디지털 전위차계 : 원리, 정밀 제어 및 회로 통합

디지털 전위차계는 작고 내구성있는 형식의 정확하고 프로그래밍 가능한 저항을 제공함으로써 아날로그 신호 제어에 혁명을 일으켰습니다.기계 버전과 달리 진동, 오염 및 온도 변화에서 안정적인 성능을 제공합니다.프로그래밍 가능한 발진기에 통합되어 수동 조정없이 실시간 주파수 튜닝, 교정을 간소화하며 신호 충실도를 향상시킵니다.SPI/I²C 인터페이스를 사용하여 Digipots는 임베디드 시스템이 디지털 방식으로 아날로그 동작을 관리 할 수 ​​있도록하며 전통적인 저항 네트워크와 지능형 적응 형 회로 설계 간의 간격을 연결합니다.

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전위차계에 대한 핵심 이해

전위차계는 보상 개념에서 작동하여 측정 된 전압과 알려진 전압 사이의 상호 작용이 정밀도로 조화 될 수 있습니다.AC 및 DC 유형으로 차별화 된이 기기는 전압, 전류 및 저항의 측정을 용이하게합니다.특히, AC 변형은 또한 자기를 평가합니다.디지털 전위차계는 수치 제어 메커니즘으로 인해 적응 가능한 사용, 미세 조정 정밀도, 비접촉식 작동, 소음 감소, 오염 및 진동에 대한 탄력성 및 최소한의 간섭과 같은 이점을 제공합니다. 모든 응용 프로그램에서 기계적 대응 장치를 대체 할 수있는 작고 내구성있는 장치로 포장됩니다.

종종 디지털 전위차계에는 버스 인터페이스가 장착되어 마이크로 컨트롤러 또는 로직 회로를 통한 프로그래밍 가능성이 있습니다.이 적응성은 다음과 같은 수많은 프로그래밍 가능한 아날로그 장치에서 형성 될 수 있습니다.

- 프로그래밍 가능한 게인 증폭기

- 프로그래밍 가능한 필터

- 프로그래밍 가능한 선형 안정화 전원 공급 장치

- 톤 및 볼륨 제어 회로

이 기능은 버스 시스템을 통해 마이크로 컨트롤러에 의한 아날로그 기능의 제어를 나타냅니다.기계적 전위차계와의 유사성은 공유 원칙에 있으며, 디지털은 통합 된 3- 말단 가변 저항 장치의 일부를 형성합니다.이 프레임 워크 내에서, 전압 분배기 역할은 VH, VL 및 VW에 의해 각각 높고 낮은 및 슬라이딩 엔드로 표시됩니다.RH, RL 및 RW는 조정 가능한 저항 응용 분야에서 등가를 나타냅니다.

전위차계의 디지털 제어 구성은 4 가지 주요 디지털 회로 모듈로 구성됩니다.

- 위/다운 카운터

- 디코딩 회로

- 제어 회로를 저장하고 복원합니다

- 비 휘발성 메모리

직렬 입력 및 병렬 출력 업/다운 카운터는 입력 펄스 및 신호를 통해 동적으로 조정하고, 축적 된 데이터를 디코딩 회로에 공급하고, 스위치 어레이를 관리하고, 내부 메모리를 업데이트합니다.외부 계산 펄스 또는 칩 선택 신호가 중단 될 때 하나의 MOS 튜브 만 활성화되어 간소화 된 기능을 보장합니다.

전원 중단을 경험 한 후 비 휘발성 메모리는 설정을 유지합니다.전원 복원시, 디지털 전위차계는 이전 제어 데이터를 기억하여 저항 설정을 보존합니다.그러나 입력 카운트 변동 중에 "Connect-first-then-disconnect"의 스위치 방법으로 인해 저항은 예상 값과 미세 조정이 끝날 때까지 다를 수 있다는 점에 주목하는 것이 중요합니다.따라서, 기계적 전위차계의 성능과 일치하면서 고유 한 속성을 보여줍니다.

디지털 전위차계를 사용하여 프로그래밍 가능한 발진기 구축

디지털 전위차계 (Digipot)는 신호 필터링 또는 AC 신호 생성에 자주 사용되는 유연한 구성 요소입니다.실제 회로 개발에서는 시스템 요구 사항에 따라 진동 주파수를 동적으로 조정 해야하는 상황을 만나는 것이 일반적입니다.이런 일이 발생하면 프로그래밍 가능한 주파수 제어 메커니즘이 필수적이됩니다. 특히 디자인을 물리적으로 조정하지 않고 실시간으로 설계 또는 보정해야 할 때.

회로 설계 개요

발진기는 다이오드 안정화 된 Wien Bridge 토폴로지를 기반으로하며, 대략 10kHz에서 200kHz까지의 깨끗한 사인파를 생성 할 수 있습니다.이 설계에서 AD5142 칩의 2 개의 디지털 전위차계는 기존 고정 저항을 대체합니다.AD5142는 256 개의 저항 단계를 갖춘 독립적으로 프로그래밍 가능한 2 개의 채널을 특징으로하며 SPI를 통해 제어됩니다.I²C 호환 버전 인 AD5142A도 적합합니다.두 옵션 모두 10kΩ 및 100kΩ 범위를 지원합니다.

이 회로는 ADA4610-1 Precision Op-Amp를 사용하여 철도 대 레일 성능과 낮은 왜곡을 제공하여 안정적인 사인파를 생성하는 데 중요합니다.두 쌍의 구성 요소가 피드백 루프를 형성합니다.

양성 피드백 루프는 R1A, R1B, C1 및 C2로 구성됩니다.

음성 피드백 루프는 R2A, R2B 및 2 개의 다이오드 (D1 및 D2)로 구성됩니다.

이러한 피드백 경로는 진동 동작을 결정하는 것입니다.주파수는 주로 R1A 및 R1B의 저항에 의존하며 진폭의 안정성은 다이오드 기반 루프에 의해 조절됩니다.

주파수 계산 및 실제 설정

진동 주파수 (f)는이 공식을 따릅니다.

f = 1 / (2πrc)

여기서 R은 AD5142 채널의 효과적인 프로그래밍 가능한 저항을 나타내고 C는 커플 링 커패시터의 값 (일반적으로 C1 및 C2의 경우 동일)입니다.

디지털 제어 프로세스에서는 AD5142로 디지털 코드를 보내면 저항이 조정됩니다.저항의 공식은 다음과 같습니다.

r = (d / 256) × Rab

여기서 D는 디지털 입력 값 (0–255)이고 RAB는 총 저항 범위 (선택에 따라 10kΩ 또는 100kΩ)입니다.

실습 튜닝 동안 주파수 계산을 정확하게 유지하려면 R1A 및 R1B와 정확히 일치하는 것이 중요합니다.불일치는 진동에서 왜곡 또는 불안정성을 불러 일으킬 수 있습니다.

진폭 안정성 관리

게인 조건 (R2 / R1 ≥ 2)이 충족 될 때 진동이 시작됩니다.처음에, 이것은 앰프를 약간 과도하게 감소시킴으로써 달성 될 수 있지만, 신호가 증가함에 따라 음성 피드백 루프의 다이오드는 번갈아 가기 시작합니다.이것은 게인을 클램핑하고 진폭을 안정화시킵니다.

R2, 특히 R2B를 조정하여 진폭을 미세 조정할 수 있으며, 이는 다이오드의 순방향 전압 및 전류 특성과 함께 작동합니다.대상은 파형을 클리핑하지 않고 안정적인 피크 출력을 달성하는 것입니다.

R2B가 너무 낮게 설정되면 (예 : 단락) 출력은 약 ± 0.6V 정도 안정화됩니다. 너무 높으면 진동이 감소하거나 완전히 멈출 수 있습니다.이것을 100 kΩ 디디포트를 사용할 때 작은 단위로 이것을 조정하면 오실로스코프의 파형 모양과 진폭을 실시간으로 관찰합니다.

예제 결과 및 주파수 정밀도

10 kΩ 듀얼 채널 디자이트를 사용하여 3 개의 별개의 주파수가 생성되었습니다.

KHZ (저항 : 8kΩ)

KHZ (저항 : 4kΩ)

102 kHz (저항 : 670 Ω)

세 가지 주파수 모두 ± 3%이내의 오차 마진을 나타 냈습니다.그러나 200 kHz와 같은 더 높은 주파수에서는 디지털 전위차계의 내부 대역폭 제한으로 인해 오차가 약 6%로 증가했습니다.

테스트 중에, Digipot의 내부 대역폭, 특히 낮은 저항 설정에서 신호 무결성을 저하시키는 것이 분명해졌습니다.구성 요소 선택을 마무리하기 전에 항상 데이터 시트에서 대역폭 대 저항 곡선을 참조하십시오.

동기화 과제 및 데이지 체인

두 개의 별도 디지털 채널 (R1A 및 R1B의 경우)을 사용하는 데있어 한 가지 과제는 동시 업데이트 지원이 부족하다는 것입니다.두 저항 모두 한 번에 변경되어야하는 경우 순차적 프로그래밍은 일시적인 불균형을 유발하여 순간 주파수 드리프트 또는 글리치를 초래할 수 있습니다.

이를 피하려면 AD5204와 같은 데이지 체인 기능이있는 디지털 전위차계를 고려하십시오.이를 통해 단일 클록 사이클에서 모두 저항 값을 업데이트하여 중간 불안정한 상태를 피할 수 있습니다.이 기능은 주파수 점프가 부드럽고 단단히 제어되어야하는 응용 분야에서 특히 유용합니다.

디지털-아날로그 변환기와 디지털 전위차계 대조

디지털 방식으로 아날로그 출력을 조정하는 것과 관련하여 두 가지 주요 악기가 도구 상자에서 디지털 전위차계와 DAC (Digital-to-Analog Converter)의 역할을합니다.두 가지 모두 하네스 디지털 매력으로 아날로그 신호로 춤을 추므로 미묘한 제어 및 조작을 가능하게합니다.디지털 전위차계를 사용하면 아날로그 전압을 심장 내용으로 조정할 수 있으며 DAC는 전류와 전압을 모두 조정하기 위해 게이트를 열 수 있습니다.

디지털 전위차계에는 양의 핀, 중간 핀 (아날로그 출력) 및 지상 핀이있는 아날로그 연결의 삼중 항이 있습니다.필요한 연결 세트를 갖춘 DAC는 양의 기준 전압과 정렬되는 양의 핀, DAC 출력에 해당하는 중간 핀 및 자체 접지 또는 음의 기준 전압 끝과 정렬 될 수있는 접지 핀을 자랑합니다.

D/A 변환기

DAC는 저항 문자열 구조 또는 R-2R 사다리 아키텍처를 갑옷으로 착용합니다.저항 문자열을 사용하면 DAC 입력은 스위치의 교향곡을 수행하여 기준 전압을 조심스럽게 일치하는 저항 배열을 통해 나누어줍니다.R-2R 구성에서, 양의 기준 전압은 스위치 제어 저항을 통해 전류를 생성하여 전류를 생성 한 다음 출력 증폭기와 함께 수용하여 전압 출력으로 변환합니다.

DAC가있는 설계자는 직렬/병렬 포트, 해상도, 입력 채널의 스펙트럼 및 재무 지출과 같은 세부 사항에 거주해야합니다.신속성을위한 배가 고픈 시스템은 평행 한 인터페이스에 기대어있을 수 있습니다.비용 의식 또는 공간 도전 시나리오는 3 와이어 또는 2 와이어 직렬 포트를 요구할 수 있으며, 핀 수는 크게 줄어들면서 전자는 최대 26MHz의 커뮤니케이션으로 춤을 추고 후자는 3.4MHz에서 비트를 보유하고 있습니다.비트로 정의 된 DAC의 해상도는 정밀한 왈츠-18 비트 예제는 각각의 LSB에 로봇 또는 엔진 시스템과 같은 산업 제어를 조향하는 데 필수적인 9.54μV 제어를 제공합니다.그러나 디지털 전위차계는 1024 단계로 10 비트로 최대입니다.아키텍처에 대해 말하면 DAC는 단일 칩 내부에서 멀티플렉서를 호스팅 할 수 있습니다.16 비트 조화로 노래하는 32 개의 DAC로 Max5733을보십시오.DS3930으로 대표되는 6 채널에서 캡을 캡처하는 디지털 전위차계와 대조하십시오.

유연성은 DAC가 전류를 공급하거나 싱크대로 최고를 지배합니다.MAX5550의 앰프, P 채널 MOSFET 및 풀업 저항은 최대 30mA의 출력 드라이브를 허용합니다.MAX5547은 내부 앰프, N 채널 MOSFET 및 풀다운 저항을 통해 3.6 MA 침몰 전위를 제공합니다.보조 출력 마법의 경우 일부 DAC는 외부 증폭기를 스위트에 초대합니다.내장 앰프는 일반적으로 DAC 비용을 부풀립니다. 그러나 새로운 DACS가 줄어들면서 재무 적 틈이 점차 좁아지고 있습니다.

디지털 전위차계

디지털 전위차계는 디지털 입력 매직을 통해 저항을 형성합니다.그림의 3- 말단 디지털 저항은 고정 된 엔드 투 엔드 저항을 갖는 조절 가능한 전압 분배기로 재구성합니다.2- 터미널 가변 저항으로 구성 가능한이 도구는 중앙 탭을 연결하여 하이 엔드 또는 저가 또는 남아있는 사람 사이의 스윙을 행복하게 떠 다니게합니다.DAC와 달리 전위차계는 H 터미널을 정점 또는 기본 전압 단자와 직접 연결합니다.

디지털 전위차계를 선택할 때 선형 대 로그 조정, 탭 수, 탭 레벨, 비 휘발성 메모리, 금전적 측면 및 증분/감소, 버튼, SPI 및 I2C를 특징으로하는 제어 인터페이스를 면밀히 조사하십시오.디지털 전위차계는 I2C 및 SPI와 같은 직렬 포트를 통해 전달되어 DAC 행동을 미러링하고 2 와이어 증분/감소 제어를 제공합니다.내부 앰프는 D/A 변환기를 차별화하여 낮은 임피던스 주행 역할에서 매력을 정제합니다.

DAC/전위차계 선택

다수의 응용 분야에서 DAC와 전위차계 사이의 선택은 여전히 ​​분명합니다.모터 제어 시스템, 센서 및 로봇은 종종 고해상도 매력을 위해 DAC를 갈망합니다.기지국 및 미터와 같은 고속 도메인은 속도와 정밀도를위한 평행 인터페이스를 갖춘 DAC를 갈망합니다.한편, 전위차계는 선형 우아함을 통해 앰프 피드백 네트워크를 제작하는 데 탁월하며 로그 전위차계로 완벽한 볼륨 조정을 위해 잘 제공됩니다.

그러나 도전이 종종 발생하여 결정이 불확실성으로 이어졌습니다.오늘날의 응용 프로그램은 DAC와 디지털 전위차계 정렬을 모호하게 흔들립니다.MAX1553 LED 드라이버의 제어는 BRT 입력 DC 전압 및 전류 감독 저항에 의해 LED 전류가 흔들린 상태 에서이 딜레마를 심화시킵니다. 선택은 잠재적 으로이 앙상블을 조화시킬 수 있습니다.

자주 묻는 질문 [FAQ]

1. 디지털 전위차계의 기능 이해

디지털 전위차계는 때때로 디지털 저항기라고 불리는 디지털 전위차계는 기계적 상대의 기능을 모방하지만 디지털 신호 및 전자 스위치를 사용하여 작동합니다.하나의 스위치가 닫히면 '와이퍼'의 위치를 ​​설정하고 저항 값을 정의하여 복잡한 퍼즐을 해결하는 것과 비슷한 호기심과 만족을 자극하는 정밀도를 제공합니다.

2. 전위차계 : 아날로그 또는 디지털?

전위차계는 가변 저항을 제공하는 간단한 노브 역할을합니다.이 저항은 Arduino 보드에 의해 아날로그 신호로 읽을 수 있으며, 종종 LED의 깜박임 속도를 지시합니다.이러한 간단한 상호 작용은 창의성의 기쁨과 실습 실험의 스릴을 불러 일으킬 수 있습니다.

3. 다양한 유형의 전위차계 탐색

- 선형 전위차계

- 회전식 전위차계

- 멤브레인 전위차계 (종종 "소프트 냄비"라고하며 선형 및 로타리 형태로 제공됩니다)

4. 일상적인 장치에서 전위차계의 응용

전위차계는 자주 오디오 장비 볼륨 조정과 같은 전기 장치 제어 영역에서 자신의 위치를 ​​자주 찾습니다.조이스틱과 같은 장치에서는 위치 변환기 역할을하여 디지털 세계에 영향을 미치는 타고난 욕구와 공명하는 통제력과 정밀도를 초대합니다.

5. 전위차계가 직면 한 도전

눈에 띄는 단점 중 하나는 슬라이딩 접점이나 '와이퍼'를 움직일 수있는 상당한 힘의 요구 사항으로, 피할 수없는 노화를 연상시키는 마모로 이어질 수 있습니다.이것은 장치의 수명, 대역폭을 제한 할 수 있으며 관성 하중을 도입하여 삶의 저항과 유사하게 반사를 유발합니다.