Grundlæggende om digitale potentiometre, og hvordan man bruger dem

Mekaniske potentiometre er blevet brugt af designere i årtier til alt fra trimning af kredsløb til volumenkontrol. Men de har deres begrænsninger: viskerne kan blive slidte, de er sårbare over for fugt, og de kan ved et uheld blive flyttet fra deres indstillede position. Og efterhånden som verden bliver digital, har designerne brug for et alternativ, der kan opfylde kravene om mere præcis styring og høj pålidelighed, sammen med fleksibilitet til at justere værdier eksternt via firmware.

Digitale potentiometer-IC'er - ofte kaldet digipots - løser disse problemer ved at bygge bro mellem det digitale domæne og den analoge modstandsverden. Som en fuld elektronisk, mikrocontroller-kompatibel, komponent gør en digipot det muligt for en processor og software at styre, indstille og variere modstandsværdi eller spændingsdelerforhold.

De tilbyder egenskaber og funktioner, som mekaniske enheder ikke kan tilbyde, og de er mere robuste og pålidelige, da de ikke har nogen bevægelig visker. De kan ikke justeres bevidst eller utilsigtet, så man undgår uforklarlige ændringer i ydeevnen. Anvendelserne omfatter termisk LED-stabilisering, LED-dæmpning, forstærkningskontrol med lukket sløjfe, lydstyrkejustering, kalibrering og Wheatstone-bro-trimmer til sensorer, styring af strømkilder og indstilling af programmerbare analoge filtre for blot at nævne nogle få.

Denne artikel vil give en kort introduktion til potentiometre og deres udvikling mod digipots. Derefter vil der blive brugt komponenter fra Analog Devices, Maxim Integrated, Microchip Technology og Texas Instruments til at forklare digipot-funktion, for både grundlæggende og avancerede konfigurationer, og hvordan de opfylder kravene til kredsløbsjustering. Den vil vise, hvordan deres funktioner, egenskaber og muligheder kan bruges til at forenkle kredsløb, gøre kredsløb processorkompatible og reducere eller endda eliminere behovet for store, mindre pålidelige mekaniske potentiometre.

Begynd med det grundlæggende om potentiometre

Potentiometeret har været en vigtig, passiv kredsløbskomponent fra elektricitetens og elektronikkens tidligste dage. Det er en enhed med 3 terminaler og et tilgængeligt modstandselement, der ved hjælp af dens brugerindstillelige visker på en roterende aksel kan bruges til at opnå en spændingsdelerfunktion. Det bruges i utallige analoge og blandede signalkredsløb til at opfylde en lang række anvendelseskrav (figur 1).

Figur 1: Standardpotentiometeret er en brugerindstillelig variabel modstand med en roterende aksel. (Billedkilde: etechnog.com)

Modstanden i kredsløbet mellem en af endekontakterne og den justerbare visker varierer fra nul ohm (nominelt) til den fulde nominelle tråd- eller filmmodstand, når viskeren roterer og glider langs det resistive element. De fleste potentiometre har et rotationsområde på omkring 270 til 300 grader, med en typisk mekanisk opløsning og repeterbarhed på omkring 0,5 % og 1 % af fuldskala-værdien (mellem én del i 200 og 100, henholdsvis).

Bemærk, at der er en lille, men tydelig og vigtig forskel mellem et potentiometer og dets yngre søskende, reostaten. Et potentiometer er en enhed med tre terminaler, der fungerer som en spændingsdeler (figur 2, venstre), mens en reostat er en justerbar modstand med to terminaler, der styrer strømstyrke. Potentiometeret forbindes ofte for at skabe en reostat, hvilket kan gøres på en af tre lignende måder, ved at lade en endeterminal være uforbundet eller forbundet direkte til viskeren (figur 2, højre).

Figur 2: Potentiometeret med endeklemmerne A og B og viskeren W (til venstre) kan nemt bruges som en reostat med en af tre tilslutningsmetoder (til højre). (Billedkilde: Analog Devices)

Digipots: potentiometre i IC-form

Det helelektroniske digitale potentiometer efterligner funktionaliteten af det elektromekaniske potentiometer, men gør det ved hjælp af en IC uden bevægelige dele. Den accepterer en digital kode i et af flere formater og etablerer en tilsvarende modstandsværdi. Derfor kaldes den nogle gange en resistiv digital-til-analog-konverter (Resistive digital to analog converter/RDAC).

I et traditionelt potentiometer indstiller en hånd (eller nogle gange endda en lille motor) viskerens position og dermed spændingsfordelingsforholdet. I en digipot er computerstyringen imidlertid forbundet til digipot-IC'en via en digital grænseflade og etablerer en tilsvarende værdi for viskerens position (figur 3).

Figur 3: Digipot IC’en erstatter den manuelle indstilling af potentiometerets visker med en digitalt indstillet elektronisk kontakt, som efterligner en mekanisk visker. (Billedkilde: Circuits101, modificeret)

Digipot bruger standard CMOS IC-teknologi og kræver ikke særlig fremstilling eller håndtering. Størrelsen på en overflademonteret digipot-IC, typisk 3 x 3 millimeter (mm) eller mindre, er langt mindre end et drejeknapjusteret potentiometer eller endda et lille skruetrækkerjusteret trimmerpotentiometer (trimpot) og håndteres ligesom enhver anden overflademonteret teknologi (surface mount technology/SMT) IC med hensyn til printkortproduktion.

I princippet består digipotens interne topologi af en simpel seriel streng af modstande med digitalt adresserbare elektroniske kontakter mellem viskeren og disse modstande. En digital kommando bruges til at tænde den relevante kontakt, mens der slukkes for de andre, og den ønskede viskerposition etableres. I praksis har denne topologi nogle ulemper, herunder et stort antal modstande og kontakter, der kræves, og en større chip-størrelse.

For at minimere disse problemer har producenterne udtænkt smarte alternative modstands- og switch-arrangementer, som reducerer deres antal, men fremkalder den samme effekt. Hver af disse topologier resulterer i små forskelle i, hvordan digipot'en er placeret og dens egenskaber på andet niveau, men meget af dette er gennemsigtigt for brugeren. I resten af denne artikel vil vi bruge betegnelsen potentiometer for den elektromekaniske enhed og digipot for den helt elektroniske.

Digipots tilbudte egenskaber og funktioner

Som med alle andre komponenter er der både vigtige og mindre vigtige parametre, man skal overveje, når man vælger en digipot. De vigtigste spørgsmål er nominel modstandsværdi, opløsning og typen af digital grænseflade, mens overvejelser omfatter tolerance og fejlkilder, spændingsområde, båndbredde og forvrængning.

• Den ønskede modstandsværdi, ofte kaldet ”ende-til-ende”-modstand, bestemmes af kredsløbets designovervejelser. Leverandørerne tilbyder modstande mellem 5 kilohms (kΏ) og 100 kΩ i en 1/2/5-rækkefølge med nogle andre mellemliggende værdier. Derudover er der enheder med udvidet rækkevidde, der går så lavt som 1 kΩ og så højt som 1 megaohm (MΩ).

• Opløsningen definerer, hvor mange diskrete trin- eller tapindstillinger digipoten tilbyder, fra 32 til 1024 trin, så designeren kan matche anvendelsens behov. Husk på, at selv en mellemklasse digipot med 256 trin (8-bit) har højere opløsning end et potentiometer.

• Den digitale grænseflade mellem mikrocontrolleren og digipoten er tilgængelig i standard serielle SPI- og I²C-formatersammen med adressestifter, så flere enheder kan tilsluttes via en enkelt bus. Mikrocontrolleren bruger et simpelt datakodningsskema til at angive den ønskede modstandsindstilling. En minimalistisk digipot, som fx Texas Instruments-TPL0501, en digipot med 256 taps og SPI-grænseflade, passer godt, når strømspild og størrelse er afgørende (figur 4). Den fås i pladsbesparende pakker med 8 ben, såsom SOT-23 (1,50 mm × 1,50 mm) og UQFN (1,63 mm × 2,90 mm).

Figur 4: En basal digipot som TPL0501 fra Texas Instruments med et SPI-interface er en effektiv komponent til anvendelser med begrænset plads og strømforbrug, som ikke har brug for yderligere funktioner. (Billedkilde: Texas Instruments)

Et eksempel på en anvendelse er dens brug i kropsbåren medicinske enheder af klinisk kvalitet, såsom oximetre og sensorplastre, hvor den er parret med TI's OPA320-op-amp (figur 5). Kombinationen skaber en spændingsdeler, der styrer forstærkningen af forstærkeren, som leverer DAC-udgangen (digital-til-analog-konverter). Det indlysende spørgsmål er, hvorfor man ikke bare bruger en standard komplet DAC? Årsagen er, at denne kliniske applikation kræver en præcis skinne-til-skinne analog-udgang med høj fællessignalundertrykkelse (common-mode rejection ratio/CMRR) og lav støj, som OPA320 er specificeret til ved henholdsvis 114 decibel (dB) og 7 nanovolt pr. rodhertz (nV/√Hz) ved 10 kilohertz (kHz).

Figur 5: En digipot kan parres med en præcisions-op-amp som fx TI's OPA320 for at skabe en DAC med overlegen output-op-amp-ydelse. (Billedkilde: Texas Instruments)

Derudover er der digipot-grænsefladevariationer, der forenkler deres brug i anvendelser som brugerbetjente volumenkontrollere. To andre muligheder er trykknappen og op/ned-grænsefladen (up/down - U/D). Med trykknapgrænsefladen trykker brugeren på en af to tilgængelige knapper: en for at øge modstandstallet og den anden for at mindske det. Bemærk, at der ikke er nogen processor involveret i denne handling (figur 6).

Figur 6: Trykknapgrænsefladen giver mulighed for en processorfri forbindelse mellem to brugerbetjente trykknapper, hvilket fører til direkte forøgelse/formindskelse af digipot-indstillingen. (Billedkilde: Analog Devices)

U/D-grænsefladen kan implementeres med minimalt softwareoverhead og udløses via en simpel roterende enkoder eller trykknap, der er forbundet til en processor, og implementeres ved hjælp af en digipot som Microchip Technologys MCP4011, en grundlæggende 64-trins (6-bit) enhed, der fås med modstandsværdier på 2,1 kW, 5 kW, 10 kW og 50 kW (figur 7).

Figur 7: En digipot som MCP4011 fra Microchip Technology med en kantdrevet U/D-styreledning og chip-valg kræver minimale I/O- og softwareressourcer fra værtsmikrocontrolleren. (Billedkilde: Microchip Technology, modificeret)

Den bruger en enkelt opad eller nedadgående kant-trigger plus chip-valg til at øge eller mindske modstandsforøgelsen (figur 8). Det gør det nemt at implementere en knap, der ligner og føles som en traditionel volumenkontrol, uden de problemer, der er forbundet med potentiometre, men med fordelene ved digipots.

Figur 8: U/D-grænsefladen i en digipot understøtter kantudløst forøgelse og formindskelse af modstandsværdien ved hjælp af en trigger fra en enkoder med lav opløsning. (Billedkilde: Microchip Technology)

Tolerancen for digipots kan være et problem, da den typisk ligger mellem ±10 og ±20 % af den nominelle værdi, hvilket er acceptabelt i mange tilfælde med ratiometriske- eller lukket-sløjfe-tilfælde. Det kan dog være en kritisk parameter, hvis digipot’en skal matches med en ekstern diskret modstand eller en sensor i en åben-sløjfe-anvendelse. Derfor findes der standard-digipotter med meget snævrere tolerancer helt ned til ±1%. Som med alle IC'er kan temperaturkoefficienten for modstand og tilhørende temperaturrelateret drift selvfølgelig også være en faktor. Leverandørerne angiver dette tal i deres datablad, så designerne kan vurdere dets indvirkning via kredsløbsmodeller som Spice. Der findes andre muligheder for snævre tolerancer, som beskrives nedenfor.

Selvom det ikke er et problem i statiske anvendelser som kalibrering eller indstilling af bias-punkter, er båndbredde og forvrængning et problem i audio og relaterede anvendelser. Modstandsstien for en bestemt kode kombineret med switch-parasitter, ben og kapacitanser på printkort, skaber et modstand-kondensator-lavpasfilter. Lavere ende-til-ende-modstandsværdier giver en højere båndbredde, med båndbredder op til ca. 5 megahertz (MHz) for en 1-kΩ-digipot og ned til 5 kHz for en 1-MΩ-enhed.

I modsætning hertil skyldes total harmonisk forvrængning (total harmonic distortion/THD) i høj grad nonlineariteter i modstanderne ved forskellige anvendte signalniveauer. Digipots med højere ende-til-ende-modstand reducerer bidraget fra den interne switch-modstand i forhold til den samlede modstand, hvilket resulterer i lavere THD. Derfor er båndbredde kontra THD en afvejning, som designere må prioritere og afveje, når de vælger den nominelle digipot-værdi. Typiske værdier går fra -93 dB for en 20-kΩ-digipot og ned til -105 dB for en 100-kΩ-enhed.

Dobbelte, firedobbelte og lineære kontra logaritmiske digipot-variationer

Ud over muligheden for at styre digipots ”håndfri” tilbyder de yderligere enkelhed, let design og meget lavere omkostninger end potentiometre. Blandt deres andre evner:

• Dobbelte digipots er nyttige, hvor to modstande skal justeres uafhængigt af hinanden, men er især nyttige, når de skal have samme værdi. Selvom man kunne bruge to separate digipot-IC'er, giver den dobbelte enhed den fordel, at modstandsværdierne kan trackes på trods af tolerance og drift; der findes også firedobbelte-enheder.

• Lineære versus logaritmiske (log) indstillinger: Mens trim- og kalibreringsapplikationer normalt har brug for et lineært forhold mellem den digitale kode og den resulterende modstand, har mange audioapplikationer fordel af et logaritmisk forhold, der passer bedre til den decibelskalering, der kræves i audiosituationer.

For at imødekomme dette behov kan designere bruge logaritmiske digipots som DS1881E-050+ fra Maxim Integrated Products. Denne to-kanals-enhed drives af en enkelt 5 volt-forsyning, har en modstand på 45 kΩ fra ende-til-ende og har et I²C-interface med adresseben, så der kan være op til otte enheder på bussen. Modstandsværdien for hver af de to kanaler kan indstilles uafhængigt af hinanden, og den har flere konfigurationsindstillinger, der kan vælges af brugeren. Den grundlæggende konfiguration har 63 trin med 1 dB dæmpning pr. trin, fra 0 dB til -62 dB, plus ”stum” (mute) (figur 9).

Figur 9: Maxim-DS1881E-050+-to-kanalsdigipot er designet til audiosignalveje og giver en trinvis indstilling af forstærkning på 1 dB/trin over et område på 63 dB. (Billedkilde: Maxim Integrated Produkter)

DS1881E-050+ er designet til at minimere krydstale, og de to kanaler har 0,5 dB kanal-til-kanal-matchning for at minimere enhver lydstyrkeforskel imellem dem. Enheden implementerer også nulgennemgangsmodstandskobling for at forhindre hørbare klik og indeholder ikkeflygtig hukommelse, hvis generelle anvendelighed diskuteres nedenfor.

Den maksimale spænding, som digipotten kan håndtere, er også en overvejelse. Lavspændingsdigipots fås til drift med skinner helt ned til +2,5 volt (eller ±2,5 volt med en bipolær stømforsyning), mens dem med højere spænding som Microchip Technology MCP41HV31—en 50 kΩ, 128 taps, SPI-interfaceenhed - kan fungere med skinner op til 36 volt (±18 volt).

Ikke-flygtig hukommelse hjælper med strømreset

Basale digipots har mange fordele, men har en uundgåelig svaghed sammenlignet med potentiometre: De mister deres indstilling, når strømmen tages, og deres nulstilling-ved-tænding (power-on reset/POR)-position er indstillet af designet - oftest i midten af området. Desværre er denne POR-indstilling uacceptabel for mange anvendelser. Forestil dig en kalibreringsindstilling: Når først den er etableret, bør den bevares, indtil den bevidst justeres, på trods af at strømmen fjernes, eller batteriet udskiftes. I mange anvendelser var den "korrekte" indstilling desuden den, der sidst blev brugt, da strømmen blev fjernet.

Derfor var en af de tilbageværende grunde til at holde fast i potentiometre, at de ikke mister deres indstilling ved nulstilling af strøm, men digipots har løst denne mangel. Det var oprindeligt almindelig designpraksis at lade systemprocessoren aflæse digipot-indstillingen under drift og derefter genindlæse den ved opstart. Men det skabte fejl ved opstart og var ofte uacceptabelt for systemintegriteten og ydeevnen.

For at løse dette problem tilføjede leverandørerne EEPROM-baseret ikkeflygtig hukommelsesteknologi (nonvolatile memory/NVM) til digipots. Med NVM kan digipotterne bevare deres sidst programmerede viskerposition, når strømforsyningen slukkes, mens engangsprogrammerbare (one-time programmable/OTP) versioner giver designeren mulighed for at indstille viskerens POR-position til en foruddefineret værdi.

NVM muliggør andre forbedringer. For eksempel har Analog Devices AD5141BCPZ10 sin modstandstolerancefejl gemt i sin EEPROM-hukommelse (figur 10). Enheden er et ikke-flygtigt genskrivbar digitalt én-kanalspotentiometer med 128/256 positioner, som understøtter både I²C- og SPI-grænseflader. Ved hjælp af de gemte toleranceværdier kan designere beregne den faktiske ende-til-ende-modstand med en nøjagtighed på 0,01 % for at definere forholdet mellem digipot-segmenterne "over visker" og "under visker". Denne nøjagtighed er hundrede gange bedre end nøjagtigheden på 1 % for digipots med endnu højere nøjagtighed uden NVM.

Figur 10: AD5141BCPZ10 digipot fra Analog Devices har en elektrisk sletbar programmerbar ROM (electrically erasable programmable read-only memory/EEPROM), som kan bruges til at gemme de ønskede indstillinger for nulstilling-ved-tænding samt kalibreringsfaktorer for dens egen modstandsmatrix. (Billedkilde: Analog Devices)

Denne lineære forstærkningstilstand giver mulighed for uafhængig programmering af modstanden mellem de digitale potentiometerterminaler gennem R_AW og R_WB-strengmodstandene, hvilket giver mulighed for meget nøjagtig modstandsmatchning (figur 11). En sådan nøjagtighed er ofte nødvendig for inverterende forstærkertopologier, for eksempel, hvor forstærkningen bestemmes af forholdet mellem to modstande.

Figur 11: NVM'en i en digipot kan også bruges til at gemme kalibrerede modstande over og under viskeren til kredsløb, der bruger præcise modstandsforhold til at indstille forstærkerforstærkning. (Billedkilde: Analog Devices)

Vær opmærksom på digipot-særegenheder

Digipots bruges i vid udstrækning til at erstatte potentiometre, hvor den traditionelle enhed er mindre ønskværdig eller upraktisk, men de har nogle egenskaber, som designere skal tage højde for. For eksempel er metalviskeren på et potentiometer i kontakt med det resistive element med en kontaktmodstand tæt på nul og har normalt en ubetydelig temperaturkoefficient. I digipot-tilfældet er viskeren imidlertid et CMOS-element med en beskeden, men stadig meningsfuld modstand i størrelsesordenen ti ohm til 1 kΩ. Hvis der går 1 milliampere (mA) strøm gennem en 1-kΩ-visker, kan det resulterende fald på 1 volt over viskeren begrænse udgangssignalets dynamikområde.

Desuden er denne viskermodstand en funktion af både spænding og temperatur, så den introducerer nonlinearitet og dermed en forvrængning af AC-signaler i signalvejen. Viskerens typiske temperaturkoefficient på omkring 300 dele pr. million pr. grad Celsius (ppm/⁰C) kan være betydelig og bør indregnes i fejlbudgettet for højpræcisionsdesign. Digipot-modeller tilbydes også med en meget lavere koefficient.

Konklusion

Digipot er en digitalt indstillet IC, der erstatter det klassiske elektromekaniske potentiometer i mange systemarkitekturer og kredsløbsdesign. Det reducerer ikke kun produktets størrelse og sandsynligheden for fejl på grund af utilsigtede bevægelser, men gør det også kompatibelt med processorer og dermed software, samtidig med at det giver større nøjagtighed og højere opløsning (om nødvendigt) sammen med andre nyttige funktioner.

Som vist, fås digipots i en bred vifte af nominelle modstandsværdier, trinstørrelser og nøjagtigheder, mens tilføjelsen af ikkeflygtig hukommelse udvider deres kapacitet og overvinder en vigtig barriere for deres brug i mange applikationer.

Yderligere læsning

1. IC'er løser udfordringen med at dæmpe LED-lamper i TRIAC-drevne kredsløb