Что такое цифровой потенциометр и где он применяется

Потенциометр — это «делитель» напряжения или переменный резистор (ПР). В случае с цифровым его типом — это интегральная схема, регулирующая сопротивление и использующая для этого программу, в которой уже заданы шаги применяемого диапазона.

Цифровые и механические потенциометры: отличия

«Эволюция» резисторов не стоит на месте. Поэтому все реже в различных видах аппаратуры, начиная от любительского радио и заканчивая устройствами с ЖК-дисплеями, можно встретить механические варианты радиоэлементов. Им на смену пришли цифровые потенциометры.

Хотя пользователи отмечают, что функционал обычных резисторов и ЦП сопоставим, по техническим параметрам и надежности у последних потенциал намного выше.

ЦП и ПР — взаимозаменяемые резисторы с широкими разбегом сопротивления. Но есть у них и отличия:

• Механические потенциометры могут выдерживать большие нагрузки напряжения и успешно рассеивать мощность. Но со временем они изнашиваются, при этом их технические показатели ухудшаются. Связаны подобные изменения с особенностью конструкции ПР. Цифровым аналогам это не грозит, так как у них отсутствуют механические части, которые первыми подвергаются износу, разбалтываются или меняют форму.
• Механические резисторы очень чувствительны к встряскам и ударам, а их подвижный элемент со временем может окислиться, что также сказывается на сроке эксплуатации. ЦП состоит из нескольких микросхемных переключателей (КМОП), что делает его устойчивым к различным воздействиям — ударам, изменениям в окружающей среде, износу и другому.

Таким образом, вполне логично, что во все виды современных электронных устройств встраиваются цифровые потенциометры.

Что нужно учесть при выборе ЦП

При необходимости купить цифровой потенциометр следует знать, на какие его параметры обращать внимание. Среди них:

• Уровень входного сигнала (напряжение).
• Максимальный показатель мощности и тока.
• Импеданс (показатель полного сопротивления).
• Уровень разрешения.
• Количество каналов.
• Линейность сопротивления.
• Положение при включении.
• Наличие или отсутствие энергозависимой памяти.
• Интерфейс резистора.
• Размер устройства.

Отдавать предпочтение нужно тому ЦП, параметры которого больше всего подходят под конкретную задачу. Например, последний показатель крайне важен для приложений и схем, критически ограниченных по размеру. Хотя некоторые пользователи отмечают, что можно сделать подобный потенциометр своими руками, такая работа не стоит затраченного времени и сил. В продаже настолько большой выбор ЦП, да еще по доступной цене, что можно подобрать для любых целей и устройств.

Главные параметры ЦП

Самым важным показателем данного вида резистора является количество шагов, то есть коммутируемых отводов. Чаще всего оно соотносится к степени числа 2. Наиболее распространенными являются ЦП от 32 до 256 шагов.

Также при выборе устройства важным параметром считается полное сопротивление. В продаже чаще всего можно встретить резисторы с показателями 10 кОм, 50 кОм и 100 кОм.

Также нужно уделить внимание показателю максимального напряжения на выводах, в крайнем положении, посмотреть на уровень допустимого тока, нелинейность, температурный коэффициент и рассеивающую мощность.

Показатели устройств могут отличаться у разных производителей, так что подбирать лучше, исходя из потребностей аппаратуры, для которой они применяются. Ниже приведена таблица с параметрами, характеристиками и особенностями потенциометров.

Плюсы цифровых потенциометров

Если сравнивать механические или другие виды резисторов с цифровыми их аналогами, то у последних есть ряд преимуществ. Среди них:

• Цифровые потенциометры не содержат подвижные механические элементы, которые требуют специальной настройки и теряют точность при ударах.
• ЦП отличаются высокой надежностью. Им не страшна вибрация или шумовые волны.
• Цифровые резисторы успешно работают в условиях малого тока.
• Электронный потенциометр не имеет специальных отверстий для регулировки настроек, которые в обычных устройствах нужно открывать отверткой.
• ЦП быстро настраиваются.
• Отличаются точностью регулировки.
• При включении питания первоначально заданное положение ЦП может быть загружено из энергозависимой памяти.
• Можно использовать сразу несколько цифровых потенциометров, встроенных в один корпус. При этом относительное отклонение в показателях будет составлять не более 1 %.
• Габариты корпусов цифровых резисторов очень малы, что позволяет их применять в картах памяти для компьютеров, ноутбуков, телевизоров и другой аппаратуры, например, PCMCIA или аналогичных им. Чаще всего это тонкие малогабаритные корпуса (TSSOP) или SOT-23.
• Цена ЦП ниже лучших версий переменных резисторов.

Все эти параметры определяют выбор потребителей и производителей электронной техники в пользу цифровых потенциометров.

Наличие энергонезависимой памяти

Это очень важный параметр. Простые переменные резисторы после настройки сохраняют регулировочные параметры. У цифровых все обстоит иначе: как только происходит выключение, заданные настройки сбрасываются. При следующем подключении ЦП возвращается в положение, введенное изначально (заводские настройки, например). Первоначальные параметры зависят от типа резистора.

В системе с цифровым потенциометром часто устанавливается микропроцессор, способный загружать нужные для восстановления регулировок коды. При его отсутствии следует использовать резистор с энергозависимой памятью.

Эта встроенная функция позволяет единожды установить нужные параметры, а при последующих выключениях/включениях аппарата восстанавливать их. Сегодня большинство производителей, например, Catalyst или Xicor изготавливают ЦП исключительно с программируемой памятью.

Есть даже цифровые резисторы с возможностью запоминания до 4-х настроек, что весьма полезно, если устройство работает сразу в нескольких режимах или в условиях предустановки. Количество памяти может быть разным в зависимости от назначений ЦП. Так, резистор DS1845/46 обладает памятью 256 Б.

Разбег допустимых напряжений

Особенностью цифровых потенциометров является то, что их нельзя подключать к цепи, показатель которой выше допустимого для них напряжения. Этот параметр не должен выходить за рамки напряжения ЦП. Для большинства имеющихся на рынке цифровых резисторов он находится в диапазоне от 0 до 5 В. ЦП можно использовать лишь в цепях с таким же напряжением питания.

Правда, существуют варианты, напряжение на выводах которых больше, чем в питании. Так, электронный потенциометр X9312 имеет питание +5 В, но способен принять +15 В.

Также есть резисторы с двухполярным типом питания, например, ±5 В. Как отмечают некоторые пользователи, двухполярное питание при подаче управляющих сигналов относительно отрицательного напряжения, можно подавать и на обычный ЦП.

Зависимость от ТКС

Температурный коэффициент сопротивления — важный параметр. Он достаточно большого диапазона, так как резисторы изготавливаются из поликристаллического кремния, который обладает положительным ТКС. Абсолютное значение температурного коэффициента равен 300–800 ppm/град.

Его нужно учитывать, когда ЦП применяется в качестве делителя напряжения или трехполюсника, так как показатель первого обладает небольшим температурным коэффициентом — всего 20 ppm/град.

Возможные помехи

Они могут появиться в связи с тем, что в ЦП проникают посторонние сигналы с управляющих входов в цепь. Это происходит из-за наличия в них емкостей, например, между каналами или затвором полевого ключа.

Такие помехи практически незаметны там, где регулировка проводится редко, но, например, при установке силы громкости они нежелательны. Для устройств, в которых ЦП должны настраиваться, часто бывают нужны специальные электронные резисторы для устранения подобных помех, например, glitchless-регуляторы.

Сферы применения ЦП

Область использования цифровых потенциометров весьма широка и с каждым годом становится все больше, ведь появляются новые, более «продвинутые» резисторы. Ниже представлены самые распространенные сферы применения ЦП:

• В цифровых (электронных) усилителях. Эти приборы применяются для усиления электрической мощности.
• В источниках опорного напряжения. ИОНы устанавливаются во все измерительные приборы и являются их основным узлом. Цифровой потенциометр в их схеме обеспечивает точность настроек.
• В системах регулировки громкости в любых акустических устройствах.
• В операционных усилителях (ОУ) для смещения напряжения к нулю.
• В стабилизаторах напряжения для его регулировки.
• В устройствах или схемах для измерения уровня сопротивления электротока для настройки мостов.
• Для настройки частоты, регулировки усиления или ослабления звука в полосовых фильтрах. ЦП необходим для калибровки системы колебаний.
• В измерительных приборах с датчиками усиления сигнала для регулирования полной шкалы и ее смещения.
• В генераторах импульсов с несимметричным типом сигнала для регулирования их частоты.
• В широкополосных регулируемых ВЧ аттенюаторах для регулирования Pin-диодов. Последние отвечают за защиту радиоаппаратуры от нежелательных СВЧ-импульсов.
• В ЖК-индикаторах для регулирования контрастности.

Чаще всего ЦП применяют в качестве настройщиков громкости в смартфонах, в multimedia, в небольшого размера переносной аппаратуре. Для использования в высококачественных регуляторах есть специализированные ЦП, например, CS3310 от Crystal или AD7111 от Analog Devices.

Примеры использования

Ниже приведен пример использования и управления 6-канальным ЦП AD5206 при помощи платы Arduino. Устройство предназначено для регулирования яркостью диодов. При этом используется связь SPI. Для настройки резисторов нужны:

• Плата Arduino.
• ЦП AD5206.
• Светодиоды (6 шт.).
• Перемычки и макетная плата.

Ниже представлена схема AD5206, ее распиновка и назначение выводов.

Данный цифровой потенциометр оснащен 6-ю переменными резисторами, для каждого из которых в корпусе отведено по 3 вывода. У отдельных потенциометров выводы обозначены A1, B1 и W1.

В данном примере все 6 потенциометров используются в роли делителя напряжения. Для чего 1 крайний вывод (А) подключается к питанию, а второй (В) — к шине земли. Wiper (или средний) берет изменяющееся напряжение.

При таком подключении AD5206 создает сопротивление в 10 кОм, которое изменяется в 255 шагов.

Ниже приведена схема подсоединения.

ЦП для программирования в схемах

Если цифровые потенциометры используются для программирования различных уровней в схемах или для калибровки в устройствах датчиков, то именно их состояние определяет скорость и точность регулировки при подключении к питанию.

В продаже есть много разных видов ЦП, отличающихся возможностями пользовательской настройки состояния при включении, но основных категорий лишь две:

1. Энергонезависимые кристаллические резисторы, у которых есть элемент памяти. Именно последний фиксирует положение движка при подключении устройства.
2. Энергозависимые. Эти виды ЦП не обладают памятью, поэтому в них движок занимает положение нулевое, среднее или верхнее при подключении к питанию в зависимости от их конструкции. Чтобы установить его правильно, следует изучить инструкцию с техническими параметрами.

Первые варианты ЦП можно разделить на 3 вида по используемому в них типу памяти:

• Электрически стираемые или перепрограммируемые (EEPROM). В них данные могут стираться и заново записываться неограниченное количество раз.
• С однократной программой.
• Многократно программируемые.

Подобное разделение помогает подобрать оптимальный вид потенциометра под конкретную схему или систему. Так, в аппаратуре, где необходима постоянная (частая) настройка, например, звука в аудиосистеме, можно установить энергозависимый вариант.

Если в устройстве нужно настроить один раз параметры для его использования, например, заводские настройки, то подойдет тип с ОРТ. Он остается неизменным на все время его эксплуатации.

Цифровой потенциометр способен принять только ту амплитуду сигнала, которая заложена в рамках его верхнего и нижнего показателя напряжения питания. Если планируется применить его для проведения переменного тока, то лучше воспользоваться резисторами с двухполярным питанием.

Заключение

Как уже было сказано, цифровые потенциометры замещают механические и другие виды резисторов при создании регулируемых систем. Тем самым вся схема (или узел) устройства становится более надежной, долговечной, ей не страшны встряски, падения, окисление элементов, как это происходит в механических аналогах. Также ЦП незаменимы в платах или схемах крайне малого размера, например, картах памяти.

Чтобы подобрать нужный вариант, следует внимательно изучить параметры и область применения цифровых потенциометров. Именно совокупность первых и уровень их влияния на качество и эффективность ЦП должны быть решающим фактором при покупке.

Видео по теме