Электронные устройства с применением цифровых потенциометров

     МИНИСТЕРСТВО  ОБРАЗОВАНИЯ РЕСПУБЛИКИ БЕЛАРУСЬ

     Учреждение  образования «БЕЛОРУССКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ

     ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ» 
 
 
 

     Факультет    ИДиП

     Кафедра   ПОиСОИ

     Специальность   ПОиСОИ  
 
 
 
 
 
 
 
 

     ИНДИВИДУАЛЬНОЕ  ЗАДАНИЕ НА ТЕМУ:

     Электронные устройства с применением цифровых потенциометров 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

     Выполнила

     Студентка  Подбильская Наталья Сергеевна 

     Руководитель  проекта (работы)

     доцент  Беляев Валерий Павлович  
 
 
 

     Индивидуальное  задание защищено с оценкой_________ 
 

Минск 2010

     Реферат

     Индивидуальная  работа 23 с. Источников − 7 Таблица – 1; рисунков – 20; графиков − 8

     ЦИФРОВОЙ  ПОТЕНЦИОМЕТР, РЕЗИСТОР, ЭНЕРГОЗАВИСИМАЯ  ПАМЯТЬ,

     ФИЛЬТР, РАЗРЕШАЮЩАЯ СПОСОБНОСТЬ, ВЫХОДНОЙ СИГНАЛ,

     Индивидуальная  работа содержит ряд характеристик  цифрового потенциометра, сферу  и примеры их применения. Достоинства, недостатки, параметра, АЧХ. Примеры применения при управлении низкочастотного фильтра и управления громкости в аудиоаппаратуре. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

     Введение

     Цифровые  потенциометры — альтернатива электромеханическим переменным резисторам. Их применение позволяет придать новые свойства электронным устройствам при одновременном уменьшении массогабаритных показателей и повышении надежности.

     Цифровой  потенциометр электронный компонент, который имитирует функции аналоговых потенциометров.

     Цифровой  потенциометр — цифровое управление электронный компонент, которого имитирует функции потенциометра. Он часто используется для обрезки и масштабирования аналоговых сигналов микроконтроллеров. Это либо построены с использованием R-2R интегральной схемы или цифро-аналоговый преобразователь. Цифровой потенциометр электронных компонент, который часто контролируются цифровые протоколы, такие как I ² C и SPI , а также более основных Up/Down протоколов. Некоторые типичные использования цифровых потенциометров в цепях требует усиления контроля усилителей, слабого сигнала аудио-балансировки и настройки смещения.

 

     

     Основные  сведения

     Практически каждая электронная схема содержит элементы, предназначенные для заводской  подстройки характеристик или для оперативного управления ими пользователя аппаратуры. В подавляющем большинстве случаев для этих целей предназначены переменные резисторы, номенклатура которых весьма велика. Заменой электромеханическим резисторам с подвижным контактом, имеющим ограниченный ресурс, относительно большие габариты, требующие ручной установки в необходимое положение, становятся цифровые потенциометры. Они тоже имеют свои ограничения по применению, однако при грамотном использовании способны заменить электромеханические устройства в подавляющем большинстве применений.

     Структурная схема цифрового потенциометра  показана на рис. 1

Рис. 1

Цепочка резисторов с отводами, коммутируемыми ключами, представляет собой собственно потенциометр с тремя выводами R_H, R_L, R_W. Позиция движка R_W определяется позицией замкнутого ключа. Ключи управляются регистром (счетчиком) через дешифратор. Состояние счетчика изменяется через интерфейс входным логическим сигналом либо непосредственно, либо считыванием установленной в энергозависимой памяти позиции. Управляющая логика обеспечивает заданный режим работы. ЦП должен иметь, по крайней мере, два вывода для подключения питающего напряжения — V_CC и GND. Для работы в двухполярном режиме требуется вывод для подключения источника отрицательной полярности V_SS . В некоторых ЦП, предназначенных для использования при повышенных напряжениях,  прикладываемых к резистивному элементу, могут присутствовать отдельные выводы для подключения источника питания аналоговой части V+ и V−. Для управления по соответствующей цифровой шине предназначено несколько интерфейсных выводов. От одного до четырех адресных выводов используется для присвоения индивидуального адреса ЦП при работе нескольких устройств на одной шине. Конкретный тип ЦП в зависимости от своих функциональных возможностей может иметь как более простую, так и более сложную схему.

     Схема включения

     Большинство ЦП имеет три вывода от резистивного элемента, позволяющие включать устройство и потенциометром, и реостатом. В  некоторых моделях, имеющих корпус с малым количеством выводов, вывод RL объединен с выводом GND, что несколько ограничивает схемотехнические возможности их применения Обозначение выводов потенциометра RL и RH условно, определено только, что с увеличением кода, управляющего потенциометром, растет сопротивление между выводами R_L и R_W 
 

     Функциональная  характеристика

Подавляющее большинство ЦП имеет линейную зависимость  сопротивления от управляющего кода. Небольшая номенклатура ЦП имеет логарифмическую, или псевдологарифмическую зависимости сопротивления от кода.

     Сопротивление движка

     В ЦП отсутствует подвижный контакт  к резистивному элементу, его функции  выполняет набор электронных  ключей, коммутирующий отводы от цепочки  резисторов на вывод R_W . В качестве ключей используются МОП-транзисторы, а сопротивление канала выступает в роли контактного сопротивления (сопротивления движка). Максимальное значение движка превышает типовое в несколько раз. Сопротивление канала МОП –транзистора зависит от напряжения питания, имея большой температурный дрейф, что осложняет применение ЦП, особенно в режиме реостата или при заметной нагрузке потенциометра.

     Память

     Потенциометры, имеющие в своем составе энергозависимую  память EEPROM, при подаче питающих напряжений устанавливаются в определенное положение, программируемое при регулировке электронного устройства. Если ЦП не имеет встроенной энергозависимой памяти, то при включении питания, как правило, его движок устанавливается в начальное положение в ЦП с логарифмической характеристикой и в среднее положение в ЦП с линейной характеристикой.

Для определенных условий применений требуется наличие  энергозависимой памяти цифрового  потенциометра. Такие потенциометры  наиболее близки по функциям своим  механическим аналогам, поскольку они  удерживают значение сопротивления  вне зависимости от внешних условий, таких как, например, наличие питания в цепи. Цифровые потенциометры с функцией энергозависимой памяти широко используются в аудио оборудовании, поскольку сохраненные в памяти устройства параметры настройки устраняют необходимость проведения повторных установок резистора после включения питания. Цифровые потенциометры семейства MAX5427/MAX5428/MAX5429 предлагают уникальную опцию программирования. Каждое устройство имеет функцию однократного программирования (OTP, one-time program), которая устанавливает необходимое пользователю положение движка на уровне сброса по включению питания (POR). Положение движка все еще может быть регулируемым, но оно всегда возвращаеться к запрограммированному положению при включении питания. В качестве альтернативы, однократно программируемая пам'ять позволяет пользователю отключить интерфейс и единожды зафиксировать движок в требуемом положении, предотвращающая, таким образом, последующие нежелателные регулировки. В результате, устройство из потенциометра превращаеться фиксированный делитель напряжения.

     Допустимое  напряжение на выводах

     Принципиальное  отличие ЦП от переменных резисторов в том, что напряжение на выводах  ЦП не может быть больше регламентированного  значения. Для большинства моделей  это напряжение не может превышать напряжение питания. Подавляющее большинство ЦП предназначены для работы с однополярными источниками питания напряжением 3−5 В, соответственно и потенциалы на выводах должны находиться в пределах 0−3(5) В. Это ограничивает область применения ЦП, но с учетом тенденции снижения питающего напряжения аппаратуры мест, в которых переменные резисторы не могут быть заменены на ЦП, остается все меньше. Многие модели ЦП могут использоваться и с двухполярным питанием, обычно при этом номинальное напряжение источников питания вдвое меньше, чем при однополярном питании, или равно ему. 
 
 

     Полоса  пропускания

     Эквивалентная схема ЦП с учетом паразитных емкостей показана на рис. 2

Рис 2 Эквивалентная схема  ЦП

Коэффициент передачи делителя имеет частотную зависимость, с ростом частоты входного сигнала коэффициент передачи уменьшается. Чем меньше номинальное сопротивление ЦП, тем шире полоса пропускания. Для оценки пригодности ЦП в конкретном положении с широкополосным сигналом требуется провести расчеты полосы пропускания для реально возможных коэффициентов передачи делителя на постоянном токе. Типовые значения емкостей приводятся в справочных данных, для большинства ЦП C_L=C_H 10пФ,C_W=25пФ.

Шумы  помехи и искажения

Для большинства  ЦП нормируется уровень собственных шумов. Как правило, ЦП с меньшим значением номинального сопротивления характеризуется и меньшими шумами. Для ЦП характерен эффект проникновения цифровых управляющих сигналов в цепь переменного резистора через паразитные емкости. Для однократных заводских регулировок это не существенно. Но для оперативных регулировок, когда появление помех нежелательно, например для регулирования громкости в усилителе, следует использовать ЦП с нормированным уровнем помех. Для некоторых многоканальных ЦП нормируется взаимовлияние сигналов переменного тока в разных каналах. Модуляция сопротивления канала коммутирующего МОП-транзистора вызывает нелинейное искажение сигнала в пределах 0,001−0,1%

     Достоинства ЦП

По сравнению  с обычными переменными резисторами, ЦП имеют ряд преимуществ:

• отсутствие подвижных механических частей;
• высокая надежность;
• нечувствительны к вибрациям;
• нет проблем с контактом при работе на малых токах;
• не требуется регулировочных отверстий для отвертки;
• быстрый процесс настройки;
• высокая точность регулировки;
• как и для обычных резисторов, начальное положение может быть загружено из EEPROM при включении питания;
• несколько устройств в одном корпусе с относительным отклонением менее 1 %;
• корпуса микросхем более компактны, чем корпуса построечных резисторов; например, ЦП выпускаются в корпусах TSSOP и SOT-23, что позволяет использовать их в PCMCIA-картах и в других критичных к объему устройства приложениях;
• стоимость цифровых потенциометров меньше стоимости качественных переменных резисторов.

     Недостатки

Существуют некоторые отличия цифровых потенциометров от обычных механических переменных резисторов, которые накладывают ограничения на их применение и в большинстве случаев являются недостатками.  

     Параметры ЦП

     Важнейшим параметром ЦП является количество коммутируемых отводов переменного резистора (количество шагов). Этот параметр определяет дискретность регулировки. Обычно количество шагов является степенью числа 2, но бывают ЦП и с другим количеством шагов, например 100. Наиболее распространены ЦП с количеством шагов от 32 до 256.

     Еще одним важным параметром ЦП, впрочем, как и обычного переменного резистора, является полное сопротивление. Наиболее распространены ЦП с полным сопротивлением 10, 50 и 100 кОм.

     Среди других параметров ЦП необходимо отметить

• максимальное напряжение на выводах переменного резистора
• сопротивление «щетки»
• максимальный допустимый ток
• максимальную рассеиваемую мощность
• шум
• нелинейность и температурный коэффициент.