Общие характеристики цифровых потенциометров
Думаю уже видно, что цифровые потенциометры устроены не так и сложно. А собственно потенциометр, без учета логики шины, в микросхемах устроен практически одинаково. А раз так, то и, как минимум, некоторые их характеристики должны быть сходными. С точки зрения сравнения разных микросхем.
Давайте отбросим очевидные, напряжение питания, число каналов, количество положений ползунков, полное сопротивление между выводами 1 и 2 (А и В), наличие энергонезависимой памяти. Посмотрим на те характеристики, которые определяют микросхему именно как потенциометр.
Диапазон напряжений на выводах потенциометра
В типовом случае, напряжение на любом выводе должно лежать в пределах питающих напряжений. То есть, не может быть отрицательным и не может превышать напряжения питания.
Это весьма серьезное ограничение. Так как иногда требуется работать с двухполярным сигналом без постоянной составляющей. Если двойная амплитуда такого сигнала на превышает напряжения питания, то выход существует. Нужно просто добавит к сигналу, на время обработки, постоянную составляющую, что бы избежать отрицательных значений напряжения.
Это можно сделать разными способами. Например, действительно добавить к сигналу постоянную составляющую. При необходимости обеспечив развязку по постоянному току от предыдущих и последующих каскадов.
Или сдвинуть питающее напряжение цифрового потенциометра (скорее всего, не только его) сделав его двухполярным. А среднюю точку питания соединить с сигнальной землей.
Частотные свойства
Вполне естественно, что цифровые потенциометры могу работать с сигналами постоянного тока. Так же очевидно, что верхняя рабочая частота имеет ограничения.
Естественной причиной ограничений являются внутренние емкости микросхемы. Поэтому цифровые потенциометры с большим сопротивлением имеют и большие частотные ограничения.
Для примера, MCP4641, на уровне -3 dB и емкости нагрузки 30 пФ имеют такие предельные рабочие частоты
- 5 кОм — 2 МГц
- 10 кОм — 1 МГц
- 50 кОм — 200 кГц
- 100 кОм — 100 кГц
Иногда могут приводиться и графики зависимости усиления (ослабления) от частоты
Искажения сигнала
Для цифровых потенциометров ориентированных на применение для регулировки усиления сигнала могут приводиться и параметры нелинейности, гармонических искажений, шумовые параметры.
Думаю, эти параметры особенно будут интересны тем, кто захочет применить цифровой потенциометр для регулировки, например, громкости в УНЧ. Вот пара примеров для AD7376
Влияние цепей управления на выходной сигнал
Цепи управления неизбежно вносят помехи в полезные сигналы. И если нет разделения цифрового и аналогового питаний (и земель), то влияние может быть заметным. Вот пример для MCP4018 с сопротивлением 100 кОм
Если не считать выбросов на фронтах сигнала SCL, то можно заметить, что изменения уровня SCL вызывает изменение напряжения на ползунке потенциометра примерно 1 мВ. Здесь же видно, что влияет и сигнал SDA.
Не надо считать, что эта иллюстрация свидетельствует о том, что MCP4018 плох. Для потенциометра с сопротивление 10 кОм влияние практически ответствует. Не считая выбросов на фронтах SCL, которые просто передаются по шине земли.
Подобное же влияние есть практически у всех цифровых потенциометров. Но оно существует только при обращении микроконтроллера к микросхеме потенциометра.
Как устроен электронный потенциометр
Принцип, положенный в основу таких, уже чисто электронных, решений был прост и известен уже давно. Ведь классический трехвыводный потенциометр является просто регулируемым делителем напряжения. И не всегда требуется именно непрерывная плавная регулировка. А значит, можно сделать так
Такой дискретный вариант применялся в электронных устройствах уже давно. Но привод переключателя все равно оставался ручным. Однако, развитие электроники дало возможность заменить ручной привод электронным коммутатором.
Возможны различные варианты реализации такого коммутатора. Особенно, при использовании дискретных транзисторов. Но наибольшее распространение нашли схемы аналоговых ключей на полевых транзисторах с изолированными затворами. Давайте посмотрим на такой ключ (один канал микросхемы 168КТ2)
В данном случае вывод 12 это аналоговый вход, а вывод 14 это аналоговый выход. Вывод 13, затвор полевого транзистора, управляет состоянием ключа. В данном случае, при нулевом напряжении на затворе ключ закрыт, а при отрицательном напряжении (-15 В) ключ открыт.
Однако, в таких ключах существует проблема влияния выходного напряжения на пороговое напряжение затвора. Для устранения этого влияния подложка, в отличии от типовых МОП транзисторов, не соединена с истоком, а имеет отдельный вывод. Если точнее, в данной микросхеме все выводы подложек соединены между собой и подключены к выводу 11.
Для 168КТ2 на вывод 11 требовалось подавать напряжение +5 В, что сдвигало пороговое напряжение затвора и исключало влияние коммутируемых напряжений амплитудой менее 5 В.
168КТ2 предназначалась для специального (военного) применения. Ее гражданским аналогом является микросхема К547КП1. Были и другие подобные микросхемы ключей. И, разумеется, такие аналоговые ключи можно было собрать на дискретных транзисторах. Правда отдельного вывода подложки уже не будет. Это даст некоторые ограничения, но ключ будет работать.
Ну а наш электронный потенциометр может быть, например, таким
Обратите внимание, это уже электронный, но еще не цифровой потенциометр. Основным его достоинством является полное отсутствие каких либо механических компонентов и подвижных контактов
А основным недостатком ограниченный диапазон напряжений и необходимость сдвига уровней входного и выходного сигналов, что бы сохранялась требуемая полярность напряжения на выводах транзисторов.
Устранить второй недостаток можно изменив схему ключа. Вот классический ключ на полевых транзисторах, который может коммутировать переменное напряжение без постоянной составляющей
Как вы без сомнения знаете, этот ключ может передавать сигнал в любом направлении
И это важно для его применения в электронном потенциометре. Я не буду приводить иллюстрацию, так как достаточно заменить простейшие ключи на МОП транзисторах на предыдущей иллюстрации электронного потенциометра на такой вот улучшенный ключ, как мы получим классический электронный потенциометр
Из ограничений остался только не самый большой диапазон напряжений сигнала.
Обратите внимание, что не смотря на инвертор этот потенциометр все равно будет электронным, но не еще цифровым. Остается сделать всего один шаг
Как устроен цифровой потенциометр
В электронном потенциометре каждый ключ имеет свой вывод управления. С одной стороны, это удобно и позволяет замыкать одновременно несколько ключей. С другой стороны, количество соединений цепей управления получается слишком большим. А возможность одновременного замыкания нескольких ключей может приводить к ошибкам.
Но ведь можно просто добавить в схему потенциометра счетчик и дешифратор. И мы получим уже цифровой потенциометр. Правда пока довольно простой
AMUX это аналоговый коммутатор. Для счетчика предусмотрена возможность загрузки заданного значения, например, начального состояния. И выводы для шагов движения «ползунка» потенциометра.
Это вполне работоспособный вариант практического построения цифрового потенциометра. Но его весьма ощутимым ограничением является сложность построения схемы для большого числа шагов. Даже при использовании микросхем аналоговых коммутаторов. Поэтому практическим пределом являются 32 позиции. Это не означает, что больше нельзя. Это означает, что больше не имеет смысла для дискретных компонентов.
И тут нам на помощь приходят готовые интегральные цифровые потенциометры.
Зачем нужен цифровой потенциометр
Классически переменные резисторы требуют участия человека, оператора, в процессе регулировки сопротивления. Но это не всегда оказывается приемлемым. Иногда требуется, что бы регулировка сопротивления осуществлялась автоматически, без участия человека.
Механический привод движков реостатов, в механических же устройствах, уже существовал. И было вполне естественным добавить в конструкцию электродвигатель постоянного тока, для возможности реверса направления. Так появилась возможность регулировать сопротивление электронным способом.
Такие переменные резисторы с электромеханическим управлением были неудобны и не очень надежны. Поэтому широкого распространения не получили. Из применяли только в тех случаях, когда другие варианты были не возможны.
Естественно, с появлением микросхем и цифровых, логических, схем возникло желание, а самое главное, возможность, отказаться от сложных и громоздких электромеханических приводов. Так появляются потенциометры электронные.
