Лекции ЭУПО / Глава1 / ПЦ

1.13. ЦИФРОВОЙ ПОТЕНЦИОМЕТР

Использование всех преимуществ микропроцессоров привело к применению цифровых потенциометров (ЦП). Механические переменные (подстроечные) резисторы-триммеры создают большие затраты времени на реализацию ручного процесса регулировки, имеют низкую точность регулировки, невысокую надежность подстроечных элементов. Функция потенциометра возлагается на сам микропроцессор. Например, нет смысла ставить регулятор (потенциометр) смещения нуля перед АЦП, если эти функции программно выполняются в нем. Принципиально для получения полноценной замены переменного резистора можно взять КМОП-мультиплексор и подключить к нему цепочку постоянных резисторов с управляемым положением токосъема посредством внешнего интерфейса. Закон зависимости значения сопротивления от положения «движка» может быть линейным, логарифмическим, а также программируемым пользователем. Такой цифровой потенциометр будет иметь три отдельных вывода: L – вывод для подключения напряжения низкого потенциала; H – вывод для подключения напряжения высокого потенциала; W – вывод движка (токосъема) потенциометра. На выводы L и H можно подавать любые постоянные или переменные напряжения в допустимых для электронных ключей пределах и определяемых напряжением питания U_CC (рис. 1.68).

Большого схемотехнического различия между цифро-аналоговым преобразователем (ЦАП) и цифровым потенциометром нет. В англоязычной литературе встречается название Trim-DAC, т. е. ЦАП для подстройки.

Регулирование значения сопротивления ЦП выполняется по шине управления: параллельной или последовательной. Управление по параллельной шине обеспечивает максимальное быстродействие. Для ЦП не требуется высокого быстродействия, поэтому ЦП имеет последовательную шину управления. Используются три типа шин управления: SPI (3-wire), I²C (2-wire), и UDC. Приборы с шиной I²C называют адресуемыми. Интерфейс UDC (Up/Down Control) предназначен для ручного управления сопротивлением ЦП с помощью кнопок. Интерфейс имеет три сигнала: – выбор устройства, INC – инкремент-декремент и Up/Dn – выбор направления. Для регулировки потенциометра необходимо выбрать его сигналом , подать сигнал направления Up/Dn и затем осуществить нужное количество шагов импульсами по входу INC. Низкий уровень напряжения на входе активизирует управляющий порт ПЦ и сигналы по входам INC и UDC изменяют его сопротивление. Вход UDC управляет направлением изменения сопротивления потенциометра (изменением напряжения на выходе W). Вход INC определяет количество позиций изменения сопротивления потенциометра. При высоком уровне потенциала входа Up/Dn и низком любой высокий-низкий перепад уровня потенциала на входе INC вызовет перемещение потенциала выхода W на одну позицию к выводу H. При низком уровне потенциала входа Up/Dn и низком любой высокий-низкий перепад уровня потенциала на входе INC вызовет перемещение потенциала выхода W на одну позицию к выводу L. Запись новой позиции ПЦ в память EEPROM выполняется за t_WST =10 мс. При выключении питания ЦП он «забывает» настроенное значение сопротивления (положение курсора), в то время как обычные переменные резисторы после регулировки сохраняют свое положение. При следующем включении напряжения питания ЦП устанавливается в определенное начальное положение, которое зависит от типа ЦП. Если в системе есть микропроцессор, то после включения напряжения питания он загружает нужные коды, восстановив положение ЦП, найденное при регулировке. В случае автономной установки ЦП в изделие ему для сохранения найденного значения сопротивления необходима энергонезависимая память. Некоторые типы ЦП могут запоминать несколько положений (часто четыре), что позволяет реализовать предустановки различных значений, например, для разных режимов работы.

По сравнению с обычными переменными резисторами ЦП имеют ряд преимуществ: отсутствие подвижных механических частей; высокая надежность; нечувствительность к вибрациям; отсутствие влияния перемещающегося контакта при работе на малых токах; отсутствие регулировочных отверстий для отвертки; быстрый процесс настройки; высокая точность регулировки; возможность установки начального значения сопротивления, как и у обычных резисторов, загрузкой его из EEPROM при включении напряжения питания; наличие нескольких устройств в одном корпусе с относительным отклонением значений менее 1 %; корпуса микросхем более компактны, чем корпуса подстроечных резисторов; стоимость цифровых потенциометров меньше стоимости качественных переменных резисторов.

Существуют некоторые отличия цифровых потенциометров от обычных механических переменных резисторов, которые накладывают ограничения на их применение и в большинстве случаев являются недостатками. Важнейшим параметром ЦП является дискретность регулировки, т. е. количество коммутируемых отводов переменного резистора (количество шагов). Обычно количество шагов является степенью числа 2, но бывают ЦП и с другим количеством шагов, например 100. Наиболее распространена дискретность регулировки от 32 до 256 шагов. Полное сопротивление ЦП – 1, 10, 50 и 100 кОм. К другим параметрам, характеризующим ЦП, относятся максимальное напряжение на выводах переменного резистора, сопротивление «щетки», максимальный допустимый ток, максимальную рассеиваемую мощность, шум, нелинейность и температурный коэффициент. Допустимый диапазон напряжений питания ЦП равен 0…5 В. Некоторые ЦП могут иметь двухполярное питание ±5 В. Сопротивление контакта курсора «щетки» ЦП в крайнем положении немного больше, чем у обычных переменных резисторов. У обычного переменного резистора это сопротивление может составлять десятые доли Ома. Для 10-килоомного ЦП сопротивление «щетки» составляет порядка 50…100 Ом. Это сопротивление образовано сопротивлением канала открытого полевого транзистора. Емкость входов H_и L находится в пределах C_IN = C_H = C_L = 5 пФ, емкость выхода – C_OUT = C_W = 7 пФ. Температурный коэффициент сопротивления резисторов, на основе которых построены ЦП, достаточно велик. Это обычно поликристаллические кремниевые резисторы, имеющие положительный ТКС. Абсолютное значение ТКС имеет величину примерно 300…800 ppm/°C. Как и обыкновенным ЦАП, так ЦП присуща интегральная и дифференциальная нелинейность. Область применения ЦП разнообразна, например, в устройствах цифрового регулирования усиления; реализация регулируемых источников опорного напряжения; регулировка смещения нуля в усилителях; регулировка выходного напряжения стабилизаторов; настройка измерительных мостов; регулировка контрастности ЖК-индикаторов и т. п.

Рассмотрим пример применения ЦП. На рис. 1.69 приведен пример регулировки смещения ОУ с помощью ЦП. Благодаря резисторам, включенным последовательно с ЦП, цепь регулировки смещения имеет напряжение ±15 В без нарушения ограничения ±5 В для ЦП.