Электронные устройства с применением цифровых потенциометров

     Наиболее  широко доступными устройствами являются линейные потенциометры, перемещение движка которых приводит к равным изменениям величины сопротивления. Закономерность равных изменений дБ на шаг достаточно удобна для аудио контроля, поэтому дополнительная схема должна только эмулировать каким-либо образом логарифмический эффект. Таким образом, отпадает необходимость в использовании механического потенциометра аудио типа. Второй вопрос для рассмотрения заключается в том, что в то время как цифровой потенциометр выдает линейный выходной сигнал, сквозное сопротивление разных потенциометров при одном и том же положении среднего контакта значительно различается и может достигать ±30%. Это следует учитывать при разработке схем, где требуется согласованность двух каналов, для которых используются два отдельных потенциометра. Дополнительным требованием аудио систем является качество перехода между положениями движка, который не должен вызывать эффект щелчка. Поэтому обязательным условием является наличие функции детектирования перехода через ноль.

     Электрическая схема.

     Ниже  приведены несколько примеров регулировки баланса и громкости звука: при регулировке баланса управление осуществляется в установленном диапазоне аттенюации, который не достигает полного размаха, а регулировка громкости происходит в полном диапазоне переключателя (по и против часовой стрелки). Схемы предполагают, что напряжение питания находится в диапазоне 2.7…5 В при низком импедансе Vref=Vcc/2. Входной сигнал должен поступать от низкоимпедансного источника напряжения. На рисунке 12 представлена схема, в которой используются два потенциометра MAX5160L (предполагается, что их цифровые входы подключены к цифровому устройству управления) и операционный усилитель MAX4252.

Рис. 12 Контроль баланса в стерео системах ±6 дБ, 32 положения (показан один канал).

     Схема обеспечивает одинаковое динамическое усиление ±6 дБ. Схема будет работать при подаче питания более Vcc от 2.7 до 5 В, будет иметь 32 положения регулировки, а опция сброса по включению питания даст приблизительную согласованность регулировки усиления двух потенциометров. Узким местом такой схемы является погрешность ±25% сквозного сопротивления цифрового потенциометра. Это может привести к большей погрешности усиления двух потенциометров, особенно при регулировках в крайних положениях ползунка. Например, учитывая, что резистор 50 кОм имеет погрешность ±1%, то номинальная максимальная установка +6 дБ может варьироваться в пределах следующих значений:

     Av1 = -(50.5K + 62.5K)/49.5K = -2.283 В/В или 7.16 дБ

     Av2 = -(49.5K + 37.5K)/50.5K = -1.723 В/В или 4.73дБ

     Такое несоответствия право- и левосторонних регулировок легко улавливается на слух. Поэтому данную схему можно использовать при добавлении специальных резисторов (или другого цифрового потенциометра), поэтому ее невозможно реализовать в массовом производстве. Необходимо найти новые решения для минимизации или устранения погрешности усиления.

     В схеме 13 использовался цифровой потенциометр MAX5160L в цепи делителя, сигнал которого заводится на одно из плеч операционного усилителя MAX4252. Сигнал на другое плечо операционного усилителя заводится с делителя, образованного резистором 100 и 50 кОм, включенного между линейным выходом и входом. Резисторы 100 и 50 кОм образуют дополнительную положительную обратную связь. Расчет усиления можно сделать по формуле:

     AV = (1-Kn)/(Kp-Kn), где

     Kn – отрицательная обратная связь

     Kp – положительная обратная связь

Например, в схеме 29 Kn = 100K/(100K + 50K) или 2/3, а Kp является переменной величиной.

Рис. 13 Контроль усиления в стерео системах ±6 дБ, 17 положений движка, улучшенная топология.

     При подключении среднего контакта MAX5160L к VREF выводу, усиление цепи составит –0.5 В/В, т.к. будет отсутствовать положительная обратная связь. При перемещении движка в центральное положение Kp составит 0.5, и усиление теперь будет –2 В/В. Следовательно, используя только 17 положений в диапазоне напряжений от VREF до середины шкалы, усиление может варьироваться в пределах ±6 дБ. Оставшиеся 15 положений не используются из-за повторяемости, т.к. значение усиления не зависит от погрешности сопротивления цифрового потенциометра. Теперь погрешность усиления ограничена в пределах ±1%, благодаря 100 кОм/50 кОм резисторам и погрешности INL/DNL потенциометра MAX5160L (±4.6% макс.). Интересно отметить, что предел стабильности в данной схеме будет достигнут при условии Kp > 2/3, когда положительная обратная связь совпадет или превысит отрицательную. Головной процессор, осуществляющий управление потенциометрами MAX5160L должен предотвратить возникновение подобной ситуации. Теперь обратимся к вопросу регулировки громкости с помощью цифровых потенциометров. На рисунке 14 приведена традиционная схема контроля громкости с помощью цифровых потенциометров. Все положения потенциометра являются рабочими, регулировка осуществляется в полном диапазоне аттенюации. приведены расчетные данные усиления для потенциометра MAX5160L с разрешающей способностью 32.

Рис. 14 Традиционная схема управления громкостью (приведен один канал).

     Обратите  внимание на распределение усиления. При переходе через первые 15 положений усиление не превысит 6 дБ притом, что первые четыре переключения не усиливают звук более чем на 1 дБ, поэтому не имеют практической значимости. Интересно, что, выбрав потенциометр с более высокой разрешающей способностью, вы, тем не менее, получите те же 6 дБ на половину диапазона перемещения движка. В таких случаях иногда выбирается некий набор положений для получения стабильных усилений дБ/шаг. Например, используя потенциометр, можно получить усиление 3 дБ/шаг при 11 переключениях. Это хорошо работает в тех случаях, когда выбранный цифровой потенциометр имеет высокое разрешение (256 и выше). Однако, такие компоненты гораздо дороже, и при условии, что большинство положений потенциометра не будет использоваться, может оказаться более эффективным использовать большее число существующих положений, применив другую топологию схемы. Добавление резистивной нагрузки к среднему контакту линейного потенциометра для изменения выходной характеристики уже вошло в привычную практику. Обычно, номинал нагрузочного резистора составляет 1/20 от номинала линейного потенциометра. Такая практика имеет два недостатка при работе с линейным потенциометром: входной импеданс потенциометра теперь зависит от установки усиления (минимального при максимальной громкости), и негативные последствия большой погрешности сквозного сопротивления снова приведут к несогласованным право- и левосторонним изменениям ручки громкости. На рисунке 15 показан такой вариант схемы.

     Рис. 15

Схема 16 уступает традиционным характеристикам управления громкостью, также как и схема 14.

Рис. 16 Улучшенная топология практически гладких изменений дБ/шаг (показан один канал)

     Однако, здесь появляется небольшая положительная  обратная связь для выравнивания разрешающей способности положений движка до 1.6 дБ/шаг в «полезном» рабочем диапазоне. Такое решение имеет один недостаток: отрицательная обратная связь (Kn) должна быть не менее 0.5, а лучше выше, для достижения желаемого результата (несмотря на то, что 0.25 является пределом стабильности). Это значит, что около половины положений движка не используются для обеспечения жизнедеятельности схемы. Тем не менее, оставшиеся 17 используются полностью (без разрывов, который был отмечен в схеме 15). Результаты показаны в таблице 1. В третьей колонке приведена дельта между шагами, показывая ровность характеристики во всем диапазоне аттенюации. На рисунке 17 показан эффект линеризации, где шкала Y – усиление в дБ, шкала Х – количество шагов потенциометра. Теперь преимущества над схемой 15 видны наглядно. На 11 шагов приходится усиление по 3 дБ.

     Таблица 1. Результаты значений для схемы 16.

     Односторонний эффект такой схемы заключается  в том, что в середине шкалы цифрового потенциометра возникнет скачок в 6 дБ. Однако некоторый сдвиг в усилении практически неизбежен на полной шкале аудио дорожки. На схеме 18 используются четыре потенциометра MAX5160L для обеспечения высокой разрешающей способности и управления стерео звуком. Число возможных рабочих положений на канал значительно увеличилось и составило 32х32 или 1024 бита. Также, сквозное полное сопротивление не влияет на первые несколько битов (благодаря буферу между двумя потенциометрами). Разбаланс право- и левонаправленных регулировок зависит только от согласованности пошагового переключения движка. Сопротивление движка имеет малый нагрузочный эффект, т.к. каждый движок подключен к высокоимпедансному входу операционного усилителя.

      Рис. 18

     Из 1024 бит некоторые биты дают двойное  усиление (например, первый потенциометр –6 дБ, второй – полное значение, в результате получается –6 дБ; аналогично, когда первый потенциометр дает полное усиление, второй дает только –6 дБ). Если один из потенциометров установлен на полную аттенюацию, любые установки второго потенциометра считаются недействительными, общее число составляет около 348 уникальных установок регулировки от 0 до –60 дБ (если быть точными, то -59.66 дБ). Для выражения такой зависимости в числовом эквиваленте, необходимо построить график. Ниже показан размах полученного усиления, включая задвоенные значения. На графике 19 видно, что большинство шагов имеет усиление в диапазоне 0…-40 дБ. Дельта, или размер шага между каждым значением аттенюации может быть выражена графически также, как это было сделано в таблице 2, для предоставления визуальной детализации перемещения движка. На основании детализированного графика можно утверждать, что усиление с каждым шагом достаточно ровное. Несогласованность между шагами не превышает 0.5 дБ и может достигать 1дБ при –41.6 дБ и 6 дБ между -53.6 и -59.6. Повторяющиеся шаги показаны на графике как нулевые значения дельты. Это создает некий диапазон управления и высокий уровень детализации, требуемый во многих профессиональных аудио системах контроля громкости. Тем не менее, и здесь есть некоторые ограничения. Очевидно, что такая схема вызывает ряд трудностей (возможно, это может быть использование таблиц зависимостей для получения значений или использование алгоритма ранжирования для достижения плавной регулировки звука). Но, в отличие от схемы 18, здесь нет условий, которые могли бы повлиять на стабильность. Однако рассогласованность сопротивлений между первым и вторым цифровыми потенциометрами не может гарантировать согласованности регулировок. Использование дополнительного набора битов (разумеется, с грубыми регулировками) может быть одним из способов достижения идентичности изменений положения движков, но при этом придется пожертвовать точностью пошаговых изменений. Теоретически, несмотря на то, что каскадированная схема на рисунке 18 дает якобы впечатляющие результаты при первом приближении, практическое применение такой топологии представляется проблематичным. Итак, схемы 14 и 15, пожалуй, дают лучший компромисс между ценой, гибкостью топологии, сложностью и эффективностью для большинства применений. Также, компания Maxim выпускает потенциометры моделей MAX5400/1/2 с 3-проводным интерфейсом. Они имеют разрешение 256 положений и 3-проводной протокол управления.

      Рис. 19