Potencjometry cyfrowe

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 R_H i R_L są odpowiednikami stałych wyprowadzeń potencjometru mechanicznego, a wyprowadzenie R_W 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 R_H i R_L 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 U_WY przy pozycji „m” dzielnika wynosi:

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 U_WY. Jeżeli jednak w skład potencjometru wejdą dodatkowe rezystory, czy to od strony R_H, R_L, czy od obu stron, wówczas dokładność napięcia wyjściowego będzie zależała od dokładności rezystancji R_SUM. Ilustruje to rysunek 3. Napięcie wyjściowe w tym przypadku przybiera postać:

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:

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.

Krzysztof Pochwalski