Значительная часть электронных схем, особенно аналоговых, содержит элементы, предназначенные для подстройки характеристик при наладке или для оперативного управления при использовании аппаратуры. Для этих целей использовались электромеханические переменные и подстроечные резисторы. Заменой электромеханическим резисторам с подвижным контактом, имеющим ограниченные возможности, относительно большие габариты, требующим ручной установки в необходимое положение, становятся цифровые потенциометры.

Классификация

Рассмотрим основные критерии, по которым можно классифицировать цифровые потенциометры:

• Наличие или отсутствие энергонезависимой памяти. В первом случае, при включении питания будет автоматически восстановлено последнее используемое значение. Во втором- заранее определенное начальное значение (как правило, соответствующее половине диапазона). Третий вариант- возможность однократно «прошить» в постоянную OTP-память иное начальное значение, отличное от значения, заданного производителем.
• Интерфейс управления. Могут использоваться либо стандартные интерфейсы I²C или SPI, либо, так называемое «кнопочное управление»- Up/Down Control, которое будет рассмотрено ниже.
• Количество потенциометров в корпусе. В номенклатуре компании ON Semiconductor представлены изделия с 1, 2 или 4 потенциометрами.
• Разрешающая способность или количество положений движка. Как правило, число, равное степени 2. В продукции ON Semiconductor представлены потенциометры с разрешающей способностью от 16 до 256. Иногда используются «некратные» значения, например 100. В микросхемах, управляемых по интерфейсу, используются большие значения (64, 128, 256). В микросхемах с «кнопочным управлением» без энергонезависимой памяти- малые (16 и 32), а с памятью - промежуточные (от 32 до 128).

Поскольку номенклатура цифровых потенциометров компании ON Semiconductor достаточно широка (более 300 микросхем и 35 семейств), то не имеет смысла приводить таблицы с параметрами. Параметрический поиск доступен на сайте производителя http://www.onsemi.com/. Продукция, в соответствии с этими критериями, была объединена в группы, что иллюстрируется рисунком 1.

Рис. 1. Основные группы цифровых потенциометров компании ON Semiconductor

К другим параметрам отнесем:

• Полное сопротивление потенциометра (сопротивление между крайними положениями H и L). Обычно используются значения 10, 50 или 100кОм. Реже- 1; 2,5 и 32кОм.
• Допустимое напряжение между выводами H и L. Принципиальное отличие цифровых потенциометров от переменных резисторов заключается в том, что напряжение между выводами H и L не может быть выше регламентированного. Как правило, оно равно напряжению питания самой микросхемы (обычно 2,7...5,5В). Исключением являются семейства САТ5132 и САТ51323- при величине питания до 5,5В, напряжение между выводами H и L может достигать 16В.
• Функциональная характеристика. Вбольшинстве случаев эта характеристика (зависимость сопротивления между выводами W и L от управляющего кода) линейна, то есть предполагается, что все резисторы в цепочке имеют одинаковое сопротивление. Исключением является семейство CAT5116, в котором реализована логарифмическая характеристика.
• Нелинейность характеристики. Она определяется реальным отклонением резисторов в цепочке от номинального значения.

Есть и другие параметры: температурный коэффициент сопротивления; отклонение полного сопротивления; сопротивление движка. Они имеют тот же смысл, что и для традиционных переменных резисторов, и приведены в документации производителя на конкретную микросхему.

Управление Up/Down

Отметим, что управление Up/Down используется только для моделей с одним потенциометром в корпусе (одинарные). Применение этого управления в «многоканальных» микросхемах привело бы к существенному увеличению внешних выводов. Наиболее простыми являются цифровые потенциометры с управлением Up/Down. В продукции компании ON Semiconductor реализованы три модификации такого управления:

• Управление по двум линиям CS и U/D;
• Управление по трем линиям CS, U/D и INC;
• Управление по двум линиям Up и Down.

Управление по двум линиям CS и U/D

Назначение линии CS (активный низкий) заключается в том, что отрицательный перепад фиксирует направление изменения сопротивления, которое (изменение сопротивления) возможно только при низком уровне сигнала. При высоком уровне сигнала изменения сопротивления не происходит.

Линия U/D в момент отрицательного перепада сигнала CS определяет направление изменения сопротивления (при низком уровне - уменьшение, при высоком - увеличение). При низком уровне сигнала CS положительный перепад сигнала U/D приводит к изменению сопротивления на один дискрет (в направлении, определенном ранее).

Рассмотрим диаграмму А на рисунке 2.

Рис. 2. Диаграммы двух методов управления Up/Down

В момент 1 состояние сигнала CS из высокого становится низким. Поскольку состояние линии U/D высокое, то определяется направление на повышение. В моменты 2 положительный перепад сигнала U/D приводит к увеличению сопротивления (напряжение между нижней точкой L и средней точкой W потенциометра растет). В момент 3 положительный перепад сигнала CS запрещает дальнейшее изменение сопротивления. В моменты 4 по положительному перепаду сигнала U/D ничего не происходит, поскольку состояние сигнала CS высокое. В момент 5 состояние сигнала CS переходит из высокого в низкий, но в этот раз состояние линии U/D низкое, следовательно, определяется направление на понижение. Соответственно, в моменты 6 положительный перепад сигнала U/D приводит к уменьшению сопротивления.

Данный метод реализован в микросхемах CAT5110, CAT5118...CAT5127 и CAT5128.

Управление по трем линиям CS, U/D и INC

Данный метод (иллюстрируется диаграммой Б на рис. 2) более прост в понимании, но в реализации занимает на одну линию больше. Сигнал CS только запрещает (при высоком уровне) или разрешает (при низком уровне) изменение состояния потенциометра. Сигнал U/D только задает направление изменения: низкий уровень - на понижение, высокий - на повышение. Любые изменения состояния могут происходит только по отрицательному перепаду сигнала INC. Если при этом на линии CS низкий уровень, а на линии U/D высокий - сопротивление растет. На линии CS низкий уровень, и на линии U/D низкийуровень - сопротивление уменьшается. Если на линии CS высокий уровень, то отрицательный перепад сигнала INC никаких изменения сопротивления не вызывает.

Данный метод реализован в микросхемах CAT5111...CAT5116 и CAT5133.

Управление по двум линиям Up и Down

Данный способ управления заставляет вспомнить о простейшем RS-триггере. Отрицательный перепад сигнала Down вызывает уменьшение сопротивления, а отрицательный перепад сигнала Up - соответственно, его повышение. При этом в первом случае предполагается, что на линии Up - высокий уровень. А во втором случае, соответственно, предполагается, что высокий уровень - на линии Down. На временных диаграммах из документации производителя [4] эти условия выполняются, то есть все хорошо. А если что-то не выполняется? С одной стороны, в документации производителя ясно указано: срабатывание по отрицательному перепаду сигнала Up произойдет «если и только» на линии Down будет высокий уровень. Про срабатывание по отрицательному перепаду сигнала Down каких-то ограничений не приведено. Надо понимать, что оно произойдет в любом случае, а как на самом деле... Метод реализован только в одной микросхеме CAT5128.

Цифровые потенциометры с управлением Up/Down без энергонезависимой памяти

В данную группу входят (рис. 1) три микросхемы (CAT5120, CAT5121 и CAT5122) с разрешающей способностью 16 положений и восемь микросхем (CAT5110, CAT5115, CAT518, CAT5119, CAT5123, CAT5124, CAT5125 и CAT5128) на 32 положения. Обобщенная структура цифровых потенциометров этого типа приведена на рис. 3.

Рис. 3. Обобщенная структура цифровых потенциометров с управлением Up/Down без энергонезависимой памяти

Рассмотрим ее работу. Сигналы управления (две или три линии, показанные цифрами 1, 2 и 3) поступают на схему управления, которая, при необходимости, формирует сигналы инкремента и декремента реверсивного счетчика (показан счетчик для 32 состояний). Выходы счетчика дешифрируются, и замыкается один из ключей. Например, для состояния 0 будет замкнут нижний ключ, и сопротивление между выводами W и L будет равно нулю, а между W и H - будет максимальным. С инкрементом счетчика сопротивление между W и L будет расти, а между W и H - уменьшаться.

При каждом выключении питания текущее состояние не запоминается. При каждом включении питания формируется сигнал PoR, который загружает счетчик неизменяемым стартовым значением (Обычно, половина диапазона - в рассматриваемом случае 16).

Отметим также, что на рис. 3 представлен обобщенный случай, а именно, если контакты питания не связаны с выводами потенциометра, то вывод L не связан с общим проводом Gnd, а вывод H - с питанием Vcc. Такая схема требует наличия семи- или восьмивыводного корпуса и из рассматриваемых устройств реализована лишь в CAT5115 (управление по трем линиям), CAT5128. Остальные устройства размещены в пяти- или шестивыводных корпусах за счет организации внутренних коммутаций, которые представлены на рис. 4.

Рис. 4. Внутренние коммутации в цифровых потенциометрах с управлением Up/Down без энергонезависимой памяти

Цифровые потенциометры с управлением Up/Down с энергонезависимой памятью

В данную группу входят (рис. 1) четыре микросхемы (CAT5112, CAT5114, CAT5127 и CAT5129) с разрешающей способностью 32 положения, три микросхемы (CAT5111, CAT5113 и CAT5116) на 100 положений и CAT5133 на 128 положений. Обобщенная структура цифровых потенциометров этого типа приведена на рис. 5.

Рис. 5. Обобщенная структура цифровых потенциометров с управление Up/Down с энергонезависимой памятью

По сравнению с рис. 3 добавлена энергонезависимая память, которая по своему функциональному назначению является регистром. В этот регистр перезаписывается значение реверсивного счетчика при снятии сигнала CS. При выключении питания состояние счетчика теряется, но продолжает храниться в регистре. При следующем включении питания формируется сигнал PoR, который загружает счетчик последним значением.

Отметим также отличительную особенность CAT5127 и CAT5129 - они обеспечивают длительное сохранение сопротивления после отключения электроэнергии.

Цифровые потенциометры с управлением по последовательным интерфейсам

Рассмотрим те преимущества и возможности, которые вносят последовательные интерфейсы при управлении цифровыми потенциометрами.

Летом 2009 года компания ON Semiconductor выпустила два новых изделия: CAT5171 и CAT5172 - цифровые потенциометры с разрешением на 258 положений без энергонезависимой памяти, с интерфейсами, соответственно, SPI и I²C. Структурные схемы потенциометров представлены на рис. 6.

Рис. 6. Структурные схемы цифровых потенциометров CAT5171 и CAT5172

Рассмотрим потенциометр CAT5172. Как видим, интерфейс SPI однонаправленный, то есть микросхема только принимает данные. Самое существенное достоинство - это возможность прямого задания управляющего кода. Потенциометры с управлением Up/Down не обеспечивали возможности чтения текущего состояния счетчика. Следовательно, в реальной системе состояние приходилось дублировать вне потенциометра. В таких потенциометрах было необходимо контролировать число циклов инкремента (декремента), необходимых для установления требуемого кода. Сама реализации одного цикла была достаточно сложна. При подозрениях на сбойную ситуацию привести потенциометр в среднее положение было возможно только при снятии питания.

В случае с CAT5172 возможности считать текущее состояния также нет, но есть возможность непосредственно записать требуемое значение. При этом нет необходимости помнить текущее состояние и думать «в какую сторону крутить потенциометр». Кроме того, естественным образом увеличилась разрешающая способность - длительность установки перестала зависить от того, насколько сильно надо изменить положение «движка»: на 3 дискретных шага или на 30. Интерфейс выполнен в простейшем варианте сдвигового регистра и легко реализуется как с помощью микроконтроллера, так и на жесткой логике. Число выводов микросхемы (если сравнивать с полным вариантом CAT5115) не изменилось.

Потенциометр CAT5171 реализован с использованием более сложного двунаправленного I²C. За счет этого появляются дополнительные возможности: он позволяет считать текущее состояние в целях контроля. Кроме того реализованы функции: принудительный возврат в среднее состояние и функцию Shutdown, то есть разрыв цепи резисторов между положениями H, W, L. Интерфейс I²C - тривиальный атрибут современных микроконтроллеров, и его реализация также не вызывает сложностей.

Другие дополнительные преимущества:

• Возможность реализации нескольких потенциометров в одном корпусе. Ранее каждый из потенциометров требовал своих линий управления, что увеличивало число выводов;
• Возможность чтения как регистра начальных значений, так и счетчика текущего состояния;
• Возможность реализации вариантов работы- например, прямой переход и инкремент по шагам.

Области применения

Области применения цифровых потенциометров в настоящее время весьма разнообразны, назовем некоторые из них:

• Подстройка «тонких» датчиков: давления, температуры, положения, оптических датчиков;
• Цифровая регулировка усиления;
• Регулировка частоты и скважности генераторов;
• Регулировка громкости в аудиосистемах;
• Регулировка смещения нуля в усилителях;
• Реализация регулируемых источников опорного напряжения;
• Регулировка выходного напряжения стабилизаторов;
• Регулировка контрастности ЖК-индикаторов;
• Замена электромеханических потенциометров на цифровые аналоги.

Заключение

Словосочетание «цифровые потенциометры» у большинства отечественных разработчиков прочно ассоциируется с компаниями Maxim Integrated Products и Analog Devices. Безусловно, названные компании заметны на этом направлении. Но и в компании ON Semiconductor оно возникло не на пустом месте. Купив в 2008 году компанию Catalyst Semiconductor, ONSemi существенно дополнила свою номенклатуру. EEPROM-память и цифровые потенциометры - для нее направления новые. Однако мы видим, что практически не обновлявшаяся с 2004 года линейка цифровых потенциометров Catalyst дополнилась новыми изделиями в целевых нишах. Безусловно, следует ожидать дальнейшего развития этого направления в продукции ON Semiconductor.

Литература

1. Ридико Л. Цифровые потенциометры//Компоненты и технологии, ╧5, 2001.

2. Шитиков А. Цифровые потенциометры от Dallas Semiconductor//Компоненты и технологии, ╧8, 2001.

3. Андрусевич А. Управление потенциалом. Цифровые потенциометры Maxim/Dallas//Новости электроники, ╧15, 2006.

4. CAP5128. 32-Tap Digital Up/Down Control Potentiometer//Документ компании On Semiconductor Doc. No. MD-2128 Rev. C (CAT5128-D.pdf).

Получение технической информации, заказ образцов, поставка - e-mail: analog.vesti@compel.ru