konstruktioner med hög precision. Modeller av digitala potentiometrar finns även med en mycket lägre koefficient.

Sammanfattning

Den digitala potentiometern är en integrerad krets som ställs in digitalt och ersätter den klassiska elektromekaniska potentiometern i många systemarkitekturer och kretskonstruktioner. Den minskar inte bara produktens storlek och sannolikheten för fel på grund av oavsiktlig förflyttning, utan lägger även till processorkompatibilitet och därigenom programvara, samtidigt som det ger en större noggrannhet och högre upplösning (om det behövs), tillsammans med andra användbara funktioner.

Som visat finns digitala potentiometrar tillgängliga i ett brett område av nominella motståndsvärden, stegstorlekar och noggrannheter, medan tillägget av icke-flyktigt minne utökar deras förmåga och övervinner ett viktigt hinder för deras användning i många tillämpningar.

Ytterligare läsning

1. Integrerade kretsar hanterar utmaningen med dimring av LED-lampor i TRIAC-drivna kretsar