Одной из интересных разработок современной микроэлектроники является цифровой потенциометр. Данная микросхема представляет собой переменный резистор, сопротивление которого изменяется в зависимости от записанных в память значений. Такое устройство находит достаточно широкое применение в различных электронных устройствах. В случае, когда требуется разработка устройства на отечественной элементной базе, такой потенциометр также может заменить и ЦАП (цифроаналоговые преобразователи с последовательным интерфейсом отечественного производства авторам статьи неизвестны). В настоящей статье авторы делятся опытом сопряжения потенциометра 1315ПТ24Т с микроконтроллером К1986ВЕ91Т компании АО «ПКК Миландр». Кроме того, рассматриваются решения, позволяющие расширить некоторые параметры потенциометра. В частности, увеличение напряжения, которое можно регулировать потенциометром. В дополнительных материалах к статье, которые выложены на сайте журнала, прилагается текст программы для управления двумя потенциометрами, соединёнными последовательно.
Принцип действия цифрового потенциометра
Общая структурная схема цифрового потенциометра показана на рисунке 1.
Как и большинство устройств, цифровой потенциометр имеет коммуникационный интерфейс (I2C или интерфейс, совместимый с SPI) и буфер принятых данных, а также цифроаналоговый преобразователь, управляющий средним выводом потенциометра, который обычно называется RDAC. Также, в случае если потенциометр многоканальный, возможно наличие дешифратора канала.
RDAC (ЦАП цифрового потенциометра) представляет собой резистивный делитель из набора резисторов одинакового сопротивления (например, у 8разрядного потенциометра таких резисторов 255). Средний вывод потенциометра с помощью управляемых дешифратором ключей подключается к той или иной точке делителя, как это показано на рисунке 2 (A и B – плечи потенциометра, W – подвижный контакт, переключатель управляется дешифратором). Таким образом, задаются сопротивления двух плеч потенциометра.
В статье «Когда не помогает ЦАП. Цифровые потенциометры в деталях» [1] приводятся формулы для расчёта сопротивлений плеч потенциометра:
где D – число, загружаемое в потенциометр в двоичном коде, n – разрядность цифрового потенциометра, RWA и RWB – сопротивления плеч потенциометра, RAB – номинальное сопротивление потенциометра, RW – сопротивление одного резистора RDAC.
Как видно из описания, с помощью цифрового потенциометра можно осуществлять регулировку различных параметров, например, громкость усилителя или коэффициент его усиления, реализовывать управляемый от микропроцессора регулятор напряжения и так далее. Однако цифровой потенциометр, как цифровая интегральная микросхема, имеет определённые ограничения: в отличие от традиционного переменного резистора, сопротивление цифрового потенциометра изменяется дискретно и может быть выставлено с точностью, определяемой разрядностью RDAC. Кроме того, так как резисторы RDAC выполнены по полупроводниковой технологии, существует ограничение по напряжению, которое можно прикладывать к крайним выводам потенциометра, что также ограничивает область его использования. Существуют модели цифровых потенциометров, способных выдержать напряжение до 36 В, например, AD5293 [2], но широко распространённые решения типа AD8400 [3], а также отечественные потенциометры серии 1315ПТ [4] и 1272ПНхТ [5] имеют ограничение максимального напряжения 5 В.
Цифровые потенциометры серии 1315ПТ
Разработанная ОАО «Интеграл» серия потенциометров 1315ПТ является серией функциональных аналогов микросхем AD840x компании Analog Devices. Присутствуют аналоги всех микросхем (см. табл. 1). Микросхемы, с точки зрения схемотехники и взаимодействия с внешними устройствами, не отличаются от зарубежных аналогов и имеют приёмку «5», что делает их использование разумным.
Интерфейс взаимодействия близок к SPI. Диаграмма записи данных в потенциометр показана на странице 321 технической спецификации серии 1315ПТ [4]. Запись данных в буферный регистр производится во время перехода напряжения на выводе CS из состояния логического нуля в состояние логической единицы. Структура кадра, передаваемого потенциометру, показана в таблице 2.
Кадр содержит адрес, определяющий канал, сопротивление которого будет изменено этим кадром, и данных, которые будут записаны в регистр RDAC выбранного канала. Соответствие битов адреса и каналов потенциометра показано в таблице 3.
Сопряжение потенциометра с микроконтроллером
Так как интерфейс управления потенциометром близок к SPI, решено было подключить микросхему к выводам SSP (синхронного последовательного порта) микроконтроллера (см. табл. 4).
Контроллер интерфейса SSP был настроен так, как показано в листинге 1.
Кадр для отправки формировался из двух частей – адреса канала и загружаемого значения, например:
data[2]=(0xC8 |0x0100);
В данном случае 0xC8 является значением для записи в канал, а 0x0100 – адрес второго канала.
Для передачи данных достаточно записать кадр в регистр данных приёмопередатчика и дождаться сброса флага активности модуля (флаг BSY регистра MSD_SSPx>SR). Пример функции отправки массива из nэлементов показан в листинге 2.
В практической разработке авторам статьи понадобилось организовать управление по пяти каналам. Поэтому одной микросхемы было явно недостаточно. Интерфейс предполагал два варианта подключения нескольких микросхем: параллельно и последовательно. Для уменьшения количества задействованных выводов микроконтроллера было применено последовательное подключение двух микросхем 1315ПТ24Т (см. рис. 3).
Для обеспечения возможности записи в обе микросхемы была немного доработана программа: сигнал CS удерживается в состоянии логического ноля до тех пор, пока не будут отправлены данные сразу для двух микросхем. При этом управление выводом CS осуществляется программой.
Новая функция отправки данных показана в листинге 3. Массив для отправки формируется следующим образом: в нечётные элементы массива пишутся данные для первой микросхемы потенциометра, а в чётные – для второй.
При инициализации для вывода PF12 функция вывода порта SSP не настраивается.
Увеличение регулируемого напряжения
Как уже упоминалось, напряжение, прикладываемое к плечам потенциометров серии 1315ПТ, не должно превышать 5 В, что ограничивает область применения данного потенциометра. Для формирования напряжений 2,5…7,5 В к выходу потенциометра был подключён усилитель, схема которого показана на рисунке 4.
Введение данной схемы позволило формировать управляющие сигналы для гидрораспределителя Bosch Rexroth.
Такая схема является частным решением, но в определённых случаях может быть достаточно полезна.
Заключение
Разработанные схемотехнические и программные решения были использованы для построения системы управления краноманипуляторной установкой. Система управления оказалась вполне работоспособной, однако плата итогового устройства получилась достаточно массивной и насыщенной элементами. К сожалению, современное состояние отечественной элементной базы практически не позволяет сделать устройство подобного рода более компактным. Появление новых отечественных цифровых потенциометров с более высокой разрядностью и способных выдерживать более высокое напряжение, приложенное к плечам, позволит упростить схемотехнику и уменьшить габариты печатной платы, а также всего устройства.
Литература
- Когда не помогает ЦАП. Цифровые потенциометры в деталях. Часть 1. www.habrahabr.ru/post/260233.
- AD5293. SingleChannel, 1024position, 1% RTolerance Digital Potentiometer. www.analog.com/media/en/technicaldocumentation/datasheets/AD5293.pdf.
- AD8400/AD8402/AD8403. 1/2/4Channel Digital Potentiometers. www.analog.com/media/en/technicaldocumentation/datasheets/AD8400_8402_8403.pdf.
- Техническая спецификация. Серия 1315. www.integral.by/download/3056/1315.pdf.
- 1272ПНхТ. Двухканальный цифровой потенциометр с последовательным интерфейсом. www.nzpp.ru/workfiles/docs/769.pdf.
Если вам понравился материал, кликните значок - вы поможете нам узнать, каким статьям и новостям следует отдавать предпочтение. Если вы хотите обсудить материал - не стесняйтесь оставлять свои комментарии : возможно, они будут полезны другим нашим читателям!
