CC BY
118S8
www.finestreet.ru
компоненты
цифровые потенциометры
Применение цифровых потенциометров
фирмы Analog Devices
Алексей ВЛАСЕНКО
Данная статья написана по материалам руководств по применению AN-579, AN-580 и AN-585 фирмы Analog Devices.
Программируемый генератор с цифровым потенциометром
Цифровые потенциометры (далее — ЦП) являются довольно универсальными устройствами и могут применяться в фильтрах и генераторах. В таких случаях разработчик должен всегда иметь в виду, что ЦП работают в ограниченном частотном диапазоне, и этот диапазон зависит от установленной величины сопротивления, поэтому необходимо внимательно сверяться с данными, опубликованными в техническом описании. Если требования по частоте удовлетворяются, то такой потенциометр может быть с успехом использован для реализации генератора с установкой частоты посредством цифрового интерфейса.
На рис. 1 приведена схема генератора на основе моста Вина с ЦП в цепи частотно-зависимой обратной связи. Амплитуда стабилизируется за счет диодов Б1 и Б2. Коэффициент ослабления петли обратной связи на резонансной частоте составляет ровно 3, и диоды как раз и предназначены для «выравнивания» этого коэффициента, открываясь при росте амплитуды выходного сигнала.
Такая реализация схемы обратной связи достаточно проста, но при этом нелинейные искажения выходного сигнала довольно высоки. Для уменьшения уровня нелинейных искажений можно использовать более сложные схемы автоматической регулировки усиления, обычно при этом в качестве сопротивления в цепи обратной связи выступает канал полевого транзистора. Однако рассмотрение различных схем цепи обратной связи выходит за рамки данной статьи.
Частота генерируемого сигнала равна
/ =
1
2лRC
где Я = Яр = Я5, С = Ср = С.
В схеме генератора применен ЦП АБ5232. Это сдвоенный ЦП на 256 положений с энергонезависимой памятью, управляемый посредством интерфейса 12С. ЦП АБ5232 может работать в режиме «синхронного управления», что весьма удобно для рассматриваемой нами схемы. Сопротивление ЦП, в 8-разрядный регистр которого записана величина С, составляет:
2N-D
*=^Ч>+5°
где Кдв — полное сопротивление ЦП, то есть сопротивление между выводами А и В (для нашей схемы Кдв = 100 кОм), N — разрядность регистра ЦП (для АБ5232 N =8 и, соответственно, 2N = 256), Кш — сопротивление введенной части потенциометра между выводами А и 50 Ом — «остаточное» сопротивление, то есть приблизительное значение сопротивления открытого транзисторного ключа ЦП.
На рис. 2 показана форма выходного сигнала генератора при разных величинах установленного цифрового кода потенциометра: В = 0, 128 и 196. Частота выходного сигнала при этом составляет соответственно 1,59, 3,18 и 6,36 кГц с амплитудой 1 В.
Усилитель с программируемым коэффициентом усиления (базовая схема)
В принципе, с помощью операционного усилителя и механического потенциометра можно реализовать схему усилителя с регу-
Рис. 1. Генератор на основе моста Вина
U2 1/2 AD5232 W2 А2 В2 V. - .. А1 , ,В1 1- 1/2 ОР2177 Ра; 1, 1-0 v0 1r2
¥Ю • I I 1 U1 fwi [Ч. 1/2 1 AD5232 Д1 _ХГ“ +/V2 — ^ ОР2177 ^ vB - ■ —KxV, J С
Рис. 4. Биполярный усилитель с программируемым коэффициентом усиления и линейной зависимостью коэффициента усиления от сопротивления потенциометра
лируемым коэффициентом усиления — блок, присутствующий во многих электронных устройствах. Однако такая схема обладает недостатками, неприемлемыми для многих применений: потенциометры обладают низкой разрешающей способностью, значительным температурным дрейфом, временным дрейфом сопротивления, и, кроме того, трудно реализовать дистанционное управление таким потенциометром. Но теперь имеется возможность воплотить такую схему на базе ИС серии ЛБ523х — ЦП с энергонезависимой памятью.
На рис. 3 изображена схема инвертирующего усилителя, коэффициент усиления которого определяется соотношением сопротивлений ЦП Rш и RWB следующим образом:
Уд _
V1 " Яга
или
V о_ Р
У\ 2м-£>
где В — величина, записанная в регистр ЦП, N — разрядность регистра ЦП (для Л05231 N =10 и, соответственно, 2N = 1024), RAB — полное сопротивление ЦП.
Зависимость коэффициента усиления от установленного кода этой схемы имеет характеристику, близкую к логарифмической. Инвертирующая конфигурация усилителя обеспечивает в такой схеме большой диапазон изменения коэффициента усиления, с усилением, близким к единице при среднем значении кода (В = ВМАХ/2). Так как обе «половинки» ЦП расположены близко на одном кристалле, соотношение сопротивлений мало зависит от температуры; при использовании ЦП Л05235 температурный дрейф коэффициента усиления составляет всего 35-млн-1/°С. Эта схема может применяться во многих устройствах, особенно при работе с малыми сигналами и большими коэффициентами усиления.
Так как вывод W потенциометра обладает паразитной емкостью CW, и эта емкость подключена к инвертирующему входу усилителя,
в передаточной характеристике усилителя появляется дополнительный ноль, который может свести к нулю запас по фазе на частотах, где усиление больше единицы. Поэтому усилитель может стать неустойчивым — возбуждаться или «звенеть», когда на вход подается прямоугольный импульс или «ступенька». Точно таким же образом он может «звенеть» в момент переключения коэффициента усиления — это эквивалентно подаче «ступеньки» на вход.
Для устранения описанных эффектов применен дополнительный конденсатор Сс; он устраняет влияние емкости CW. Оптимальный уровень компенсации достигается при RWA х CW = RWB х Сс. Но сопротивление ЦП изменяется, поэтому лучше подобрать величину СС эмпирически, обычно эта величина составляет несколько пикофарад.
Аналогичным образом паразитная емкость Св вывода В подключена между выходом усилителя и «землей». К счастью, влияние этой емкости гораздо менее значительное и компенсация в большинстве случаев не требуется.
Усилитель с программируемым коэффициентом усиления (схема с линейным изменением коэффициента усиления)
В базовой схеме, приведенной на рис. 3, выходной сигнал всегда проинвертирован относительно входного, вне зависимости от коэффициента усиления или ослабления. Коэффициент усиления изменяется нелинейно при изменении величины соотношения сопротивлений потенциометра. В некоторых случаях именно это и нужно, но в других схемах требуется, чтобы происходила инверсия сигнала при изменении коэффициента усиления или чтобы зависимость коэффициента усиления от сопротивления была линейна. Например, предположим, в сервоприводе мотор должен вращаться в обе стороны, либо система термостатирования должна обеспечивать нагрев или охлаждение в зависимости от полярности сигнала, либо в схеме управления жидкокристаллическим дисплеем напряжение для управления контрастом и яркостью может иметь различную величину
и полярность. В общем случае, чтобы выходной сигнал мог иметь любую полярность, а также коэффициент усиления линейно зависел от величины сопротивления, можно реализовать схему со сдвоенным ЦП, показанную на рис. 4. Здесь сигнал на входе усилителя Л2 может приобретать значения от + У1 до -К х У;, где К — соотношение сопротивлений ЦП W1, а также (в данном случае) коэффициент усиления усилителя Л1 при замкнутой петле обратной связи. Усилитель Л2 обеспечивает усиление, а также работает в качестве буфера, минимизируя влияние сопротивления «подвижного контакта» W2.
Передаточную функцию схемы, изображенной на рис. 4, можно записать в виде
ух={\ + %){^+К)-К).
Здесь К — соотношение сопротивлений ЦП W1, В — код, определяющий значение сопротивления ЦП W2.
В более простом (и гораздо более частом) случае, когда К = 1, можно использовать одинарный ЦП, такой как ЛБ5231, вместо Ш, а потенциометр Ш заменить на два одинаковых резистора; в этом случае к выводам ЦП Ш2 будет приложено напряжение У; и -У1. Тогда формула упрощается и выглядит следующим образом:
Ко= м)(ш_1)
В таблице показаны значения коэффициента усиления в зависимости от величины кода Б для разных конфигураций усилителя Л2: для неинвертирующего усилителя с единичным коэффициентом усиления
Таблица. Зависимость коэффициента усиления от величины кода Р иот сопротивлений 1^1, [}2
D(Step) R1 = ®, R2 = 0 R1 = R2 R2 = 9 x R1
0 -1 -2 -10
64 -0,5 -1 -5
128 0 0 0
192 +0,5 +1 +5
255 +0,992 + 1,984 +9,92
цифровые потенциометры
(Ш = ю, И2 = 0), с коэффициентом усиления 2 (И1 = И2) и с коэффициентом усиления 10 (И2 = 9хИ1). В результате мы получаем усилитель, коэффициент усиления которого может менять знак, устанавливаться с точностью 1/2" и при этом линейно зависит от сопротивления потенциометра
На рис. 4 резисторы И1 и И2 также могут быть заменены на ЦП, если требуется получить большой коэффициент усиления, регулируемый в широких пределах.
Сопротивление «подвижного контакта» ЦП — это, в сущности, сопротивление открытого канала транзисторного ключа, обычно оно имеет величину около 50-100 Ом. Это довольно немного по сравнению с сопротивлением всего ЦП (ЯАВ), но сопротивление «подвижного контакта» изменяется примерно в два раза в пределах рабочего температурного диапазона и может стать основным источником погрешности, если ЦП запрограммирован на небольшую величину сопротивления. Поэтому желательно, чтобы «подвижный контакт» ЦП был подключен к высокоимпе-дансному входу операционного усилителя, как показано на схеме на рис. 4. Операционный усилитель ОР1177, представляющий собой современный вариант (четвертое поколение) промышленного стандартного ОУ ОР07, был выбран за его малый входной ток и малое значение напряжение смещения.
Рис. 5. Усилитель с программируемым коэффициентом усиления, рассчитанный на более высокое входное напряжение
За счет этого минимизируется влияние сопротивления «подвижного контакта» ЦП.
Напряжение на выводах ЦП не должно превышать напряжение питания ЦП (при любом значении сопротивления). Если усилитель работает при большом входном сигнале, то можно добавить отдельные резисторы последовательно с ЦП, как показано на рис. 5. Эти резисторы должны быть рассчитаны таким образом, чтобы напряжение на выводах цифрового потенциометра не превышало напряжение питания ЦП.
Таким образом, с помощью ЦП с энергонезависимой памятью типа AD523x разработчик может реализовать усилитель, обладающий возможностью установки коэффициента усиления с высоким разрешением, с функцией инверсии сигнала и линейным или логарифмическим изменением коэффициента усиления.
Более подробная информация о цифровых потенциометрах фирмы Analog Devices находится на сайте: http://www.analog.com/ DigitalPOTs. ■
