Bei Digitalpotenziometern und ihren mechanischen Gegenstücken handelt es sich um Widerstände, deren Werte über eine externe Ausgabe geändert werden können. Der Unterschied liegt darin, dass analoge Potenziometer über die Drehposition einer Steuerwelle und der Widerstand eines Digital Potentiometers durch den am Gerät vorliegenden digitalen Eingang gesteuert wird. Im Gegensatz zu ihren mechanischen oder analogen Gegenstücken sind Digitalpotenziometer nicht durchgängig variabel, sonder nur schrittweise änderbar. Sie können oft nur bei einem sehr begrenzten Spannungsvolumen eingesetzt werden, sodass sie am häufigsten in Feedback-Schleifen von Verstärkern zur Steuerung des Zuwachses und in ähnlichen Umgebungen mit niedriger Spannung Verwendung finden.
Die Widerstandskette
Ein wesentliches Element eines Digitalpotenziometers ist die Widerstandskette, die aus einer Serie an in Reihe geschalteten Widerständen mit gleichem Wert besteht.
Abbildung 1: Blockdiagramm eines Digitalpotenziometers (Quelle: Analog Devices)
Im obigen Beispiel besteht die Widerstandskette aus sieben Widerständen. Wenn jeder Widerstand 1.000 Ohm betrüge, beliefe sich der gesamte Widerstand von Anschluss B bis Anschluss A auf 7.000 Ohm. Der Schleifer ist das anpassbare Element der Einheit.
An allen sechs Abzweigungen zwischen den sieben Widerständen befindet sich ein Schalter mit Anschluss an den Schleifer. Es können bei entsprechender Auswahl auch mehrere Schalter zur Verbindung mit den Steckverbindern A oder B vorhanden sein. Dabei ist zu beachten, dass nicht mehrere Schleiferschalter gleichzeitig betätigt werden können. Der Widerstand des Schleifers wäre also im vorliegenden Beispiel in Bezug auf Anschluss B und Anschluss A zwischen 0 und 7.000 Ohm in 1.000-Ohm-Schritten einstellbar. Beachten Sie auch den 3-bis-8-Dekoder. Ein N-stelliges Digitalwort lässt sich auf 2ˆN-fache Weise dekodieren, und 2ˆ3 ist 8. Über jede dieser acht möglichen Zahlen wird eindeutig definiert, welcher der acht Schalter jeweils aktiviert werden soll.
Es lässt sich bereits erkennen, dass durch den Einbau eines Spannungsteilers mithilfe der beiden Steckverbinder und dem Schleifer das Digitalpotenziometer als Volumensteuerung einsetzt lässt. Für den ausschließlichen Gebrauch des Schleifers mit Anschluss A oder B ist ein variabler Widerstand verfügbar.
Wo waren wir stehengeblieben?
Beim Hochfahren weisen einige Digitalpotenziometer einfach die Schleiferposition der Mitte der Kette oder einem anderen im Datenblatt definierten Punkt zu. Meistens verfügt das Gerät über genügend EEPROM, um die letzte Position der Einheit zum Zeitpunkt des letzten Abschaltens zu speichern. Die Schalter, die tatsächlich die Widerstände mit dem Schleifer verbinden, werden meist in CMOS im Gerät implementiert (siehe Diagramm).
Natürlich lassen sich Digitalpotenziometer auf unterschiedliche Weise steuern. Beliebt sind der bekannte SPI (Serial Peripheral Interface)-Bus und der einfache serielle I2C-Bus. Für letzteren sind zwei Eingänge erforderlich – einer für die Taktung und einer für die Daten.
Beim AD5160BRJZ50-R2 von Analog Devices handelt es sich um ein achtpoliges Digitalpotenziometer, welches sich in einer winzigen Verpackung von 2,9 x 1,6 mm unterbringen lässt. Damit dieser nicht zu viele Stifte oder zu viel Fläche beansprucht, enthält dieses Gerät kein EEPROM und greift auf den SPI-Bus anstelle einer parallelen digitalen Schnittsstelle zu. Im Datenblatt ist die Gerätefamilie AD5160 aufgeführt. Alle Elemente dieser Gruppe umfassen eine Widerstandskette aus 255 separaten Widerständen.
Abbildung 2: AD5160 von Analog Devices. (Quelle: Analog Devices)
Der Chip wird über Stift 6 ausgewählt. Der Takt wird über Stift 4 zugeschaltet, und der Schleifer zur Auswahl der Schleiferposition über Stift 5. Der Zugang zu den Steckverbindern A und B erfolgt über die Stifte 7 und 8 und auf den Schleifer über Stift 1.
Winzige mechanische Geräte können so konfiguriert werden, dass sie elektrische Impulse zur Steuerung eines Digitalpotenziometers abgeben. Dadurch sind diese nicht nur von Mikrocontrollern, sondern auch von Anwendern steuerbar. Oft werden sie in Geräte integriert, die selbst kaum größer als ein herkömmliches mechanisches Potenziometer sind.