พื้นฐานของเครื่องดิจิตอลโพเทนชิโอมีเตอร์และวิธีการใช้งาน

นักออกแบบใช้โพเทนชิโอมิเตอร์แบบกลมานานหลายทศวรรษในการใช้งานตั้งแต่การตัดวงจรไปจนถึงการควบคุมระดับเสียง อย่างไรก็ตาม มีข้อจำกัด: ไวเปอร์อาจเสื่อมสภาพ ไวต่อความชื้น และอาจเคลื่อนออกจากตำแหน่งที่ตั้งไว้โดยไม่ได้ตั้งใจ นอกจากนี้ ในขณะที่โลกเปลี่ยนไปสู่ยุคดิจิตอล นักออกแบบจำเป็นต้องมีทางเลือกอื่นเพื่อตอบสนองความต้องการเพื่อการควบคุมที่แม่นยำและความน่าเชื่อถือที่สูงยิ่งขึ้น พร้อมด้วยความยืดหยุ่นในการปรับค่าจากระยะไกลผ่านเฟิร์มแวร์

IC โพเทนชิโอมิเตอร์แบบดิจิตอล มักเรียกว่าดิจิพอต แก้ไขปัญหาเหล่านี้โดยการเชื่อมโยงโดเมนดิจิตอลและโลกของตัวต้านทานแบบอะนาล็อก เนื่องจากเป็นส่วนประกอบอิเล็กทรอนิกส์ทั้งหมดที่เข้ากันได้กับไมโครคอนโทรลเลอร์ ดิจิพอตช่วยให้โปรเซสเซอร์และซอฟต์แวร์ควบคุม ตั้งค่า และเปลี่ยนแปลงค่าความต้านทานหรืออัตราส่วนตัวแบ่งแรงดันไฟฟ้า

มีคุณสมบัติและฟังก์ชันที่อุปกรณ์กลไกไม่สามารถให้ได้ และมีความทนทานและเชื่อถือได้มากกว่าเนื่องจากไม่มีไวเปอร์ที่เคลื่อนที่ได้ ไม่สามารถจงใจปรับแต่งหรือปรับเปลี่ยนโดยไม่ตั้งใจได้ เพื่อหลีกเลี่ยงการเปลี่ยนแปลงประสิทธิภาพที่อธิบายไม่ได้ การประยุกต์ใช้งานได้แก่ LED เสถียรภาพทางความร้อน, การหรี่ไฟ LED, การควบคุมอัตราขยายแบบวงปิด, การปรับระดับเสียง, การปรับเทียบและตัดสะพานวีทสโตนสำหรับเซ็นเซอร์ การควบคุมแหล่งกำเนิดกระแส และการปรับแต่งตัวกรองอะนาล็อกที่ตั้งโปรแกรมได้ เพื่อเป็นข้อมูลอ้างอิงบางส่วน

บทความนี้จะให้ข้อมูลเบื้องต้นเกี่ยวกับโพเทนชิโอมิเตอร์และวิวัฒนาการของพวกมันไปสู่ดิจิพอต จากนั้นจะใช้ส่วนประกอบจาก Analog Devices, Maxim Integrated, Microchip Technology, และTexas Instruments เพื่ออธิบายการทำงานของดิจิพอต การกำหนดค่าขั้นพื้นฐานและขั้นสูง และวิธีการจัดการกับข้อกำหนดในการปรับวงจร โดยจะแสดงให้เห็นว่าฟังก์ชัน คุณลักษณะ ความสามารถ และตัวเลือกต่างๆ สามารถใช้เพื่อลดความซับซ้อนของวงจร ทำให้วงจรประมวลผลเข้ากันได้ และลดหรือขจัดความจำเป็นในการใช้โพเทนชิโอมิเตอร์เชิงกลที่เทอะทะและเชื่อถือได้น้อยกว่า

เริ่มต้นด้วยพื้นฐานของโพเทนชิโอมิเตอร์

โพเทนชิโอมิเตอร์เป็นส่วนประกอบวงจรพาสซีฟที่สำคัญตั้งแต่ยุคแรกสุดของการผลิตไฟฟ้าและอิเล็กทรอนิกส์ เป็นอุปกรณ์สามขั้วต่อที่มีส่วนประกอบตัวต้านทานที่สามารถเข้าถึงได้ โดยมีฟังก์ชันตัวแบ่งแรงดันไฟฟ้าผ่านไวเปอร์ที่ผู้ใช้ตั้งค่าได้บนเพลาหมุน มันถูกใช้ในวงจรอะนาล็อกและสัญญาณผสมจำนวนนับไม่ถ้วนเพื่อตอบสนองความต้องการการใช้งานที่หลากหลาย (รูปที่ 1)

รูปที่ 1: โพเทนชิโอมิเตอร์มาตรฐานคือตัวต้านทานผันแปรที่ผู้ใช้ตั้งค่าได้พร้อมเพลาหมุน (แหล่งรูปภาพ: etechnog.com)

ความต้านทานที่เห็นได้จากวงจรระหว่างหน้าสัมผัสปลายด้านใดด้านหนึ่งและไวเปอร์แบบปรับได้จะแตกต่างกันไปตั้งแต่ศูนย์โอห์ม (ระบุ) จนถึงพิกัดเต็มของความต้านทานของลวดหรือฟิล์มเมื่อไวเปอร์หมุนและเลื่อนไปตามส่วนประกอบของตัวต้านทาน โพเทนชิโอมิเตอร์ส่วนใหญ่มีช่วงการหมุนประมาณ 270 ถึง 300 องศา โดยมีความละเอียดเชิงกลทั่วไปและความสามารถในการทำซ้ำประมาณ 0.5% และ 1% ของค่าเต็มสเกล (ระหว่างหนึ่งใน 200 และ 100 ตามลำดับ)

โปรดทราบว่ามีความแตกต่างเล็กน้อยแต่ชัดเจนและสำคัญระหว่างโพเทนชิโอมิเตอร์กับรีโอสแตตรุ่นน้อง โพเทนชิโอมิเตอร์เป็นอุปกรณ์สามขั้วที่ทำหน้าที่เป็นตัวแบ่งแรงดันไฟฟ้า (รูปที่ 2 ซ้าย) ในขณะที่ลิโน่สแตทเป็นความต้านทานแบบปรับได้สองขั้วซึ่งควบคุมการไหลของกระแส โพเทนชิโอมิเตอร์มักถูกต่อสายเพื่อสร้างลิโน่ซึ่งสามารถทำได้ด้วยวิธีใดวิธีหนึ่งจากสามวิธีที่คล้ายกัน โดยการปล่อยให้เทอร์มินัลปลายไม่ได้เชื่อมต่อหรือเชื่อมต่อโดยตรงกับไวเปอร์ (รูปที่ 2 ขวา)

รูปที่ 2: โพเทนชิโอมิเตอร์ที่มีขั้วต่อปลาย A และ B และไวเปอร์ W (ซ้าย) สามารถใช้เป็นรีโอสแตตได้อย่างง่ายดายด้วยวิธีการเชื่อมต่อแบบใดแบบหนึ่งจากสามแบบ (ขวา) (แหล่งที่มาภาพ: Analog Devices)

Digipots: โพเทนชิโอมิเตอร์ในรูปแบบ IC

โพเทนชิโอมิเตอร์ดิจิตอลแบบอิเล็กทรอนิกส์ทั้งหมดจำลองการทำงานของโพเทนชิโอมิเตอร์ระบบเครื่องกลไฟฟ้า แต่ทำได้โดยใช้ IC โดยไม่มีชิ้นส่วนที่เคลื่อนไหว ยอมรับรหัสดิจิตอลในรูปแบบใดรูปแบบหนึ่งและสร้างค่าความต้านทานที่สอดคล้องกัน ด้วยเหตุนี้ บางครั้งจึงเรียกว่าตัวแปลงดิจิตอลเป็นอนาล็อกแบบต้านทาน (RDAC)

ในโพเทนชิโอมิเตอร์แบบดั้งเดิม มือ (หรือบางครั้งอาจเป็นมอเตอร์ขนาดเล็ก) จะกำหนดตำแหน่งไวเปอร์และทำให้อัตราส่วนตัวแบ่งแรงดันไฟฟ้า อย่างไรก็ตาม ในดิจิพอต ตัวควบคุมคอมพิวเตอร์จะเชื่อมต่อกับดิจิพอตไอซีผ่านอินเตอร์เฟสดิจิตอล และกำหนดค่าที่เทียบเท่ากับตำแหน่งไวเปอร์ (รูปที่ 3)

รูปที่ 3: Digipot IC แทนที่การตั้งค่าด้วยตนเองของไวเปอร์โพเทนชิโอมิเตอร์ด้วยสวิตช์อิเล็กทรอนิกส์ที่ตั้งค่าแบบดิจิตอลซึ่งจำลองไวเปอร์เชิงกล (แหล่งรูปภาพ: Circuits101, แก้ไขแล้ว)

Digipot ใช้เทคโนโลยี CMOS IC มาตรฐาน และไม่จำเป็นต้องมีการประดิษฐ์หรือการจัดการเป็นพิเศษ ขนาดของ Digipot IC ที่ติดตั้งบนพื้นผิว โดยทั่วไปคือ 3 x 3 มิลลิเมตร (มม.) หรือน้อยกว่านั้นมีขนาดเล็กกว่าโพเทนชิโอมิเตอร์แบบปรับด้วยปุ่มหรือแม้แต่โพเทนชิโอมิเตอร์แบบทริมเมอร์ (ทริมพอต) ที่ปรับด้วยไขควงขนาดเล็ก และมีการจัดการเหมือนกับพื้นผิวอื่นๆ เทคโนโลยีเมาท์ (SMT) IC ที่เกี่ยวข้องกับการผลิตบอร์ดพีซี

โดยหลักการแล้ว โทโพโลยีภายในของดิจิพอตประกอบด้วยชุดตัวต้านทานอนุกรมแบบธรรมดาพร้อมสวิตช์อิเล็กทรอนิกส์ที่ระบุตำแหน่งได้แบบดิจิตอลระหว่างไวเปอร์และตัวต้านทานเหล่านี้ ด้วยการใช้คำสั่งดิจิตอล สวิตช์ที่เหมาะสมจะเปิดขึ้นในขณะที่สวิตช์อื่นๆ ปิดอยู่ ดังนั้นจึงกำหนดตำแหน่งไวเปอร์ที่ต้องการ ในทางปฏิบัติ โทโพโลยีนี้มีข้อเสียบางประการ รวมถึงต้องใช้ตัวต้านทานและสวิตช์จำนวนมาก และขนาดแม่พิมพ์ที่ใหญ่ขึ้น

เพื่อลดข้อกังวลเหล่านี้ ผู้จำหน่ายได้คิดค้นตัวต้านทานทางเลือกที่ชาญฉลาดและการจัดสวิตช์ซึ่งจะลดจำนวนลงแต่ก็ให้ผลเช่นเดียวกัน แต่ละโทโพโลยีเหล่านี้ส่งผลให้เกิดความแตกต่างเล็กน้อยในการจัดระยะดิจิพอตและคุณลักษณะระดับที่สอง แต่ส่วนใหญ่โปร่งใสต่อผู้ใช้ สำหรับส่วนที่เหลือของบทความนี้ เราจะใช้คำว่าโพเทนชิโอมิเตอร์สำหรับอุปกรณ์เครื่องกลไฟฟ้าและดิจิพอตสำหรับอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ทั้งหมด

ดิจิพอต นำเสนอข้อมูลจำเพาะและคุณสมบัติที่หลากหลาย

เช่นเดียวกับส่วนประกอบอื่นๆ มีพารามิเตอร์ระดับบนสุดและพารามิเตอร์รองที่ต้องพิจารณา สำหรับการเลือกดิจิพอต ปัญหาอันดับต้นๆ ได้แก่ ค่าความต้านทานที่ระบุ ความละเอียด และประเภทของอินเตอร์เฟสดิจิตอล ในขณะที่ข้อควรพิจารณาได้แก่ พิกัดความเผื่อและแหล่งที่มาของข้อผิดพลาด ช่วงแรงดันไฟฟ้า แบนด์วิธ และการบิดเบือน

• ค่าความต้านทานที่จำเป็น ซึ่งมักเรียกว่าความต้านทานจากต้นทางถึงปลายทาง ถูกกำหนดโดยการพิจารณาการออกแบบของวงจร ผู้จำหน่ายเสนอความต้านทานระหว่าง 5 กิโลโอห์ม (kΩ) ถึง 100 kΩ ในลำดับ 1/2/5 พร้อมด้วยค่ากลางอื่นๆ นอกจากนี้ยังมีหน่วยขยายช่วงที่ต่ำถึง 1 kΩ และสูงถึง 1 เมกะโอห์ม (MΩ)

• ความละเอียดจะกำหนดจำนวนขั้นตอนหรือการตั้งค่าการแทปแยกที่ดิจิพอตนำเสนอ ตั้งแต่ 32 ถึง 1,024 ขั้นตอน เพื่อให้ผู้ออกแบบสามารถตอบสนองความต้องการของการใช้งานได้ โปรดทราบว่าแม้แต่ดิจิพอตระดับกลาง 256 สเต็ป (8 บิต) ก็มีความละเอียดสูงกว่าโพเทนชิโอมิเตอร์

• อินเตอร์เฟสดิจิตอลระหว่างไมโครคอนโทรลเลอร์และดิจิพอตมีอยู่ใน SPI แบบอนุกรมมาตรฐาน และรูปแบบ I ²C พร้อมด้วยพินที่อยู่เพื่อให้สามารถเชื่อมต่ออุปกรณ์หลายเครื่องผ่านบัสเดียว ไมโครคอนโทรลเลอร์ใช้รูปแบบการเข้ารหัสข้อมูลอย่างง่ายเพื่อระบุการตั้งค่าความต้านทานที่ต้องการ ดิจิพอตที่เรียบง่ายอย่าง Texas InstrumentsTPL0501 ดิจิพอต 256 แทป พร้อมอินเตอร์เฟส SPI เหมาะอย่างยิ่งในกรณีที่การกระจายพลังงานและขนาดมีความสำคัญ (รูปที่ 4) มีจำหน่ายในแพ็คเกจ 8 พิน SOT-23 (1.50 mm × 1.50 mm) และแพ็คเกจ UQFN 8 พิน (1.63 mm × 2.90 mm)

รูปที่ 4: ดิจิพอตพื้นฐาน เช่น TPL0501 จาก Texas Instruments ที่มีอินเตอร์เฟส SPI เป็นส่วนประกอบที่มีประสิทธิภาพสำหรับการใช้งานที่มีพื้นที่และพลังงานจำกัดซึ่งไม่ต้องการคุณสมบัติเพิ่มเติม (แหล่งที่มาภาพ: Texas Instruments)

ตัวอย่างการใช้งานอย่างหนึ่งคือการใช้ในอุปกรณ์ทางการแพทย์ที่สวมใส่ได้เกรดคลินิก เช่น เครื่องวัดออกซิเจนและแผ่นเซ็นเซอร์ โดยจะจับคู่กับอุปกรณ์ออปแอมป์ OPA320 ของ TI (รูปที่ 5) การผสมผสานนี้จะสร้างตัวแบ่งแรงดันไฟฟ้าเพื่อควบคุมอัตราขยายของแอมพลิฟายเออร์ซึ่งจ่ายเอาต์พุตตัวแปลงดิจิตอลเป็นอะนาล็อก (DAC) คำถามที่ชัดเจนคือทำไมจึงไม่ใช้ DAC ครบมาตรฐานเพียงอย่างเดียว เหตุผลก็คือ การใช้งานทางคลินิกนี้ต้องการเอาต์พุตอะนาล็อกแบบรางต่อรางที่มีความแม่นยำ โดยมีอัตราส่วนการปฏิเสธโหมดทั่วไป (CMRR) สูง และมีเสียงรบกวนต่ำ โดยระบุ OPA320 ที่ 114 เดซิเบล (dB) และ 7 นาโนโวลต์ต่อ รูตเฮิรตซ์ (nV/√Hz) ที่ 10 กิโลเฮิรตซ์ (kHz) ตามลำดับ

รูปที่ 5: Digipot สามารถจับคู่กับออปแอมป์ที่มีความแม่นยำ เช่น OPA320 ของ TI เพื่อสร้าง DAC ที่มีประสิทธิภาพออปแอมป์เอาท์พุตที่เหนือกว่า (แหล่งที่มาภาพ: Texas Instruments)

นอกจากนี้ ยังมีอินเตอร์เฟสดิจิพอตหลากหลายรูปแบบที่ทำให้การใช้งานในรูปแบบต่างๆ ง่ายขึ้น เช่น การควบคุมระดับเสียงที่ผู้ใช้ดำเนินการ อีกสองตัวเลือกคืออินเตอร์เฟส ปุ่มกด และ ขึ้น/ลง (U/D) ด้วยอินเตอร์เฟสปุ่มกด ผู้ใช้จะกดปุ่มใดปุ่มหนึ่งจากสองปุ่มที่มีอยู่: ปุ่มหนึ่งเพื่อเพิ่มจำนวนความต้านทาน และอีกปุ่มหนึ่งเพื่อลดจำนวน โปรดทราบว่าไม่มีโปรเซสเซอร์ที่เกี่ยวข้องกับการดำเนินการนี้ (รูปที่ 6)

รูปที่ 6: อินเตอร์เฟสปุ่มกดช่วยให้สามารถเชื่อมต่อโดยไม่ต้องใช้โปรเซสเซอร์ระหว่างปุ่มกดที่ผู้ใช้ควบคุม 2 ปุ่ม ซึ่งนำไปสู่การเพิ่ม/ลดการตั้งค่าดิจิพอตโดยตรง (แหล่งที่มาภาพ: Analog Devices)

อินเตอร์เฟส U/D สามารถใช้งานได้โดยมีค่าใช้จ่ายด้านซอฟต์แวร์น้อยที่สุด และถูกทริกเกอร์ผ่านตัวเข้ารหัสแบบโรตารีหรือปุ่มกดที่เชื่อมต่อกับโปรเซสเซอร์ และใช้งานโดยใช้ดิจิพอต เช่น เทคโนโลยี MCP4011 ของ Microchip Technology ซึ่งเป็นอุปกรณ์พื้นฐาน 64 สเต็ป (6 บิต) ที่มีค่าความต้านทาน 2.1 kW, 5 kW, 10 kW และ 50 kW (รูปที่ 7)

รูปที่ 7: ดิจิพอต เช่น MCP4011 จาก Microchip Technology ที่มีสายควบคุม U/D ที่ขับเคลื่อนด้วย Edge และการเลือกชิป ต้องใช้ I/O และทรัพยากรซอฟต์แวร์น้อยที่สุดจากไมโครคอนโทรลเลอร์ของโฮสต์ (แหล่งรูปภาพ: Microchip Technology แก้ไข)

ใช้ทริกเกอร์ขอบสูงหรือต่ำเพียงตัวเดียว บวกกับการเลือกชิปเพื่อเพิ่มหรือลดการเพิ่มความต้านทาน (รูปที่ 8) ช่วยให้ใช้งานลูกบิดที่ดูเหมือนและให้ความรู้สึกเหมือนการควบคุมระดับเสียงแบบเดิมๆ ได้อย่างง่ายดาย โดยไม่มีปัญหาที่เกี่ยวข้องกับโพเทนชิโอมิเตอร์ แต่ยังได้รับประโยชน์จากดิจิพอตอีกด้วย

รูปที่ 8: อินเตอร์เฟส U/D ของดิจิพอตรองรับการเพิ่มและลดค่าความต้านทานโดยใช้ทริกเกอร์จากตัวเข้ารหัสความละเอียดต่ำ (แหล่งที่มาภาพ: Microchip Technology)

ความคลาดเคลื่อนของดิจิพอตอาจเป็นปัญหา เนื่องจากโดยทั่วไปจะอยู่ระหว่าง ±10 ถึง ±20% ของค่าที่ระบุ ซึ่งยอมรับได้ในกรณีอัตราส่วนเมตริกหรือวงปิดหลายกรณี อย่างไรก็ตาม อาจเป็นพารามิเตอร์ที่สำคัญได้หากดิจิพอตถูกจับคู่กับตัวต้านทานแบบแยกภายนอกหรือเซ็นเซอร์ในการใช้งานแบบวงเปิด ด้วยเหตุนี้ จึงมีดิจิพอตมาตรฐานที่มีพิกัดความเผื่อที่เข้มงวดมากขึ้น ต่ำถึง ±1% แน่นอนว่า เช่นเดียวกับ IC ทั้งหมด ค่าสัมประสิทธิ์อุณหภูมิของความต้านทานและการดริฟท์ที่เกี่ยวข้องกับอุณหภูมิที่เกี่ยวข้องก็สามารถเป็นปัจจัยได้เช่นกัน ผู้จำหน่ายระบุตัวเลขนี้ในเอกสารข้อมูลเพื่อให้นักออกแบบสามารถประเมินผลกระทบผ่านแบบจำลองวงจร เช่น Spice มีตัวเลือกพิกัดความเผื่อที่เข้มงวดอื่นๆ ให้เลือกใช้งาน โดยมีรายละเอียดอธิบายไว้ด้านล่าง

แม้ว่าจะไม่มีปัญหาในการใช้งานแบบคงที่ เช่น การปรับเทียบหรือการตั้งค่าจุดไบอัส แบนด์วิธและการบิดเบือนยังเป็นปัญหาในออดิโอและการใช้งานอื่นๆ ที่เกี่ยวข้อง เส้นทางความต้านทานของรหัสเฉพาะ รวมกับปรสิตของสวิตช์ พิน และความจุของบอร์ด จะสร้างตัวกรองความถี่ต่ำผ่านตัวต้านทาน-ตัวเก็บประจุ (RC) ค่าตัวต้านทานจากต้นทางถึงปลายทางที่ต่ำกว่าจะให้แบนด์วิธที่สูงกว่า โดยมีแบนด์วิดท์สูงถึงประมาณ 5 เมกะเฮิรตซ์ (MHz) สำหรับดิจิพอต 1 kΩ และลดลงเหลือ 5 kHz สำหรับหน่วย 1 MΩ

ในทางตรงกันข้าม ความบิดเบือนฮาร์มอนิกรวม (THD) ส่วนใหญ่เกิดจากการไม่เป็นเชิงเส้นของความต้านทานที่ระดับสัญญาณที่ใช้ต่างกัน ดิจิพอตที่มีความต้านทานแบบ end-to-end ที่สูงกว่าจะช่วยลดการมีส่วนร่วมของความต้านทานสวิตช์ภายในเมื่อเทียบกับความต้านทานรวม ส่งผลให้ THD ต่ำลง ดังนั้น แบนด์วิดท์กับ THD จึงเป็นข้อแลกเปลี่ยนที่นักออกแบบต้องจัดลำดับความสำคัญและชั่งน้ำหนักเมื่อเลือกค่าดิจิพอตที่ระบุ ค่าทั่วไปมีตั้งแต่ -93 dB สำหรับดิจิพอต 20 kΩ ไปจนถึง -105 dB สำหรับหน่วย 100 kΩ

รูปแบบดิจิพอตแบบ Dual, Quad และ Linear เทียบกับลอการิทึม

นอกเหนือจากความสามารถในการควบคุมแบบ "แฮนด์ออฟ" แล้ว ดิจิพอตยังให้ความเรียบง่ายเพิ่มเติม ออกแบบได้ง่าย และมีราคาต่ำกว่าโพเทนชิโอมิเตอร์มาก รวมไปถึงความสามารถอื่นๆ:

• ดิจิพอตแบบคู่มีประโยชน์เมื่อต้องปรับความต้านทานสองตัวแยกจากกัน แต่จะมีประโยชน์อย่างยิ่งเมื่อต้องมีค่าเท่ากัน ในขณะที่สามารถใช้ IC ดิจิพอตแยกกันสองตัวได้ อุปกรณ์คู่จะเพิ่มประโยชน์ของการติดตามค่าความต้านทานแม้จะมีค่าความคลาดเคลื่อนและการดริฟท์ก็ตาม นอกจากนี้ยังมีอุปกรณ์รูปสี่เหลี่ยมอีกด้วย

• การตั้งค่าเชิงเส้นเทียบกับลอการิทึม (บันทึก): แม้ว่าการใช้งานทริมและปรับเทียบมักจะต้องการความสัมพันธ์เชิงเส้นตรงระหว่างรหัสดิจิตอลและความต้านทานผลลัพธ์ การใช้งานออดิโอจำนวนมากจะได้รับประโยชน์จากความสัมพันธ์แบบลอการิทึมเพื่อให้พอดีกับสเกลเดซิเบลที่จำเป็นในสถานการณ์เสียงได้ดีขึ้น

เพื่อตอบสนองความต้องการนี้ นักออกแบบสามารถใช้ดิจิพอตลอการิทึม เช่น DS1881E-050+ จาก Maxim Integrated Products อุปกรณ์สองช่องทางนี้ทำงานจากแหล่งจ่ายไฟ 5 โวลต์เดียว มีความต้านทาน 45 kΩ จากต้นทางถึงปลายทาง และมีคุณสมบัติอินเตอร์เฟส I²C พร้อมพินที่อยู่เพื่ออนุญาตให้มีอุปกรณ์สูงสุดแปดตัวบนบัส ค่าความต้านทานของแต่ละช่องสัญญาณสามารถตั้งค่าแยกกันได้ และมีการตั้งค่าการกำหนดค่าที่ผู้ใช้เลือกได้หลายแบบ การกำหนดค่าพื้นฐานมี 63 ขั้นตอนพร้อมการลดทอน 1 dB ต่อขั้นตอน ตั้งแต่ 0 dB ถึง -62 dB พร้อมการปิดเสียง (รูปที่ 9)

รูปที่ 9: Digipot สองช่องสัญญาณ DS1881E-050+ ของ Maxim ได้รับการออกแบบมาสำหรับเส้นทางสัญญาณเสียง โดยให้การตั้งค่าเกน 1 dB/ขั้นในช่วง 63 dB (แหล่งรูปภาพ: Maxim Integrated Products)

DS1881E-050+ ได้รับการออกแบบมาเพื่อลดสัญญาณรบกวนข้าม และทั้งสองช่องสัญญาณมีการจับคู่ช่องต่อช่องสัญญาณ 0.5 dB เพื่อลดความแตกต่างของระดับเสียงระหว่างช่องสัญญาณทั้งสอง อุปกรณ์ยังใช้การสลับตัวต้านทานแบบข้ามศูนย์เพื่อป้องกันการคลิกด้วยเสียงและรวมถึงหน่วยความจำแบบไม่ลบเลือน ยูทิลิตี้ทั่วไปซึ่งจะกล่าวถึงด้านล่าง

แรงดันไฟฟ้าสูงสุดที่ดิจิพอตสามารถรองรับได้ก็เป็นสิ่งที่ต้องพิจารณาเช่นกัน ดิจิพอตแรงดันต่ำสามารถใช้งานได้กับรางที่ต่ำถึง +2.5 โวลต์ (หรือ ±2.5 โวลต์พร้อมแหล่งจ่ายไฟแบบไบโพลาร์) ในขณะที่แรงดันไฟฟ้าสูงกว่า เช่น เทคโนโลยีไมโครชิปMCP41HV31 —อุปกรณ์อินเตอร์เฟส SPI 50 kΩ, 128 tap—สามารถทำงานกับรางสูงสุด 36 โวลต์ (±18 โวลต์)

หน่วยความจำแบบไม่ลบเลือนช่วยในการรีเซ็ตพลังงาน

ดิจิพอตพื้นฐานมีคุณสมบัติหลายประการ แต่มีจุดอ่อนที่หลีกเลี่ยงไม่ได้เมื่อเปรียบเทียบกับโพเทนชิโอมิเตอร์ นั่นคือ พวกมันสูญเสียการตั้งค่าหลังจากถอดพลังงานออก และตำแหน่งการรีเซ็ตการเปิดเครื่อง (POR) ถูกกำหนดโดยการออกแบบ ซึ่งโดยปกติจะอยู่ที่ช่วงกลาง น่าเสียดายที่สำหรับหลายรูปแบบการใช้งาน การตั้งค่า POR นั้นไม่สามารถยอมรับได้ พิจารณาการตั้งค่าการปรับเทียบ: เมื่อตั้งค่าแล้ว ควรคงไว้จนกว่าจะมีการปรับเปลี่ยนโดยเจตนา แม้จะถอดสายไฟหรือเปลี่ยนแบตเตอรี่ออกแล้วก็ตาม นอกจากนี้ ในหลายรูปแบบการใช้งาน การตั้งค่า "ถูกต้อง" คือการตั้งค่าที่ใช้ครั้งล่าสุดเมื่อถอดปลั๊กออก

ดังนั้นเหตุผลหนึ่งที่เหลืออยู่ในการคงอยู่กับโพเทนชิโอมิเตอร์ก็คือพวกมันไม่ได้สูญเสียการตั้งค่าการรีเซ็ตพลังงาน แต่ดิจิพอตได้แก้ไขข้อบกพร่องนี้แล้ว แนวทางการออกแบบทั่วไปในขั้นต้นคือให้โปรเซสเซอร์ระบบอ่านการตั้งค่าดิจิพอตในระหว่างการดำเนินการ จากนั้นจึงโหลดการตั้งค่านั้นอีกครั้งเมื่อเปิดเครื่อง อย่างไรก็ตาม สิ่งนี้ทำให้เกิดข้อผิดพลาดในการเปิดเครื่อง และมักไม่สามารถยอมรับได้ในเรื่องความสมบูรณ์และประสิทธิภาพของระบบ

เพื่อแก้ไขข้อกังวลนี้ ผู้จำหน่ายได้เพิ่มเทคโนโลยีหน่วยความจำแบบไม่ลบเลือน (NVM) ที่ใช้ EEPROM ให้กับดิจิพอต ด้วย NVM ดิจิพอตสามารถรักษาตำแหน่งไวเปอร์ที่ตั้งโปรแกรมไว้ล่าสุดได้เมื่อปิดแหล่งจ่ายไฟ ในขณะที่เวอร์ชันที่ตั้งโปรแกรมได้ครั้งเดียว (OTP) ช่วยให้ผู้ออกแบบสามารถตั้งค่าตำแหน่งรีเซ็ตการเปิดเครื่อง (POR) ของไวเปอร์เป็นค่าที่กำหนดไว้ล่วงหน้า .

NVM ช่วยให้สามารถเพิ่มประสิทธิภาพอื่นๆ ได้ ตัวอย่างเช่น AD5141BCPZ10 ของ Analog Devices มีข้อผิดพลาดความทนทานต่อตัวต้านทานเก็บไว้ในหน่วยความจำ EEPROM (รูปที่ 10) อุปกรณ์นี้เป็นโพเทนชิโอมิเตอร์ดิจิตอลแบบไม่ลบเลือนแบบเขียนซ้ำได้ตำแหน่ง 128/256 ที่รองรับทั้งอินเตอร์เฟส I²C และ SPI การใช้ค่าพิกัดความเผื่อที่เก็บไว้ ผู้ออกแบบสามารถคำนวณความต้านทานตั้งแต่ต้นจนจบจริงให้มีความแม่นยำ 0.01% เพื่อกำหนดอัตราส่วนของดิจิพอต "เหนือไวเปอร์" และ "ต่ำกว่าไวเปอร์" ความแม่นยำนี้ดีกว่าความแม่นยำ 1% ของดิจิพอตที่มีความแม่นยำสูงกว่าหนึ่งร้อยเท่าโดยไม่มี NVM

รูปที่ 10: ดิจิพอต AD5141BCPZ10 จาก Analog Devices ประกอบด้วยหน่วยความจำแบบไม่ลบเลือน (EEPROM) ที่เขียนซ้ำได้ ซึ่งสามารถใช้เพื่อจัดเก็บพลังงานที่ต้องการในการตั้งค่ารีเซ็ต รวมถึงปัจจัยการสอบเทียบสำหรับอาร์เรย์ตัวต้านทานของตัวเอง (แหล่งที่มาภาพ: Analog Devices)

โหมดการตั้งค่าเกนเชิงเส้นนี้ช่วยให้สามารถตั้งโปรแกรมความต้านทานระหว่างเทอร์มินอลของโพเทนชิโอมิเตอร์ดิจิตอลผ่านตัวต้านทานแบบสตริง R_AW และ R_WB ได้อย่างอิสระ ช่วยให้สามารถจับคู่ตัวต้านทานที่มีความแม่นยำสูง (รูปที่ 11) ความแม่นยำดังกล่าวมักจำเป็นสำหรับการกลับโทโพโลยีของแอมพลิฟายเออร์ ตัวอย่างเช่น โดยที่อัตราขยายจะถูกกำหนดโดยอัตราส่วนของตัวต้านทานสองตัว

รูปที่ 11: NVM ในดิจิพอตยังสามารถใช้เพื่อจัดเก็บความต้านทานที่สอบเทียบไว้ด้านบนและด้านล่างไวเปอร์สำหรับวงจรที่ใช้อัตราส่วนความต้านทานที่แม่นยำเพื่อตั้งค่าเกนของแอมพลิฟายเออร์ (แหล่งรูปภาพ: Analog Devices)

โปรดระวังลักษณะเฉพาะของดิจิพอต

แม้ว่าดิจิพอตจะใช้กันอย่างแพร่หลายเพื่อแทนที่โพเทนชิโอมิเตอร์เมื่ออุปกรณ์แบบเดิมไม่เป็นที่ต้องการหรือใช้งานไม่ได้ แต่ดิจิพอตก็มีลักษณะเฉพาะบางอย่างที่นักออกแบบจำเป็นต้องคำนึงถึง ตัวอย่างเช่น ไวเปอร์โลหะของโพเทนชิโอมิเตอร์จะสัมผัสกับชิ้นส่วนต้านทานโดยมีความต้านทานหน้าสัมผัสใกล้ศูนย์และ มักจะมีค่าสัมประสิทธิ์อุณหภูมิเล็กน้อย อย่างไรก็ตาม ในกรณีของดิจิพอต ไวเปอร์นั้นเป็นองค์ประกอบ CMOS ที่มีความต้านทานเล็กน้อยแต่ยังคงมีความต้านทานที่สำคัญในระดับสิบโอห์มถึง 1 kΩ ถ้ากระแสไฟฟ้า 1 มิลลิแอมแปร์ (mA) ไหลผ่านไวเปอร์ขนาด 1 kΩ ผลลัพธ์ที่ลดลง 1 โวลต์คร่อมไวเปอร์อาจจำกัดช่วงไดนามิกของสัญญาณเอาท์พุต

นอกจากนี้ ความต้านทานไวเปอร์นี้เป็นฟังก์ชันของทั้งแรงดันไฟฟ้าและอุณหภูมิที่ใช้ ดังนั้นจึงทำให้เกิดความไม่เชิงเส้นและทำให้สัญญาณ AC ผิดเพี้ยนในเส้นทางสัญญาณ ค่าสัมประสิทธิ์อุณหภูมิทั่วไปของไวเปอร์ประมาณ 300 ส่วนต่อล้านต่อองศาเซลเซียส (ppm/⁰C) อาจมีนัยสำคัญและควรนำมาพิจารณาในข้อผิดพลาดที่ถือว่ารับได้สำหรับการออกแบบที่มีความแม่นยำสูง นอกจากนี้ยังมีรุ่น Digipot ที่มีค่าสัมประสิทธิ์ที่ต่ำกว่ามากอีกด้วย

สรุป

ดิจิพอตเป็น IC ที่ตั้งค่าแบบดิจิตอลซึ่งมาแทนที่โพเทนชิโอมิเตอร์ระบบเครื่องกลไฟฟ้าแบบคลาสสิกในสถาปัตยกรรมระบบและการออกแบบวงจรหลายแบบ ไม่เพียงลดขนาดผลิตภัณฑ์และโอกาสที่จะเกิดข้อผิดพลาดเนื่องจากการเคลื่อนไหวโดยไม่ตั้งใจเท่านั้น แต่ยังเพิ่มความเข้ากันได้กับโปรเซสเซอร์และซอฟต์แวร์ ขณะเดียวกันก็ให้ความแม่นยำและความละเอียดสูงกว่า (หากจำเป็น) พร้อมด้วยคุณสมบัติที่มีประโยชน์อื่นๆ

ดังที่แสดงไว้ ดิจิพอตมีจำหน่ายในค่าความต้านทานที่ระบุ ขนาดขั้น และความแม่นยำที่หลากหลาย ในขณะที่การเพิ่มหน่วยความจำแบบไม่ลบเลือนจะขยายขีดความสามารถและเอาชนะอุปสรรคสำคัญต่อการใช้งานในหลายรูปแบบการใช้งาน

อ่านเพิ่มเติม

1. IC ตอบโจทย์ความท้าทายของการหรี่แสงหลอดไฟ LED ในวงจรที่ขับเคลื่อนด้วย TRIAC