進歩は自転車だけではありません。 今日、非常に多くのアプリケーションで従来の変数とチューニング抵抗器がデジタル抵抗に取って代わります。 英語の情報源では、デジタルポテンショメータ、RDACまたはdigiPOTと呼ばれています。 これらのデバイスの範囲は、音声信号レベルの調整よりもはるかに広いです。 特に、フィードバックパラメータを変更する必要がある非常に多くの場合、彼らは救助に来ます。これは、従来のDACを使用して実装するのが困難です。
特に効果的なのは、オペアンプと組み合わせて使用することです。 そのため、調整可能なアンプ段、さまざまな種類のコンバーター、フィルター、積分器、電圧および電流源などを入手できます。 一言で言えば、これらの非常に安価でコンパクトなデバイスは、すべての電子機器開発者や無線アマチュアに役立つことができます...
最初は短い記事を書きたかったのですが、このトピックを徹底的に研究した結果、この資料は2つの部分にほとんど収まりませんでした。 今日は、これらのデバイスのアーキテクチャ、それらの機能、使用の制限、開発動向についてお話します。 結論として、私はアプリケーションの分野のトピックに簡単に触れます。なぜなら、それらに基づいたスキームの実際の実装の特定の例が第2部で検討されるからです。 たくさんの例！
個人的には、過去5年間でいくつかのデザインでデジタルレジスタンスを使用してきましたが、このシリーズが多くの人にとって有用であり、多くの問題を今日よりもエレガントかつ簡単に解決できることを願っています。 電子機器から遠く離れた人々にとって、この記事は、可変抵抗器のような単純なものでさえ、デジタル技術の猛攻撃の下でどのように進化するかを示すことによって、単に視野を広げることができます。
PSしたがって、このシリーズの別の記事が既に公開されており、その中に1つの例しかありませんでしたが、詳細に検討されました。 約束された残りの例については、3番目を書く必要があります。
建築
このデバイスがどのように機能するかを理解するために、機能図に目を向けます。 これは、デジタル8ビット抵抗のアナログ部分を示しています。
このデバイスの基本は、同じ定格の255個の抵抗と、CMOS技術を使用して作成された双方向電子スイッチです。 0から255の範囲のデジタル値はレジスタに書き込まれ、そこからデコーダに供給されます。 レジスタに保存されている値に応じて、キーの1つがトリガーされ、平均出力Wが線形抵抗マトリックスRsの選択されたポイントに接続されます。 極端なターミナルAとBを接続するには、さらに2つのキーが使用されます。それらの助けを借りて、デバイスは非アクティブモードになります。
結論AとBは可変抵抗の極値端子の類似物であり、Wはエンジンが通常の可変抵抗器に接続される中間端子です。
可能なスイッチング回路も従来の可変抵抗に似ています...
10キロオームの抵抗器の例によって、必要な抵抗がどのように設定されるかを検討してください。 まず、このような抵抗の形成に必要なアセンブリ抵抗器のそれぞれの値を計算しますRs = 10000/256 = 39.06オーム。 端子Wと端子Bの間の抵抗を調整しようとしていると仮定します。ゼロを取得するには、この値を制御レジスタに書き込みますが、目的のゼロの代わりに100オームの抵抗を取得します。 なんで？ 実際には、デバイスの各接点には独自の内部抵抗があり、検討中のケースでは50オームに等しいため、このポテンショメーターを使用して取得できる最小値はゼロではなく、接点WおよびBの抵抗に対して100オームです。単位レジスタは50 + 50 + 39 = 139オームになります。
一般的な場合、レジスタDの値に応じて、WとBの結論の間の抵抗は次の式で計算できます。
ここで：
- D-0から255のレジスタ値
- Rab-公称抵抗
- Rw-1つの接点の抵抗
端子WとAの間の抵抗は次のように計算されると簡単に推測できます。
接続インターフェース。
次に、I2Cインターフェイスを備えたデバイス全体の機能図を検討します。
ここでは、AD0の出力によってのみ発生する質問があります。 1つのI2Cチャネルで2つのポテンショメータを同時に使用できるように設計されています。 論理値が0か1かによって、I2Cバス上のデバイスアドレスが変わります。 1つのバス上の2つの超小型回路の接続図を以下に示します。
I2Cインターフェースに加えて、これらのデバイスを制御するためにSPIインターフェースがよく使用されます。 この場合、同じバス上の複数のデバイスを制御することもできます。 これを行うために、それらはチェーンで結合されます。 たとえば、次のように：
このモードでは、値書き込みのバッファレジスタはシフトレジスタとして機能します。 新しいビットはそれぞれDIN入力に送られ、SCLKでストローブの最下位ビットに書き込まれます。 同時に、上位ビットはSDOピンを介して出力され、チェーン内の次のデバイスに進みます。 すべてのデバイスに情報が記録された後、SYNCゲーティングパルスが受信されます。これにより、チェーン内のすべてのデバイスのレジスタの新しい値がバッファから作業レジスタに上書きされます。 このようなソリューションの明らかな欠点は、単一のデバイスに情報を書き込む方法がないことです。 値の変更については、チェーン全体のレジスタの内容を更新する必要があります。
これらの種類の問題を解決し、最終価格を節約するために、解決策は、同時に2つ、4つ、さらには6つのデジタル抵抗を含む超小型回路によって行われます。
動作電圧と電流
おそらく、最初の開発の最も重大な欠点は、端子に許容される制限された電圧でした。 2.7〜5.5Vの範囲にある可能性のある供給電圧を超えてはならず、最も重要なことは、負の領域に入ることができないため、マイクロ回路の使用はユニポーラ電源のデバイスに限定されていました。 まず、エンジニアは両極性の問題を解決しました。 そのため、最大5.5ボルトのユニポーラ電圧で動作し、最大±2.75 Vのバイポーラ電力モードをサポートできるデバイスが登場しました。 その後、最大電源が±5.5、さらには±16.5のバージョンが登場し始めました（AD5291 / 5292では最大33ボルトのユニポーラ）。 もちろん、このパラメーターでは従来の抵抗が依然として非常に役立ちますが、大部分の回路では33ボルトで十分です。
それでも、デバイスが最大電圧をサポートしている場合でも、許容限度を超えることが可能な場合は、少なくともダイオードまたはサプレッサーによる最も単純な保護を適用する必要があります。
別の深刻な問題は、デジタル抵抗の最大動作電流が低いことです。これは主にサイズが小さいためです。 経時劣化のリスクがなければ、ほとんどのモデルの平均直流電流は3 mAを超えてはなりません。 流れる電流がパルス化されている場合、その最大値は高くなる可能性があります。
正確さのための闘争。 制御されたカオス技術
残念ながら、既存の製造技術では、デジタル抵抗で使用される統合抵抗器の抵抗値が、公称値の最大20パーセントまで変動することがあります。 ただし、1つのバッチ内、さらに1つの特定のデバイス内で、抵抗の差は0.1％を超えません。 設置の精度を上げるために、製造業者は少なくとも各プレートの抵抗器の抵抗を測定し、公称値ではなく、製造中に得られた実際の抵抗を0.01％の精度で各マイクロ回路の不揮発性メモリに書き込み始めました。 このようなメカニズムにより、特に、AD5229 / 5235のマイクロ回路では、抵抗設定の実際の精度を計算できますが、誤差はマルチターンチューニング抵抗器（0.01％）でも達成できません。 これに基づいて、デジタルコードを抵抗にデコードする操作を調整できます。 基本抵抗が100オームであるとします。 次に、抵抗を1Kに設定するには、デジタルレジスタで10に設定しますが、実際のデバイスで抵抗が公称値から上方にずれて110オームに等しい場合、レベル10では1.1Kになります。 しかし、抵抗の実際の値を考慮して、マイクロコントローラーはコードを再計算し、実際には10の代わりにコード9を与えることができ、実際には9 * 110 = 990オームになります。
さらに、ADは1％の精度で特許取得済みの抵抗キャリブレーション技術を備えています。 残念ながら、私は仕事のメカニズムが何であるか情報を見つけることができませんでした。
抵抗設定の離散性を高めるために、1024ビットの調整ステップを提供する10ビットデコーダーを備えたデバイスが開発されました。 このパラメータをさらに大きくするには、定格の異なる2つのデジタル抵抗を直列または並列に接続します。
温度安定性
それはまったく悪くありません。 フィルム製の抵抗を使用すると、35ppm /°C（0.0035％）を超えないドリフトレベルを達成できます。 熱補償付きのデバイスがあり、その温度ドリフトは10ppm /°Cのレベルです。 このパラメータでは、デジタル抵抗は多くのエンジンの同等品よりも優れています。 このパラメーターが関係ないアプリケーションでは、ドリフトが600 ppm /°Cである半導体抵抗器を備えた安価なデバイスを選択できます。
ADIのほとんどのデバイスの動作温度範囲は-40°C〜+ 125°Cの範囲であり、大多数のアプリケーションに十分です。
多数の利用可能な抵抗。
もちろん、従来のスライド抵抗器ほど多様性はありませんが、選択できるものはたくさんあります。 以下の表は、利用可能な抵抗がデバイスのビット深度に依存することを示しています。
信号歪み
デジタル増幅器によって導入される信号の主な歪みは、2つのクラスに分類できます。
- 高調波歪み、または西洋式の全高調波歪み（THD）。
これらの歪みは、印加電圧の増加とともに増加します。 AD9252チップ用にコンパイルされた次の表から、典型的な値のアイデアを得ることができます...
場合によっては、このタイプの歪みは-60 dBに増加する可能性があります
- 周波数応答の非線形性に起因する歪み。
接点パッド、電子キー、および基本抵抗自体には、有限の寄生容量があります。 その結果、デジタル抵抗はローパスフィルターの一種であり、高周波では信号に対する抵抗が増加します。
この効果の効果は、デバイスの抵抗が増加するにつれて増加します。 次の表は、定格の異なる抵抗に対して3デシベルの信号減衰が観測される周波数を示しています。
わかりやすくするために、20キロオームと100キロオームの異なる定格のAD5291チップの設定抵抗レベルに対する信号伝送の依存性のグラフをさらに示します。
したがって、抵抗定格が高いほど、動作周波数が低くなることがわかります。
進化の「チップ」
メーカーは、デバイスでの作業を最も快適にし、さまざまな楽しいものを発明しようとしています。 その結果、デジタル抵抗は、一度だけ繰り返しプログラム可能な内部不揮発性メモリを獲得しました。
主な目的は、初期抵抗値を保存することです。初期抵抗値は、電源がオンになるとすぐに自動的に設定されます。 電子抵抗器の最初のモデルは、中央の位置に電力が印加されたときに取り付けられ、ゼロにリセットするための追加の足が現れ、メモリに記録された値を使用してレベルを設定できました。 最も高度なモデルでは、いくつかのプリセット値をメモリに書き込むことができ、ユーザーはボタンを押すことでそれらの間ですばやく切り替えることができます。
ボタンについて言えば、一部のモデルでは、抵抗の増加/減少のために2つのボタンが追加されました。
さらに、エンコーダーを接続するためのインターフェースが登場しました。
他に何を改善しますか？
デジタル抵抗の生産の進歩がどの方向に発展するか想像できます。
より高い精度を実現するために、スイッチングシステムが変更される場合があります。
たとえば、従来の回路に並列に抵抗を1つ、つまり2つだけ追加します。 上部の肩にもう1つ対称性があります-抵抗設定の精度を2倍にできます！ 1つのハウジングに2つのデバイスを組み合わせることにより、離散性と精度を数倍向上させることができます。
デコーダーを制御する最も単純なマイクロコントローラーのケースへの導入により、得られた抵抗の実際の値に基づいて、0.1％以上の非常に高い精度でデバイスの抵抗を設定するスイッチングプログラムを作成できます。 このようなデバイスに温度センサーを組み込むことにより、非常に広い温度範囲で直線性を維持するための補償を導入できます。 たぶん、HiFi機器の周波数補償抵抗のアナログの出現は、1つのケースではいくつかの抵抗になります。 そのうちの1つは音量レベルの調整に使用され、もう1つは周波数補正に使用されます。
適用分野
この記事の次のパートでは、デジタル抵抗に基づく特定の回路ソリューションを紹介しますが、ここではアプリケーション領域のみを検討します。
もちろん、ゲインを調整できるアンプが最初に思い浮かびます。
設定値の精度が向上した結果、計装アンプのゲインレベルの制御回路に電子抵抗を使用できるようになりました。
液晶ディスプレイのコントラストの自動またはソフトウェア変更は、10キロオームの電子抵抗を使用して調整できます。
デジタル抵抗に基づいて、制御されたフィルタを簡単に実装できます。 高次フィルタには、多くの場合、同じ定格の複数のマスター抵抗器が必要です。 この場合、優れた再現性が得られるため、これは1つのハウジングに複数の抵抗を含む機器で実装するのに非常に便利です。 この図は、最も単純な制御ローパスフィルターの簡略図を示しています。
AD5292に基づいた、比較的高い電源電圧の対数アンプ。
ソフトウェア制御の電圧レギュレータ。
ADIラインナップ
結論として、現在入手可能なアナログデバイスの電子ポテンショメータの完全なリストを提供します。 この会社だけがこのようなデバイスを製造しているわけではないことに注意してください。 たとえば、MAXIMは長期間にわたって優れたチップを製造しています。
まず、ユーザープログラミングをサポートしていないデバイス。
結論として、プログラマブルデバイス。 特定のモデルを選択する場合、一度プログラム可能になり、再プログラミングをサポートするという事実に注意する価値があります。 さらに、多数のサイクルは、EEPROM技術によって作成されたメモリを備えた超小型回路のみを提供します。
これでレビューは終了です。 次の記事では、デジタル抵抗を使用した実用的な回路の検討に専念します。
PS このシリーズの別の記事がすでに公開されており、その中に1つの例しかありませんでしたが、詳細に検討されました。 約束された残りの例については、3番目を書く必要があります。