Электронные устройства с применением цифровых потенциометров

lign="justify">     Значения  этих параметров у разных типов ЦП могут существенно отличаться, подробности можно найти в фирменной документации. 

     Амплитудно-частотная  характеристика

     Из-за наличия паразитных емкостей АЧХ  делителя, который образован ЦП, имеет спад на высоких частотах.

     

     Рис.3 Эквивалентная схема ЦП.

     Эквивалентная схема ЦП показана на рис. 2. Из нее видно, что ЦП представляет собой ФНЧ, частота среза которого зависит, в частности, от положения. Значения емкостей на рисунке указаны ориентировочно. Они зависят от типа ЦП и от положения. В то же время значения паразитных емкостей практически не зависят от номинального сопротивления ЦП. Поэтому там, где требуется широкая полоса пропускания, следует применять ЦП с возможно меньшим сопротивлением, имеющие более высокую частоту среза. Приблизительно частота среза для ЦП сопротивлением 100 кОм равна 100 кГц, 50 кОм — 200 кГц, 10 кОм — около 1 МГц (рис. 4). У обычных построечных резисторов паразитные емкости значительно меньше.

     

     Рис.4. АЧХ ЦП AD8400 

Область применения ЦП

     Области применения ЦП в настоящее время  весьма разнообразны и их становится все больше в связи с появлением более совершенных ЦП. С расширением номенклатуры ЦП, появлением моделей с дополнительными функциональными возможностями расширяеться и сфера применения. Вот некоторые из этих областей:

• цифровая регулировка усиления;
• реализация регулируемых источников опорного напряжения;
• регулировка громкости в аудиосистемах;
• регулировка смещения нуля в операционных усилителях;
• регулировка выходного напряжения стабилизаторов;
• настройка измерительных мостов;
• регулировка усиления, частоты настройки и добротности фильтров;
• регулировка полной шкалы и смещения в усилителях датчиков;
• регулировка частоты и скважности генераторов;
• регулировка смещения pin-диодов в ВЧ-аттенюаторах;
• регулировка контрастности и подсветки ЖК-индикаторах.
• Управление яркостью светодиодов;
• Оперативные и заводские регулеровки в аудио- и видеоаппаратуре, в том числе управление громкостью и стереобалансом в аудиоаппаратуре среднего класса;

     В настоящее время широко рекламируется  возможность применения ЦП в качестве регуляторов громкости и тембра в аудиоаппаратуре. Однако обычные ЦП имеют для этого слишком маленький динамический диапазон и большие искажения. Для цифровых потенциометров остается лишь узкая ниша low-end применений, таких как регулировка громкости в сотовых телефонах, переносной аппаратуре и устройствах multimedia. Для построения высококачественных регуляторов громкости выпускается ряд специализированных микросхем, таких как AD7111, AD7112 от Analog Devices, CS3310 от Crystal и др.

     Схемы включения ЦП приведены как в справочных материалах на конкретные изделия, так и в многочисленных фирменных руководствах по применению. На рисунке 5 изображена элегантная схема регулировки выходного напряжения импульсного стабилизатора напряжения. Характеристики стабилизатора слабо зависят от разброса номинального сопротивления ЦП и его ТКС. Имеющаяся номенклатура ЦП предоставляет разработчику богатый выбор. Самые широкие возможности имеют ЦП от Analog Devices, Intersil и Maxim.

     

Рис. 5 Применение ЦП в стабилизаторе напряжения

     Примеры применения ЦП

     На  рис. 6 а показана схема инвертирующего усилителя, коэффициент усиления которого регулируется с помощью ЦП в пределах от –0,5 до –2. Особенностью схемы является то, что она допускает диапазон входного напряжения ±10 В без нарушения  условия, что на выводах ЦП напряжение не должно превышать ±5 В.  

     Рис. 6.а        Рис. 6.б

                           

     На  рис. 6 б приведен пример регулировки  смещения ОУ с помощью ЦП. Благодаря  резисторам, включенным последовательно  с ЦП, цепь регулировки смещения удалось запитать от источника ±15 В без нарушения ограничения ±5 В для ЦП.

     На  рис. 6 в изображен гиратор, значение эквивалентной индуктивности которого регулируется с помощью ЦП.

     На  рис. 6 г показан стабилизатор на основе IC LM317, выходное напряжение которого регулируется с помощью ЦП. В этой схеме максимальное выходное напряжение ограничено возможностями ЦП.

     Рис. 6.в       Рис. 6.г

                             

     При построении широкополосных усилителей АЧХ даже самого низкоомного ЦП может  оказаться неудовлетворительной. В  таких случаях можно уменьшить  эффективное полное сопротивление  ЦП, включив параллельно ему постоянный резистор. На рис. 6 д показана схема усилителя, частота среза которого регулируется с помощью ЦП в пределах 0,13…1 МГц, а коэффициент усиления — в пределах 1−2.

     В некоторых приложениях, например при  регулировке тока лазерных диодов, разрешение обычных ЦП может оказаться недостаточным. В то же время применение ЦАП высокой разрядности является дорогостоящим решением. Используя простую верньерную схему, можно на основе счетверенного 64-шагового ЦП получить результирующее число шагов 8001 (рис. 6, е).

     Рис. 6.д

     

 
 

     Рис. 6.е

     

     Если  соединить последовательно два 64-шаговых  ЦП, то получим число шагов, равное 256. Если еще два ЦП использовать для задания напряжений на выводах  этого каскадного ЦП, то получим 63 разных интервала напряжения, в которых  будет работать каскадный ЦП (63 получается в результате того, что всегда положения двух дополнительных ЦП должны отстоять друг от друга на единицу). Используя 127 положений каскадного ЦП и 63 положения дополнительных ЦП, получаем общее количество шагов 8001. Теоретически можно увеличить это количество еще в два раза, если использовать все положения каскадного ЦП, однако разрешающую способность будет ограничивать нелинейность ЦП. С ЦП типа X9241 фирмы Xicor общая дифференциальная нелинейность не превышает 0,008 %. Ситуацию можно еще улучшить, если каскадный ЦП подключить через повторители на ОУ (рис. 6, ж).

     

Рис. 6.ж

Управление  цифровым потенциометром фильтром НЧ

Цифровые  потенциометры — достаточно гибкие устройства, которые могут применяться в самом широком спектре устройств, в том числе, и для создания низкочастотного фильтра с регулируемой полосой пропускания.

Простой НЧ фильтр. На рисунке 6 показан аудио НЧ фильтр, построенный с помощью DS3903. Схема питается от одиночного источника 2.7…5.5 В и имеет каскад предварительного усиления с максимальной амплитудной нагрузкой 5 В (1.77 ВRMS) от

источника питания 5 В. Для создания низкочастотного  фильтра с двумя полюсами (12 дБ приращения) на одной частоте, номинал конденсатора С3 должен в два раза превышать номинал С2. Потенциометры POT0 и POT2 запрограммированы на одинаковые

значения. Пороговая частота при такой  конфигурации составит:

где R_POT — значение сопротивления, соответствующее цифровому значению, запрограммированному в POT0 и POT2. Входной каскад схемы (C1, U1-POT1, U2A, R1, и R2) отвечает за контроль громкости. Также, он необходим для смещения DC напряжения аудио сигнала на уровень V_CC/2 для того, чтобы сигналы прошли через цифровой потенциометр и операционные усилители без изменения формы импульсов. Такая топология позволяет схеме работать с любым значением V_CC между 2.7 и 5.5 В, так как схема не может превысить выходное напряжение над напряжением питания. DC уровень выхода останется на уровне V_CC/2 до тех пор, пока входное напряжение не вышло за пределы напряжения питания. В приложениях, которые уже имеют схему ограничения напряжения питания, входной каскад может быть удален и использовано прямое подключение к фильтру. Если входная цепь удалена, выходной сигнал будет равняться входному сигналу, отфильтрованному через 2-полярный фильтр с пороговой частотой (f_C), включающей постоянную составляющую входного сигнала. Посредством изменения номинального значения конденсатора или выбора цифрового потенциометра с другим полным сопротивлением можно добиться пороговой частоты до 500 кГц. Модель резистора для расчета R_POT показана на рисунке 7. Для определенных положений движка ключ будет находиться в закрытом состоянии, а для других положений он будет разомкнут. Каждое изменение положения движка в сторону увеличения может расцениваться как увеличение сопротивления на 1 LSB (10 кОм/125=78 Ом для DS3903), за исключением максимального положения, где параллельная комбинация сопротивлений потенциометра и движка может вызвать некоторую нелинейность.

Рис. 6 Аудио фильтр низких частот с DS3903.

Рис. 7 Принципиальная схема цифрового потенциометра.

Формула для расчета R_POT:

Формула для расчета R_POT: где: RLSB - эквивалентное полное сопротивление, приводимое в документации, разделенное на количество шагов потенциометра.

R_W −сопротивление движка, указанное в документации изделия

n −программируемые положения потенциометра

a −количество шагов цифрового потенциометра.

Зависимость значения сопротивления R_POT для DS3903 с номинальным значением 10 кОм показана на рисунке 8. График подразумевает, что конечное сопротивление составляет ровно 10 кОм и импеданс движка не превышает 500 Ом. Оба эти параметра подвержены значительным изменениям, но отклонения, в первую очередь, влияют на минимальную и максимальную пороговую частоту. Действительное значение пороговой частоты может быть настроено в любой точке диапазона от минимального до максимального значений. Поэтому выбирают номинал конденсатора, который устанавливает требуемую пороговую частоту по центру настраиваемого схемой диапазона. Работа цепи, представленной на рисунке 6, была протестирована с помощью аудио тестера. На рисунках 9-11 показаны результаты тестов эффективности усиления и THD+N.

Рис. 8

Рис 9

Рис 10

Рис 11

Возможно, самое большое ограничение, которое накладывает использование цифрового потенциометра, связано с тем, что напряжение на выводах потенциометра должно быть в диапазоне V_CC, чтобы диоды с ESD защитой не искажали аудио сигналы. Выбор типа потенциометра (линейного или логарифмического) повлияет на характер регулировки пороговой частоты: линейный или логарифмический, соответственно. От разрешающей способности выбранного типа потенциометра (например, 128 или 256 шагов) будет зависеть насколько точно можно настроить частоту среза. Чем выше разрешение потенциометра, тем точнее настройка частоты. Как правило, вероятность того, что в аудио приложении может потребоваться потенциометр с разрешением более 64 или 128 положений, не велика. Желательно использовать потенциометр с высокой разрешающей способностью для устройств, где полоса пропускания фильтра регулируется в широком диапазоне частот. Некоторые цифровые потенциометры имеют встроенную энергонезависимую память, которая позволяет сохранять положение среднего контакта после отключения и включения питания. Такую опцию можно использовать для калибровки положения фильтра и не регулировать его при последующих включениях питания. Потенциометры без энергонезависимой памяти запускаются с предварительно установленного положения, т.е. требуют повторных регулировок. Цифровые потенциометры имеют большую погрешность конечного сопротивления и сопротивления движка. Несмотря на то, что точные значения потенциометров всё еще будут расходиться (обычно погрешность составляет ±20% от полного сопротивления), их относительные значения будут совпадать. Кроме того, цифровые потенциометры содержат некоторую внутреннюю паразитную емкость, которая будет ограничивать максимальную рекомендуемую частоту среза фильтра. Не рекомендуется использовать 10 кОм потенциометры с частотой среза более 500 кГц, потенциометры 50 кОм — с частотой более 100 кГц, и потенциометры 100 кОм — с частотой более 50 кГц. Для аудио приложений существующая полоса пропускания вполне достаточна, но для широкополосных устройств об этом не следует забывать.

Управление  громкостью с помощью  цифровых потенциометров

     По  сравнению с громоздкими механическими  устройствами, цифровые потенциометры предоставляют значительные преимущества в области звукового контроля, особенно там, где речь идет о портативной электронике, МР3 плейерах, мобильных телефонам, стерео AM/FM радио. Многие современные портативные устройства предлагают пользователям в качестве дополнительной функции стерео аудио приемник, например, для воспроизведения МР3 файлов или прослушивания радио on-line через интернет. Для таких схем сегодня применяются множество специализированных микросхем, тем не менее, здесь могут быть так же эффективно применены стандартные компоненты с малой мощностью потребления. Исторически сложилось, что для контроля громкости звучания применяют специальные потенциометры с логарифмической зависимостью. Нелинейность выходной характеристики таких устройств отвечает особенностям человеческого восприятия звуковых сигналов.

     Как правило, в центральном положении  среднего контакта логарифмические потенциометры давали 20 дБ приращения, затем аттенюация значительно увеличивалась при вращении движка от средней точки против часовой стрелки и уменьшалась при вращении по часовой стрелки (в сторону усиления громкости). Несмотря на ряд преимуществ, было несколько причин, мешающих использованию потенциометров в портативной электронике, в числе которых можно назвать ограничение по площади, занимаемому устройством на плате, а также вопросы надежности. В то же время, сочетание кнопок и какого-либо головного процессора стало широко распространенной практикой для управления громкостью. Такое решение было недорогим и очень удобным в схемотехническом отношении. Поворотные стерео потенциометры также имеют проблемы с механическим конструктивном, погрешность регулировки значительно увеличивается при повороте ручки вправо и влево. Кроме того, необходимо учитывать для какого типа регулировки будет использован данный механический потенциометр: для регулировки в полном диапазоне громкости, для регулировки баланса в 30 дБ от полного диапазона, но без возможности регулировки полного диапазона.

     Выбор цифрового потенциометра  для регулировки громкости.

     В последние несколько лет были разработаны цифровые потенциометры с резистивной архитектурой лестничного типа и интегрированными транзисторами с цифровым управлением для полной замены механических потенциометров в ряде применений. С первого взгляда, использование пары потенциометров покажется логичным решением для регулировки звука в стерео системах, тем не менее, есть ряд замечаний, которые необходимо учитывать перед выбором потенциометра.