Анатолій Шитиков

У 5 номері журналу «Компоненти і технології» у статті «Цифрові потенціометри» читач міг познайомитися з приладами аналогічного назви, термінологією, яка використовується при розгляді даного типу приладів, отримати загальні відомості і принципи побудови електронних схем з використанням цифрових потенціометрів. У цій статті будуть представлені деякі додаткові відомості, які можуть допомогти розробникам радіоприладів при використанні цифрових потенціометрів, виготовлених в Dallas Semiconductor (DS).

DS виробляє різноманітні, керовані в цифровій формі, твердотільні потенціометри. Для користувача ці потенціометри, порівняно із звичайними об’ємними потенціометрами, представляють переваги по багатьма характеристиками: надійність, точність, розміри, сучасний спосіб управління від центрального процесора.

Розглянемо подвійний потенціометр для звукозапису DS 1802. Блок схема потенціометра DS 1802 представлена ​​на рис. 1.

Рис. 1. Блок-схема цифрового потенціометра DS 1802

Ці потенціометри мають опір з логарифмічною характеристикою. Весь діапазон в 45 кОм розбитий на 65 позицій з приростом кроку в 1 dB. Для роботи приладу без використання центрального процесора передбачено кнопкове управління. При використанні центрального процесора для позиціонування «щітки» застосовується 3 – проводний послідовний інтерфейс, де параметри налаштування визначає 8-ми розрядне слово. Кожен потенціометр може працювати незалежно або в режимі стерео, коли проводиться єдиний контроль над обома позиціями «щіток». 63 позиції «щіток» знижують рівень сигналу до – 63 dB. У 64 ій позиції відбувається ослаблення сигналу на рівні не менше – 90 dB.

DS 1802 має 4 виводу для управління кнопками. При об’єднанні з керуванням режиму це дозволить отримати 8 функцій управління від кнопок.

Прилади DS 1802 забезпечують високоефективне регулювання рівня гучності і тону звукозапису в багатьох застосуваннях, де використовуються механічні потенціометри, включаючи програвачі компакт дисків, підсилювачі гітари, звукові плати (карти).

Особливістю DS 1802 є здатність великого числа приладів управлятися від одного процесора. Для цього всі прилади з’єднуються в ланцюжок, як показано на рис. 2. Приблизно через 50 наносекунд після подачі керуючого біта на зсувний регістр через вхід D, він з’являється на виході C out. Таким чином, керуючий біт надходить на інформаційний вхід D наступного приладу. При будь-якій кількості з’єднаних приладів довжина керуючого слова залишається рівною 16 розрядам. Для циклічної синхронізації даних у всій ланцюга приладів між виходом C out останнього DS 1802 і входом першого встановлюється резистор зворотного зв’язку величиною 2 – 10 кОм.

Рис. 2. Каскадування декількох приладів DS 1802

Розробники звуковідтворювальної апаратури не достатньо тих даних, які наводяться в технічній документації. Потрібні характеристики, які можна оцінити і порівняти для вибору найкращого в даному застосуванні приладу. Це можуть бути як механічні, так і цифрові потенціометри. Деякі характеристики для здвоєного потенціометра DS 1802 розглянемо в цій статті.

Конфігурація випробувальної схеми

Для оцінки характеристик звуковідтворення потенціометрів DS 1802 була створена схема представлена ​​на рис. 3. Ця схема складається з двох операційних підсилювачів NE5532, включених до неінвертуючому режимі з одиничним коефіцієнтом підсилення. Входи цих буферів з’єднані з кожної «щіткою» DS1802.

Рис. 3. Випробувальна схема для вимірювання характеристик DS 1802

Для мінімізації стороннього шуму на результати вимірювання на всіх входах і виходах використовувався екранований кабель. Всі земляні шини були з’єднані в загальну точку. Джерела живлення були приєднані до землі через шунтуючі ємності 10 μF. Причому, DS 1802 і NE5532 були запитані від окремих джерел живлення.

Зібрану схему встановили всередині металевої коробки щоб забезпечити додатковий захист від випадкового шуму зовнішніх джерел типу комп’ютерних моніторів, ламп і пр. Для вводів і висновків у випробувальному обладнанні використовувалися з’єднувачі байонетного типу.

Для вимірювання характеристик використовувався аудіоаналізатор «Audio Precision – System One A» під керуванням персонального комп’ютера. Цим обладнанням було забезпечено вимірювання повного коефіцієнта гармонік + шум (TDH + N), інтермодуляційні спотворення (IMD), перехресних перешкод, абсолютної похибки і відповідність внутрішніх каналів.

Абсолютна похибка

Абсолютна похибка визначається як різниця між очікуваним напругою і виміряним напругою виходу в даній позиції «щітки». За технічними умовами DS 1802 повинен забезпечити абсолютний допуск ± 0,5 dB у всьому діапазоні позиціонування «щітки». Випробувалося 5 приладів. У будь-якій точці позиціонування «щіток» абсолютна похибка в цих випробуваннях не перевищила – 0,2 dB, що добре узгоджується з межами, зазначеними в документації.

Міжканальний відповідність

У DS 1802 є два потенціометра. Міжканальний відповідність визначається як різниця між однаковими позиціями «щітки» потенціометра 0 і потенціометра 1. Наприклад, «щітка» на позиції 15 потенціометра 0 і потенціометра 1 повинна давати свідчення сигналу, який за специфікацією на DS 1802 не повинен бути більше ± 0, 25 dB. Вимірювання показали, що міжканальний відповідність знаходиться в межах ± 0,05 dB, що є гарним підтвердженням меж за специфікацією.

Повний коефіцієнт гармонік + шум.

Повний коефіцієнт гармонік + шум (THD + N) як функція частоти представлений на рис. 4, 5, 6. На рис. 4 показаний результат для сигналу, обмеженого смугою 80 КБЦ, що не має додаткової фільтрації. На рис. 5 представлений результат для сигналу, обмеженого смугою 30 КБЦ, і включають складову від А – вагового фільтра. На рис. 6 показаний результат для вхідного сигналу, обмеженого смугою 22 КБЦ і включає складову від А – вагового фільтра. Результати отримані при 5-ти вольтовому джерелі живлення, вхідному сигналі 1 Вольт (середньоквадратичне значення) і при «щітці», встановленої в 6-ій позиції (-6 dB ослаблення). Установка «щітки» в позицію 6 передбачає найгірший результат перевірки% THD + N.

Рис. 4. Залежність THD + N від частоти при обмеженні смуги 80 кГц

Рис. 5. Залежність THD + N від частоти при обмеженні смуги на 30 кГц

Рис. 6. Залежність THD + N від частоти при обмеженні смуги на 22 кГц

А – ваговий фільтр є специфічним шумом фільтра навантаження, використовуваний для отримання шуму, який погоджується з відчуттями людини в діапазоні звукової частоти (див. матеріали Американського національного інституту стандартів ANSI S 1.4 і рекомендацію 179 Міжнародної електротехнічної комісії IEC).

Інтермодуляційні викривлення (IMD)

Для отримання результатів вимірювання інтермодуляційних спотворень можуть використовуватися різні методики. Так стандарт SMPTE (суспільство інженерів кіно і телебачення) передбачає випробувальний сигнал з двох гармонійних коливань: один тон низькочастотний, високої амплітуди лінійно об’єднується з високочастотним гармонійним коливанням в ¼ амплітуди низькочастотного струму. При подачі випробувального 2х-тонального сигналу (низькочастотного на 60 Гц і високочастотного на 7 кГц) на нелінійний прилад з’являються продукти взаємної модуляції., Як бічні смуги близько високочастотного тону. Процентний вміст інтермодуляционних спотворень визначається як відсоток від модуляції амплітуди, представленої другим і третім порядком пари бічних смуг високочастотного сигналу. Другий порядок бічних смуг близько високочастотного тону розташовується на частоті Fh ± Fl. Третій порядок бічних смуг розташовується на подвійній низькочастотному тоні Fh ± 2Fl. (Fh і Fl – відповідають високо-і низькочастотних тону, відповідно).

Результати інтермодуляционних спотворень за стандартом SMPTE представлені на рис. 7.

Рис. 7. Залежність інтермодуляционних спотворень від амплітуди (за SMPTE)

Перехресні перешкоди

Для вимірювання перехресних перешкод на потенціометр 0 з прецизійного аудіоаналізатора подавався тестовий сигнал. Зі «щітки» потенціометра 0 знімається сигнал надходив на вхід каналу А аудіоаналізатора. «Щітка» потенціометра 1 була підключена до входу каналу У аудіоаналізатора. Замір проводився у двох режимах. Перший – термінали H1 і L1 потенціометра 1 залишалися відкритими. Другий – термінали H1 і L1 заземлюють. Таким чином, потенціометр 1, насамперед його «щітка» використовується як точка порівняння проникнення сигналу з одного потенціометра (0) в інший (1). Порівняння вхідних сигналів аудіоаналізатора по каналу А і каналу В дає рівень перехресних перешкод. Графічні дані вимірів обох режимів представлені на рис. 8.

Рис. 8. Величина перехресних перешкод залежно від частоти

Як видно з діаграм всі характеристики, зазначені у статті істотно нижче зазначених у технічних даних на DS 1802. Хоча тут повідомляється не вичерпні дані по цифровому потенціометра, є надія, що представлена ​​інформація саме та, яка необхідна розробникам аудіоапаратури.

Висновок

Велика розмаїтість випускаються DS цифрових потенціометрів дає можливість розробникам різної радіоапаратури використовувати ті цифрові потенціометри, які повністю відповідають вимогам на виріб. Крім показаного потенціометра DS 1802 (аналогічні характеристики у DS 1801), ось невелика частина цифрових потенціометрів та їх особливості.

DS 1666 – цифровий резистор для звуковідтворення. Має логарифмічну шкалу і 128 точок позиціонування. Аналоговий сигнал може мати значення ± 5В. цифрове управління – від 5В. Значення опорів резистивної матриці може бути 10кОм, 50кОм, 100кОм.

DS 1667 – здвоєний цифровий потенціометр і два операційних підсилювача. Кожен потенціометр формується з 256 елементів, і від кожного є точка відводу на «щітку». «Щітки» встановлюються 8ми-розрядним регістром управління. Дані в регістр надходять по 3х-проводовому послідовному інтерфейсу. Крім того, резистори можуть складатися, що дає можливість отримувати єдиний потенціометр на 512 елементів. Широкосмугові операційні підсилювачі можуть працювати як в інвертуючому, так і не-інвертуючому режимі. У цілому DS 1667 може використовуватися в цифро – аналогових або аналого – цифрових перетворювачах.

DS 1804 – енергонезалежний цифровий потенціометр – тріммер, який має 100 позиційних відводів. Прилад забезпечує ідеальний метод для підстроювання в дешевих застосуваннях, де використовується мікроконтролер або ручне введення управління з мінімальною зовнішньої схемою. Позиція «щіток» може зберігатися в пам’яті СППЗУ, а зміна даних проводиться через 3х-дротовий послідовний інтерфейс. Прилад працює від джерела живлення 3В або 5В в індустріальному температурному класі.

DS 1807 – здвоєний цифровий потенціометр на 64 позиції кожен, з логарифмічною характеристикою опорів для регулювання звуку. Працює з двопровідним послідовним інтерфейсом. Можлива адресація до восьми приладів DS 1807. Програмно можна об’єднати два потенціометра в один.

DS 1845 – два лінійних потенціометра і 256 байт ЕСППЗУ. Працює з двопровідним інтерфейсом. Користувач конфігурує подвійні 100-позиційні або 256-позиційні калібрування і завантажує ці дані в ЕСППЗУ. DS 1845 оптимізовані для гігабітних модулів приймально-передавачів, де потенціометри використовуються для управління зсувом і плином модуляції в лазерному діоді. Один DS 1845 замінює безліч елементів, зменшуючи вартість і розміри виробу, а також дозволяє автоматизувати процес калібрування.

DS 1847 і DS 1848 – температурно-компенсовані подвійні змінні резистори. Перед встановленням приладу при певній температурі визначається опір і дані завантажуються в ЕСППЗУ. Під час роботи DS 1847 (-8) безперервно вимірює температуру і, використовуючи калібровану таблицю в ЕСППЗУ, регулює опір автоматично. Всі термічні дані і управляючі інструкції передаються по двопровідному інтерфейсу. Прилади працюють від напруги 3В або 5В в діапазоні температур від -40 ° С до +95 ° С. DS 1847 (-8) використовуються в оптичних приймально-передавачах в гігабітному Ethernet, волоконному каналі, додатках SONET. Повністю усувається потреба у зовнішній температурної компенсації чи ручного компенсації. У потенціометра DS 1848 є додатково 128 байт ЕСППУ загального призначення.

Випускається і безліч інших потенціометрів, які не згадуються в цій статті. Dallas Semiconductor продовжує розробку і випуск цифрових потенціометрів з новими можливостями і різними характеристиками для різноманітних застосувань.

За матеріалами компанії Maxim – Dallas Semiconductor.

Джерело: rtcs.ru