Grunnleggende om Digitale potensiometre, slik brukes de

Mekaniske potensiometre har blitt brukt av konstruktører i flere tiår i installasjoner som spenner fra kretstrimming til volumstyring (volumkontroll). De har imidlertid noen begrensninger: sleperne kan slites ut, de er mottakelige for fuktinntrengning og de kan ved et uhell bevege seg vekk fra den innstilte posisjonen. Siden verden blir mer og mer digital, trenger konstruktører et alternativ for å oppfylle kravene til mer nøyaktig styring og høy pålitelighet, i tillegg til fleksibilitet når det gjelder å justere verdier eksternt via fastvare.

Digitale potensiometer-IC-er – ofte kalt digitale potentiometere, eller digipoter (digipot) – løser disse problemene ved å danne en bro mellom den digitale verdenen og den analoge verdenen hvor motstander lever. Digipoter er helelektroniske komponenter som er kompatible med mikrokontrollere, og de gir en prosessor og programvare muligheten til å styre, stille inn og variere sin egen motstandsverdi eller eget spenningsdelerforhold.

De tilbyr egenskaper og funksjoner som mekaniske enheter ikke kan tilby, og de er mer robuste og pålitelige ettersom de ikke har noen bevegelige slepere. De kan ikke fininnstilles bevisst eller justeres utilsiktet, noe som gjør at uforklarlige ytelsesendringer unngås. Bruksområder omfatter termisk stabilisering for lysdioder, lysdiode-dimming, forsterkningsregulering med lukket sløyfe, lydvolumregulering, kalibrering og wheatstonebro-trimming for sensorer, styring av strømkilder og innstilling av programmerbare analoge filtre, for å nevne noen få.

Denne artikkelen vil gi en kort innføring i potensiometre og utviklingen mot digipoter. Den vil deretter bruke komponenter fra Analog Devices, Maxim Integrated, Microchip Technology og Texas Instruments for å forklare digipot-driften, grunnleggende og avanserte konfigurasjoner og hvordan de håndterer krav til kretsjustering. Den vil vise hvordan egenskaper, funksjoner, muligheter og alternativer kan brukes til å forenkle kretser, gjøre kretser prosessorkompatible og redusere, eller til og med eliminere, behovet for uhåndterlige, mindre pålitelige mekaniske potensiometre.

Vi begynner med det grunnleggende om potensiometre

Potensiometeret er en viktig, passiv kretskomponent som stammer fra de aller første dagene med elektrisitet og elektronikk. Det er en enhet med tre terminaler med et tilgjengelig motstandselement, som gir en spenningsdelerfunksjon via den brukerinnstillbare sleperen på en roterende aksel. Den brukes i utallige analoge kretser og blandede signalkretser for å oppfylle et bredt spekter av installasjonskrav (figur 1).

Figur 1: Standard potensiometre er brukerinnstillbare variable motstander med roterende aksel. (Bildekilde: etechnog.com)

Motstanden som ses av kretsen mellom en av endekontaktene og den justerbare sleperen varierer fra null ohm (nominell) til den fulle merkemotstanden til ledningen eller filmmotstanden når sleperen roterer og glir langs det resistive elementet. De fleste potensiometre har et rotasjonsområde på ca. 270 til 300 grader, med en typisk mekanisk oppløsning og repeterbarhet på ca. 0,5 % og 1 % av fullskalaverdien (mellom en del av henholdsvis 200 og 100).

Legg merke til at det er en liten, men merkbar og viktig forskjell mellom et potensiometer og dets yngre søsterelement, reostaten. Et potensiometer er en trepolet enhet som fungerer som en spenningsdeler (figur 2, venstre), mens reostaten er en topolet justerbar motstand som styrer strømføringen. Potensiometeret er ofte kablet, for å skape en reostat som kan gjøres på en av tre lignende måter, ved å la en endeterminal være koblet fra eller koblet direkte til sleperen (figur 2, høyre).

Figur 2: Potensiometeret med endeterminaler A og B og sleper W (venstre) kan enkelt brukes som en reostat ved å bruke én av tre tilkoblingstilnærminger (høyre). (Bildekilde: Analog Devices)

Digipoter: Potensiometre i IC-form

Det fullstendig elektroniske digitale potensiometeret emulerer funksjonaliteten til det elektromekaniske potensiometeret, men gjør dette ved å bruke en IC uten bevegelige deler. Det håndterer en digital kode i ett av flere formater og etablerer en tilsvarende motstandsverdi. Derfor kalles det noen ganger en resistiv digital-til-analog omformer (RDAC – resistive digital-to-analog converter).

I et tradisjonelt potensiometer vil en hånd (eller noen ganger til og med en liten motor) stille inn posisjonen til sleperen, og dermed spenningsdelerforholdet. I en digipot kobler imidlertid datamaskinstyringene til digipot-IC-en over et digitalt grensesnitt og fastsetter en verdi som tilsvarer sleperposisjonen (figur 3).

Figur 3: Digipot-IC-en erstatter manuell innstilling av potensiometerets sleper med en digitalt innstilt elektronisk bryter som emulerer en mekanisk sleper. (Bildekilde: Circuits101, modifisert)

Digipoten bruker standard CMOS IC-teknologi, og den krever ikke spesiell produksjon eller håndtering. Størrelsen på en flatemontert digipot-IC, vanligvis 3 x 3 mm eller mindre, er langt mindre enn et vriderjustert potensiometer eller til og med et lite skrutrekkerjustert trimpotensiometer (trimpot), og den håndteres på akkurat samme måte som enhver annen IC med overflatemonteringsteknologi (SMT – surface mount technology) med hensyn til kretskortproduksjon.

I prinsippet består digipotens interne topologi av en enkel seriell streng av motstander med digitalt adresserbare elektroniske brytere mellom sleperen og disse motstandene. Ved å bruke en digital kommando slås den riktige bryteren på mens andre slås av, og dermed etableres ønsket sleperposisjon. I praksis har denne topologien noen ulemper, blant annet et høyt antall nødvendige motstander og brytere og en større platestørrelse (die size).

For å minimere disse bekymringene har leverandører utarbeidet smarte, alternative motstands- og brytersammenstillinger som reduserer antallet av disse, men gir samme effekt. Hver av disse topologiene resulterer i små forskjeller i hvordan digipoten er distribuert og de sekundære egenskapene, men mye av dette er tydelig for brukeren. I resten av denne artikkelen vil vi bruke begrepet potensiometer for den elektromekaniske enheten og digipot for den fullstendig elektroniske versjonen.

Digipoters tilbudte utvalg av spesifikasjoner og funksjoner

I likhet med andre komponenter, er det parametere på primære og sekundære nivåer å ta hensyn til når en digipot skal velges. Hovedproblemene er nominell motstandsverdi, oppløsning og typen digitalt grensesnitt, mens andre hensyn som må tas omfatter toleranse og feilkilder, spenningsområde, båndbredde og forvrengning.

• Den påkrevde motstandsverdien, ofte kalt ende-til-ende-motstand, fastsettes av kretsens konstruksjonshensyn. Leverandører tilbyr motstandsverdier på mellom 5 kΩ og 100 kΩ i en 1/2/5-sekvens, med noen andre mellomliggende verdier. Enheter med utvidede områder, som går så lavt som 1 kΩ og så høyt som 1 MΩ, er også tilgjengelige.

• Oppløsning definerer hvor mange diskrete trinn- eller tappepunkt-innstillinger digipoten tilbyr, fra 32 til 1024 trinn, slik at konstruktøren kan være i overensstemmelse med konstruksjonen. Husk at selv en mellomliggende 256-trinns (8-biters) digipot har høyere oppløsning enn et potensiometer.

• Det digitale grensesnittet mellom mikrokontrolleren og digipoten er tilgjengelig i standard serielle SPI- og I²C-formater, sammen med adressepinner slik at flere enheter kan kobles til via én enkelt buss. Mikrokontrolleren bruker et enkelt datakodingsskjema til å vise ønsket motstandsinnstilling. En minimalistisk digipot som Texas Instruments TPL0501, en digipot med 256 tappepunkter og SPI-grensesnitt, er et godt alternativ der effekttap og størrelse er avgjørende (figur 4). Den er tilgjengelig i en plassbesparende 8-pinners SOT-23-pakke (1,50 mm × 1,50 mm) og 8-pinners UQFN-pakke (1,63 mm × 2,90 mm).

Figur 4: En grunnleggende digipot som TPL0501 fra Texas Instruments med SPI-grensesnitt er en effektiv komponent for plass- og strømbegrensede konstruksjoner som ikke trenger ytterligere funksjoner. (Bildekilde: Texas Instruments)

Ett brukseksempel er for medisinsk utstyr av klinisk kvalitet, for eksempel oksymetre og sensorlapper, der de pares med TI sin OPA320-operasjonsforsterker (figur 5). Kombinasjonen lager en spenningsdeler for å styre forsterkningen som gir utgangen til digital-til-analog-omformeren (DAC). Det åpenbare spørsmålet er: Hvorfor kan man ikke bare bruke en standard komplett DAC? Grunnen til dette er at den kliniske konstruksjonen krever en nøyaktig analog utgang fra skinne til skinne med et fellesmodus-avvisningsforhold (CMRR – common-mode rejection ratio) og lav støy, der OPA320-en er spesifisert ved henholdsvis 114 desibel (dB) og 7 nanovolt per rot-hertz (nV/√Hz) ved 10 kilohertz (kHz).

Figur 5: En digipot kan kombineres med en nøyaktig operasjonsforsterker, for eksempel TI sin OPA320, for å lage en DAC med overlegen utgangsytelse for operasjonsforsterkeren. (Bildekilde: Texas Instruments)

I tillegg er det variasjoner i digipot-grensesnittet som forenkler bruken av dem i konstruksjoner som brukerstyrte volumkontroller. To andre alternativer er trykknapp- og opp/ned-grensesnittet (U/D – up/down). Med trykknapp-grensesnittet trykker brukeren på én av to tilgjengelige knapper: Den ene for å øke motstandstallet og den andre for å redusere det. Vær oppmerksom på at det ikke er noen prosessorer involvert i denne handlingen (figur 6).

Figur 6: Trykknapp-grensesnittet muliggjør prosessorfri konnektivitet mellom to brukerbetjente trykknapper, noe som fører til direkte økning/reduksjon av digipot-innstillingen. (Bildekilde: Analog Devices)

U/D-grensesnittet kan implementeres med minimal programvare-overhead og aktiveres via en enkel roterbar pulsgiver eller trykknapp som er koblet til en prosessor, og implementeres ved å bruke en digipot som Microchip Technology sin MCP4011, en grunnleggende 64-trinns (6-biters) enhet som er tilgjengelig med motstandsverdier 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-styringslinje og chip-select krever minimale I/O- og programvareressurser fra verts-mikrokontrolleren. (Bildekilde: Microchip Technology, modifisert)

Den bruker en enkel høyt- eller lavtgående kantaktivering, samt chip-select til å øke eller redusere motstandsstigningen (figur 8). Dette muliggjør enkel implementering av en vrider som ser ut og føles som en tradisjonell volumkontroll, uten problemene som er knyttet til potensiometre, men med fordelene til digipoter.

Figur 8: U/D-grensesnittet til en digipot støtter kantaktivert økning og redusering av motstandsverdien ved å bruke en utløser fra en pulsgiver med lav oppløsning. (Bildekilde: Microchip Technology)

Toleranse for digipoter kan være et problem ettersom den vanligvis er mellom ±10 og ±20 % av nominell verdi, noe som er akseptabelt i mange ratiometriske tilfeller eller tilfeller med lukket sløyfe. Dette kan imidlertid være en kritisk parameter hvis digipoten tilpasses med en ekstern frittstående (diskret) motstand eller en sensor i en konstruksjon med åpen sløyfe. Det finnes derfor standard digipoter med mye tettere toleranser, helt ned til ±1 %. Temperaturkoeffisienten for motstand og tilhørende temperaturrelatert drift kan selvfølgelig også være en faktor, slik det er med alle IC-er. Leverandører spesifiserer dette nummeret i databladet slik at konstruktører kan vurdere innvirkningen det har via kretsmodeller som Spice. Andre alternativer for tett toleranse er tilgjengelige, og disse diskuteres nærmere nedenfor.

Selv om dette ikke er noe problem i statiske bruksområder for kalibrering eller biaspunkt-innstilling, er båndbredde og forvrengning problemer i lydkonstruksjoner og relaterte bruksområder. Motstandsbanen til en bestemt kode, kombinert med den parasittære strømmen fra brytere, pinner og kortkapasitanser, skaper et lavpassfilter for motstands-kondensatoren (RC – resistor-capacitor). Lavere ende-til-ende-motstandsverdier gir høyere båndbredde, med båndbredder på opptil ca. 5 megahertz (MHz) for en 1 kΩ digipot, ned til 5 kHz for en 1 MΩ-enhet.

Total harmonisk forvrengning (THD – total harmonic distortion) skyldes til sammenligning i stor grad ikke-lineariteter i motstanden ved forskjellige anvendte signalnivåer. Digipoter med høyere ende-til-ende-motstand reduserer bidraget fra den interne brytermotstanden sammenlignet med den totale motstanden, noe som resulterer i lavere THD. Derfor er båndbredde kontra THD en avveining konstruktører må prioritere og veie når de velger den nominelle digipot-verdien. Typiske verdier varierer fra –93 dB for en 20 kΩ-digipot, ned til –105 dB for en 100 kΩ-enhet.

Doble, firer og lineære kontra logaritmiske digipot-variasjoner

I tillegg til sin selvregulerende styrbarhet, tilbyr digipoter ytterligere enkelhet, brukervennlig konstruksjon og mye lavere kostnader sammenlignet med potensiometre. Noen av de andre egenskapene:

• Doble digipoter er nyttige i tilfeller hvor to motstander må justeres uavhengig av hverandre, men de er spesielt nyttige når de må ha samme verdi. Selv om to separate digipot-IC-er kan brukes, gir den doble enheten muligheten til å spore motstandsverdier til tross for toleranse og drift. Firer-enheter er også tilgjengelige.

• Lineære kontra logaritmiske (log) innstillinger: Selv om trim- og kalibreringsbruk vanligvis trenger et lineært forhold mellom den digitale koden og den resulterende motstanden, drar mange lydkonstruksjoner nytte av et logaritmisk forhold for å bedre passe desibelskaleringen som kreves i lydsituasjoner.

For å møte dette behovet, kan utviklere bruke logaritmiske digipoter som DS1881E-050+ fra Maxim Integrated Products. Denne tokanals enheten styres fra en enkel 5-volts forsyning, har en motstand på 45 kΩ fra ende til ende og et I²C-grensesnitt med adressepinner som muliggjør opptil åtte enheter på bussen. Motstandsverdien til hver av de to kanalene kan angis uavhengig av hverandre, og den har flere konfigurasjonsinnstillinger som kan angis av brukeren. Den grunnleggende konfigurasjonen har 63 trinn med 1 dB demping (attenuasjon) per trinn, fra 0 dB til –62 dB, pluss lyddemping (Figur 9).

Figur 9: Maxim DS1881E-050+ tokanals digipot er konstruert for lydsignalbaner, og gir en forsterkningsinnstilling på 1 dB/trinn over et område på 63 dB. (Bildekilde: Maxim Integrated Products)

DS1881E-050+ er konstruert for å minimere krysstale, og de to kanalene tilbyr 0,5 dB kanal-til-kanal-utjevning for å minimere volumforskjeller mellom dem. Enheten implementerer også motstandsveksling med nullgjennomgang for å hindre hørbare klikk, og inkluderer permanent minne. Det generelle bruksområdet for dette er omtalt nedenfor.

Maksimal spenning som digipoten kan håndtere, er også et hensyn som må tas. Lavspente digipoter er tilgjengelige for drift med skinner helt ned til +2,5 volt (eller ±2,5 volt med topolet forsyning), mens høyspente digipoter som Microchip Technology MCP41HV31 – en 50 kΩ SPI-grensesnittenhet med 128 tappepunkt – kan fungere med skinner på opptil 36 volt (±18 volt).

Permanent minne hjelper til med tilbakestilling av strøm

Grunnleggende digipoter har mange fortrinn, men de har én uunngåelig svakhet sammenlignet med potensiometre: De mister innstillingen etter at strømmen er fjernet, og POR-posisjonen (POR – power-on reset) er angitt av konstruksjonen, vanligvis i mellomsjiktet. Dessverre er denne POR-innstillingen uakseptabel for mange konstruksjoner. La oss se på en kalibreringsinnstilling: Når den er fastsatt, skal den beholdes helt til den justeres med vilje, til tross for at nettspenningen fjernes eller batteriet utskiftes. I mange konstruksjoner var den «riktige» innstillingen den som sist ble brukt da strømmen ble fjernet.

Derfor var en av de gjenværende grunnene til å holde seg til potensiometre at de ikke mister innstillingen sin når strømmen tilbakestilles, men digipoter har adressert denne mangelen. Det var i utgangspunktet vanlig konstruksjonspraksis å la systemprosessoren lese tilbake digipot-innstillingen under drift, og deretter laste inn denne innstillingen på nytt ved oppstart. Dette skapte imidlertid strømfeil, noe som ofte var uakseptabelt for systemets integritet og ytelse.

For å løse dette problemet, la leverandørene til EEPROM-basert permanent minne-teknologi (NVM – nonvolatile memory) i digipoter. Med NVM kan digipotene beholde sin siste programmerte sleperposisjon når strømforsyningen slås av, mens engangs-programmerbare (OTP – one-time programmable) versjoner gjør det mulig for konstruktøren å angi sleperens POR-posisjon til en forhåndsdefinert verdi.

NVM muliggjør andre forbedringer. Analog Devices AD5141BCPZ10 har for eksempel motstandstoleransefeilen sin lagret i EEPROM-minnet (figur 10). Enheten er et ett-kanals, 128/256-posisjons, omskrivbart, permanent digitalt potensiometer som støtter både I²C- og SPI-grensesnitt. Ved å bruke de lagrede toleranseverdiene kan konstruktørene beregne den faktiske ende-til-ende-motstanden til en nøyaktighet på 0,01 % for å definere forholdet mellom det digitale potentiometerets segment «oversleper» og «undersleper». Denne nøyaktigheten er hundre ganger bedre enn nøyaktigheten på 1 % for digipoter, og har enda høyere nøyaktighet uten NVM.

Figur 10: AD5141BCPZ10-digipot fra Analog Devices innlemmer omskrivbart permanent minne (EEPROM) som kan brukes til å lagre ønskede POR-innstillinger, samt kalibreringsfaktorer for sin egen motstandsmatrise. (Bildekilde: Analog Devices)

Denne lineære modusen for forsterkningsinnstilling muliggjør uavhengig programmering av motstanden mellom de digitale potensiometerterminalene gjennom R_AW- og R_WB-strengmotstandene, noe som gir svært nøyaktig motstandsutjevning (figur 11). Denne nøyaktigheten er ofte nødvendig for å invertere forsterkertopologier, for eksempel der forsterkningen er fastsatt av forholdet mellom to motstander.

Figur 11: NVM-en i en digipot kan også brukes til å lagre kalibrerte motstander over og under sleperen for kretser som bruker nøyaktige motstandsforhold til å angi forsterkning. (Bildekilde: Analog Devices)

Vær oppmerksom på digipotens karakteristiske trekk

Selv om digipoter er mye brukt til å erstatte potensiometre der den tradisjonelle enheten er mindre ønskelig eller upraktisk, har de noen egenskaper som designere må ta hensyn til. Metallviskeren på et potensiometer kommer for eksempel i kontakt med det resistive elementet med en tilnærmet null kontaktmotstand og har vanligvis en ubetydelig temperaturkoeffisient. Når det gjelder digipoter, er imidlertid sleperen et CMOS-element med en beskjeden, men fortsatt meningsfull motstand i en størrelsesorden på mellom titalls ohm og 1 kΩ. Hvis strøm på 1 mA (milliampere) går gjennom en sleper på 1 kΩ, kan det resulterende spenningsfallet på 1 volt over sleperen begrense det dynamiske området til utgangssignalet.

Videre er denne slepermotstanden en funksjon av både påført spenning og temperatur, så den introduserer ikke-linearitet og dermed forvrengning av vekselstrømssignaler (AC-signaler) i signalbanen. Sleperens typiske temperaturkoeffisient på ca. 300 deler per million grader Celsius (ppm/⁰C) kan være betydelig, og bør tas med i feilbudsjettet for konstruksjoner med høy nøyaktighet. Digipot-modeller tilbys også med en koeffisient som er mye lavere.

Konklusjon

Digipot er en digitalt innstilt IC som erstatter det klassiske elektromekaniske potensiometeret i mange systemarkitekturer og kretskonstruksjoner. Ikke bare reduserer den produktstørrelsen og sannsynligheten for feil på grunn av utilsiktet bevegelse, men den legger også til kompatibilitet med prosessorer og dermed programvare. Samtidig tilbyr den bedre nøyaktighet og høyere oppløsning (om nødvendig), i tillegg til andre nyttige funksjoner.

Som vist er digipoter tilgjengelige i et bredt spekter av nominelle motstandsverdier, trinnstørrelser og nøyaktigheter, og tillegget av permanent minne utvider kapasiteten deres og krysser en viktig barrière når det kommer til bruken av dem i mange konstruksjoner.

Ytterligere lesning

1. IC-er svarer på utfordringen om å dempe lysdiodelamper i TRIAC-drevne kretser (ICs Answer the Challenge of Dimming LED Lamps in TRIAC-Driven Circuits)