wersja mobilna
Online: 1016 Poniedziałek, 2016.12.05

Technika

Potencjometry cyfrowe

piątek, 30 stycznia 2009 01:00

Potencjometry cyfrowe są coraz częściej stosowane w licznych urządzeniach, zastępując tradycyjne potencjometry mechaniczne. Ich przewagą jest możliwość zdalnego sterowania, programowania, zapamiętywania wielu pozycji suwaka, a także większa rozdzielczość, znacznie mniejsze wymiary, większa niezawodność i niższy koszt. Pomimo niewątpliwych zalet potencjometrów cyfrowych trzeba też pamiętać o związanych z nimi ograniczeniach: niższym napięciu znamionowym niż w przypadku potencjometrów mechanicznych oraz mniejszej dokładności.

Rys. 1. Łańcuch rezystorów potencjometru cyfrowego

Rys. 2. Precyzyjny dzielnik napięcia

Rys. 3. Zwiększenie dokładności przez dodanie rezystorów szeregowych

Rys. 4. Konfiguracje regulowanego rezystora

Rys. 5. Zwiększenie dokładności dzielnika

Rys. 6. Regulowany rezystor z rezystorami dodatkowymi, szeregowym i równoległym

Ograniczenia te są wynikiem procesu produkcyjnego rezystorów polikrzemowych i ich integracji w układach scalonych CMOS. Potencjometr cyfrowy składa się z drabinki rezystorowej, której segmenty są połączone z przełącznikami CMOS (rysunek 1). Punkty końcowe drabinki RH i RL są odpowiednikami stałych wyprowadzeń potencjometru mechanicznego, a wyprowadzenie RW łączące się z jednym z punktów dzielnika za pośrednictwem przełączników CMOS jest odpowiednikiem suwaka.

Typowa dokładność polikrzemowego potencjometru cyfrowego wynosi zazwyczaj ±20%, jednak względna dokładność poszczególnych rezystorów dzielnika jest znacznie lepsza i wynosi ±1% lub mniej. Różnica ta musi być uwzględniana w trakcie projektowania, aby wyeliminować (w każdym razie zminimalizować) konieczność dodatkowej regulacji. Potencjometry cyfrowe, podobnie jak mechaniczne, mogą pracować w trybie dzielnika napięcia i regulowanego rezystora.

Dzielnik napięcia

W trybie dzielnika napięcia końcówki RH i RL są połączone z biegunami zasilacza, jak przedstawiono na rysunku 2, a dokładność napięcia suwaka zależy jedynie od względnej dokładności dopasowania rezystorów. Dla układu z rysunku 2 napięcie wyjściowe UWY przy pozycji „m” dzielnika wynosi:

 UWY UWE RSUM
RSUM (n – 1)
 m =  UWE
(n – 1)
 m

gdzie „n” oznacza liczbę odczepów, a „m” pozycję suwaka. Jak widać z powyższego równania, sumaryczna rezystancja potencjometru została tu wyeliminowana i nie ma wpływu na UWY. Jeżeli jednak w skład potencjometru wejdą dodatkowe rezystory, czy to od strony RH, RL, czy od obu stron, wówczas dokładność napięcia wyjściowego będzie zależała od dokładności rezystancji RSUM. Ilustruje to rysunek 3. Napięcie wyjściowe w tym przypadku przybiera postać:

 UWY UWE
(R1 + RSUM + R2)
 (R2 RSUM
(n – 1)
 m)

Rezystancja styku suwaka jest niewielka; zwykle wynosi około 70Ω i może zależeć od jego pozycji. W obu powyższych równaniach nie występuje, ponieważ natężenie prądu wejściowego wzmacniacza można przyjąć za pomijalne.

Regulowany rezystor

W trybie regulowanego rezystora dokładność potencjometru cyfrowego zależy od dokładności rezystancji potencjometru (±20%) i rezystancji styku suwaka.

Wpływ tej rezystancji można zmniejszyć, zwierając suwak z jednym z końców potencjometru, jak przedstawiono na rysunku 4a. Dokładność jest wówczas uzależniona również od pozycji suwaka. Inny wariant regulowanego rezystora przedstawia rysunek 4b. W tym wypadku rezystancja suwaka może zostać łatwo uwzględniona, gdyż podawana jest zwykle dla każdego styku w danych technicznych układu. Do obliczenia rezystancji dla odczepu „m” służy równanie:

 Rm RSUM

n – 1
 m + Rodcz + Rst

Zwiększenie dokładności W razie potrzeby zwiększenia dokładności rezystancji potencjometru, można to zrobić odpowiednim zabiegiem. Przykład zmodyfikowanego schematu jest przedstawiony na rysunku 5. W układzie tym wykorzystano precyzyjne rezystory R1, R2 i R3. Rezystancja R2, kilkakrotnie mniejsza od RSUM, znacznie poprawia całkowitą dokładność potencjometru. W podobny sposób można zapewnić większą dokładność regulowanego rezystora.

Takie rozwiązanie pokazano na rysunku 6. Wykorzystując potencjometr 10kΩ ±20% zawierający 256 odczepów, można uzyskać rezystor regulowany o wartości od 5,5kΩ do 10,695kΩ i dokładności od ±1,1% do ±8,5%. Jego parametry przedstawiono w tabeli 1. Potencjometr cyfrowy może też w praktyce zastąpić przetwornik C/A. W większości przypadków, gdy konieczne jest dokładne dopasowanie w ograniczonym zakresie, 8-bitowy potencjometr cyfrowy może osiągnąć większą rozdzielczość niż 10-bitowy przetwornik C/A. W tabeli 2 przedstawiono rozdzielczość potencjometru cyfrowego w funkcji napięć końcowych i liczby odczepów.

 

Tabela 1. Potencjometr cyfrowy z rezystorami szeregowym i równoległym
  RSUM [kΩ] R1 [kΩ] R2 [kΩ] Min. rezystancja sumaryczna w odczepie 1
Maks. rezystancja sumaryczna w odczepie 255
Rozdzielczość odczepu
Dokładność całkowita odczepu 1
Dokładność całkowita odczepu 255
Min.
8
6,742
29,106
5,495 kΩ
9,786 kΩ
0,021 kΩ
–1,08 [%]
–8,50 [%]
Nom.
10
6,81
29,4
5,555 kΩ
10,695 kΩ
0,026 kΩ
   
Max.
12
6,878
29,694
5,615 kΩ
11,541 kΩ
0,031 kΩ
1,08 [%]
7,90 [%]

Tabela 2. Rozdzielczość potencjometru cyfrowego na poszczególnych odczepach
Napięcie na potencjometrze [V]
Rozdzielczość – najmniej znaczący bit [mV/odczep]
16 odcz.
32 odcz.
64 odcz.
100 odcz.
128 odcz.
256 odcz.
1024 odcz.
4 bity
5 bitów
6 bitów
7 bitów
8 bitów
9 bitów
10 bitów
10
667
323
159
101
79
39
10
9
600
290
143
91
71
35
9
8
533
258
127
81
63
31
8
7
467
226
111
71
55
27
7
6
400
194
95
61
47
24
6
5,5
367
177
87
56 43
22
5
5
333
161
79
51
39
20
5
4
267
129
63
40
31
16
4
3
200
97
48
30
24
12
2,9
2
133
65
32
20
16
8
2
1
67
32
16
10
8
3,9
1
0
33
16
8
5
3,9
2
1,5

Krzysztof Pochwalski