Fachthema Digitale Potentiometer

SPI- oder I²C-Bus gesteuerte digitale Potentiometer

"Analoge Potentiometer waren gestern". Dieser Artikel soll einen kurzen Überblick über die Funktionsweise digitaler Potentiometer geben.

Obwohl die Digitalisierung unaufhaltsam fortschreitet, bleiben der analogen Technik immer noch einige Domänen erhalten. Ein Beispiel ist das Potentiometer, zu dem es bisher kein vollständig digitales Äquivalent gibt.

Heutige elektronische Potentiometer nähern sich diesem Ideal relativgut an, sie verbinden die Flexibilität eines analogen Bauelements mit den weitreichenden Möglichkeiten der digitalen Steuerung. Alle Funktionen werden digital gesteuert, entweder über einen SPI- oder I²C-Bus. Alle gängigen Chips werden in CMOS-Technik gefertigt.

Betrachten wir ein Potentiometer mit einem Spannungsteiler, bestehend aus jeweils 63 in Serie geschalteten Widerständen, so führt von jedem Verbindungspunkt eine Leitung über einen Schalter zum Anschluss des Schleifers. Insgesamt sind 64 Abgreifpunkte vorhanden, was einer Auflösung von 6 Bit entspricht.

Welcher Abgreifpunkt auf die gemeinsame Leitung durchgeschaltet wird, hängt von der digitalen Steuerung ab. Dabei gibt es verschiedene Möglichkeiten: die Funktionen werden entweder über einen SPI-Bus oder aber über einen I²C-Bus gesteuert. Durch dieses Konzept sind heutige digitale Potentiomenter hervorragend für den Einsatz in Mikrocontrollerschaltungen geeignet.

Der Spanungskomparator, der zu jedem elektronischen Potentiometer gehört, vergleicht die Spannung am Abgriff mit der Eingangsspannung. Die Potentiometer- und Komparator-Funktionen werden über bestimmte Register gesteuert. Der Inhalt der Steuerregister bestimmt die Stellung des Schleifers, sowie das Verhalten des Komparators.

Außerdem können weitere Register im Potentiometer-Chip integriert sein, die der Anwender für verschiedene Zwecke nutzen kann. Diese Register können vom steuernden Prozessor oder Controller sowohl beschrieben als auch gelesen werden.

Widerstandsarray

Wie oben bereits benannt, befinden sich auf einem Potentiometer-Chip 2 Widerstandsarrays (eins für jedes Poti), die aus jeweils miteinander verketteten Einzelwiderständen zusammengesetzt sind. Anfang und Ende einer Kette lassen sich mit den Anschlüssen der Kohleschichtbahn eines herkömmlichen Potentiometers vergleichen. Die Verbindungspunkte innerhalb einer Widerstandskette können ebenso wie ihr Anfang und Ende über elektronische Schalter mit der zugehörigen Sammelschiene verbunden werden. Gleichzeitig kann immer nur ein einziger
Schalter geschlossen sein.

Flags und Register

Der Komparator vergleicht die abgegriffene Spannung mit der Spannung am externen Eingang. Gesteuert werden der Komparator und die zugehörige Logik über einzelne Bits (z.B. Shutdown, Latch und Enable). Das Enable-Bit ist für die Verbindung des Komparator-Ausgangs mit dem externen Anschluss zuständig, mit dem Latch-Bit kann der logische Zustand des Ausgangs gehalten werden, und das Shutdown-Bit kann den analogen Teil des Potis abschalten. Diese Aktionen dienen zur Senkung des Stromverbrauchs bei Batteriebetrieb. Nicht alle elektronischen Potentiometer verfügen über diese externen Eingänge.

Zu jedem Potentiometer gehört ein sogenanntes Wiper Counter Register und ein Analog Control Register. Das Wiper Counter Register ist mit einem Seriell-Ein-/Parallel-Aus-Schieberegister vergleichbar. Die parallelen Schieberegister-Ausgänge steuern die Schalter, die die Abgreifpunkte des Widerstandsarrays mit der Ausgangsleitung verbinden.