Цифровой потенциометр (также называемый резистивным цифро-аналоговым преобразователем [ 1] или неформально цифровым потенциометром ) — это электронный компонент с цифровым управлением, который имитирует аналоговые функции потенциометра . Он часто используется для подстройки и масштабирования аналоговых сигналов микроконтроллерами .
Цифровой потенциометр строится либо из интегральной схемы резисторной лестницы , либо из цифро-аналогового преобразователя, хотя конструкция резисторной лестницы более распространена. [ требуется ссылка ] Каждая ступенька на резисторной лестнице имеет свой собственный переключатель, который может подключать эту ступеньку к выходному выводу потенциометра. Выбранная ступенька на лестнице определяет коэффициент сопротивления цифрового потенциометра. Количество ступеней обычно указывается битовым значением, например, 8 бит равны 256 шагам; 8 бит являются наиболее распространенными, но доступны разрешения от 5 до 10 бит (от 32 до 1024 шагов). [2] Цифровой потенциометр использует протоколы, такие как шина I²C или последовательный периферийный интерфейс для передачи сигналов; некоторые используют более простые протоколы up/down. Типичное использование цифровых потенциометров — в схемах, требующих регулировки усиления усилителей (часто инструментальных усилителей ), балансировки звука с малым сигналом и регулировки смещения.
Материалом резистора обычно является поликремний или тонкая пленка. [3]
Большинство цифровых потенциометров используют только энергозависимую память, что означает, что они забывают свое положение при выключении питания (при включении питания они сообщают значение по умолчанию, часто свое среднее значение) - когда они используются, их последнее положение может быть сохранено микроконтроллером или ПЛИС, к которым они подключены. Некоторые цифровые потенциометры включают в себя собственное энергонезависимое хранилище, [4] поэтому их показания по умолчанию при включении питания будут такими же, как они показывали до выключения. [5]
Хотя они весьма похожи на обычные потенциометры, цифровые потенциометры ограничены ограничением тока в диапазоне десятков миллиампер. Кроме того, большинство цифровых потенциометров ограничивают диапазон напряжения на двух входных клеммах (резистора) диапазоном цифрового питания (например, 0–5 В постоянного тока), поэтому для замены обычного потенциометра может потребоваться дополнительная схема (хотя цифровые потенциометры с раздельным двойным питанием аналоговых напряжений также доступны.) [6] Кроме того, вместо, казалось бы, непрерывного управления, которое можно получить от многооборотного резистивного потенциометра, цифровые потенциометры имеют дискретные шаги сопротивления.
Другим ограничением является то, что для проверки перехода через ноль аналогового сигнала переменного тока часто требуется специальная логика, чтобы можно было изменять значение сопротивления, не вызывая слышимого щелчка на выходе аудиоусилителей. (Необходима схема)
Энергозависимые цифровые потенциометры также отличаются от электромеханических тем, что при включении питания сопротивление по умолчанию (возможно) установится на другое значение после цикла питания. Аналогично, их сопротивление действительно только при наличии правильного напряжения питания постоянного тока. Когда напряжение снимается, сопротивление между двумя конечными точками и (номинальным) движком не определено. В схеме операционного усилителя импеданс в выключенном состоянии реального потенциометра может помочь стабилизировать рабочую точку постоянного тока схемы во время этапа включения питания. Это может быть не так, когда используется цифровой потенциометр.
Как электромеханические, так и цифровые потенциометры обычно имеют плохие допуски (обычно ±20%), [7] плохие температурные коэффициенты [8] (до многих сотен ppm на градус Цельсия), [8] и сопротивление остановки, которое обычно составляет около 0,5-1% от полного сопротивления шкалы. Обратите внимание, что сопротивление остановки является остаточным сопротивлением, когда сопротивление клеммы к движку установлено на минимальное значение. [ необходима цитата ]
При использовании цифрового потенциометра сопротивление может зависеть от напряжения питания. [7]
Цифровой потенциометр имеет ограниченную ширину полосы из-за паразитной емкости в устройстве. Детали с более низким сопротивлением End-To-End обычно имеют большую ширину полосы.
Передаточный вентиль /коммутационный элемент в цифровом потенциометре вызывает гармонические искажения.
Умножающий ЦАП, используемый в качестве цифрового потенциометра, может устранить большинство этих ограничений. [9] Обычно возможен диапазон сигнала от +15 В до -15 В с 16-битным управлением, т. е. 65535 дискретных уставок, а дрейф и нелинейность незначительны. Однако ЦАП необходимо инициализировать каждый раз при включении системы, что обычно выполняется программным обеспечением во встроенном микроконтроллере. Умножающий ЦАП нельзя напрямую использовать в качестве реостата (2-проводное соединение), но в этом режиме цифровой потенциометр в любом случае работает плохо из-за его температурного коэффициента и допуска сопротивления. [ необходима цитата ]