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Digital Potentiometer mit logarithmischer Kennlinie

- Logarithmische Kennlinie mit 32 Positionen für Audio Anwendungen - 1,7 dB Absenkung pro Position, (0 dB bis -53 dB) - Parallele oder serielle Ansteuerung - Aufbau mit CMOS Bausteinen auf Streifenrasterplatine - Materialkosten ca. 5 EUR
Im Audio Bereich werden für die Lautstärkeeinstellung Potentiometer mit logarithmischer Kennlinie eingesetzt. Möchte man diese digital ansteuern, z.B. über einen Mikrocontroller, kommen entweder Potentiometer mit Motorantrieb zum Einsatz, die relativ teuer sind, oder man verwendet ein handelsübliches Digitalpotentiometer mit linearer Kennlinie, bei denen die Schritte gewählt werden, die der logarithmischen Kennlinie am nächsten kommen. Durch die begrenzte Auflösung (max.256 Schritte) ist speziell bei geringen Lautstärken keine logarithmische Kennlinie möglich. Nachfolgend wird ein Digitalpotentiometer beschrieben, das bei paralleler Ansteuerung 3 CMOS Bausteine und einige Widerstände benötigt, bei serieller Ansteuerung ein zusätzliches CMOS Schieberegister. Bei entsprechender Wahl von niederohmigen Widerständen und HF-gerechtem Aufbau kann das Poti auch für Anwendungen im MHz Bereich verwendet werden. Laut Datenblatt liegt die Grenze für den 74HC4051 bei ca. 180 MHz.

Beschreibung der Schaltung

Das Poti besteht aus einem 4-stufigen (R1-R4) und einem 8-stufigen Spannungsteiler (R5-R12), die über einen 1aus4 (IC1, 74HC4052) und einen 1aus8 Multiplexer (IC2, 74HC4051) in 32 Möglichkeiten verknüpft werden können. Der 8-stufige Spannungsteiler hat ein Spannungsverhältnis von 1,22 zwischen 2 Stufen (=>1,7 dB). Der 4-stufige Spannungsteiler hat in Verbindung mit R5-R12 ein Spannungsverhältnis von 1,22 hoch 8 = 4,79 bzw. 8 x 1,7 dB = 13,6 dB zwischen 2 Stufen. Der Durchgangswiderstand von IC1 und IC2 beträgt ca. 60Ohm und kann hier vernachlässigt werden. Die Belastung am Ausgang von IC2 (Pin 3) sollte nicht kleiner als 100 kOhm betragen, da ein zu kleiner Lastwiderstand Einfluss auf die Poti Kennlinie hat. Die Wahl des Wertes von 1,7 dB pro Schritt ermöglicht bei 32 Schritten einerseits eine Signalabsenkung von ca.53 dB und andererseits die Verwendung von Widerstandswerten aus der E12 Reihe (mit Ausnahme von R2, aber dieser kann auch durch Reihenschaltung eines 1k0 und eines 1k5 Widerstandes realisiert werden). Die Poti-Position wird binär über ein 5 Bit Wort (entspricht dezimal 0-31) parallel an den Eingängen Pins 11 bis 9 von IC2 (untere 3 Bit) und Pins 10 und 9 von IC1 (obere 2 Bit) eingestellt. Ist das 5 Bit Wort = 0 (LLLLL) wird das Eingangssignal in dem 4-stufigen Spannungsteiler um 3 x 13,6 dB = 40,8 dB abgesenkt und in dem 8-stufigen Spannungsteiler nochmals um 7 x 1,7 dB = 11,9 dB, sodass die Gesamtabsenkung 52,7 dB beträgt, d.h. bei einem Eingangssignal von 1 Vss beträgt das Ausgangssignal ca. 2,3 mVss. Im Normalfall liegt Pin 6 von IC1 (INH) auf Masse. Soll der Ausgang 0,0 mV sein (z.B. für Mute) wird INH auf High Pegel gesetzt. Hierdurch werden die Durchgangswiderstände von IC1 hochohmig. T1 dient in dem gezeigten Beispiel nur zum invertieren des SHDN Eingangs und kann ggf. entfallen. Die Grafik zeigt das Ausgangssignal für Daten von 0-31 für einen Kanal. Der gemessen Fehler zur idealen Linie mit 1,7 dB / Schritt beträgt maximal -0,5 dB und der Gleichlauffehler zwischen dem rechten und linken Kanal +/- 0,1 dB. Soll die Ansteuerung seriell erfolgen, kann dieses über ein Schieberegister erfolgen (IC3). Für die Schaltung wurde ein 74HC4094 gewählt. Für die Übertragung wird als erstes Pin 1 (STR) auf High gelegt, dann wird die gewählte Poti Position, als 8 Bit Datenwort jeweils bei der positiven Flanke an Pin 3 (CLK) in das Register geschoben. Die Daten liegen an Pin 2 (SD). Mit der negativen Flanke an Pin 1 (STR) werden die Daten an die Pins 4-7 (DB0-DB3) und Pins 14-11 (DB4-DB7) übertragen und dort ausgegeben. Für die Schaltung werden nur DB0-DB4 benötigt. Wer möchte, kann das Mute Signal als 6stes Bit in das 8 Bit Datenwort integrieren und an DB5 ausgeben, dadurch spart man sich den SHDN Anschluss. Die Schaltung arbeitet mit einer symmetrischen Versorgungsspannung von +/- 5V. Wer höhere Spannungen benötigt, kann die 74HC Typen gegen die normalen CMOS Bausteine 4051, 4052 und 4094 austauschen, die die gleiche Pin Belegung besitzen und mit +/- 9V betrieben werden können, allerdings auch einen etwa doppelt so hohen Durchgangswiderstand aufweisen als die 74HC Typen.

Aufbau der Elektronik

Der Aufbau der Elektronik erfolgt auf einer Streifenrasterplatine (siehe auch Sonstiges => Streifenrasterplatinen). Die gezeigte Platine ist als Alternative zu einem Digitalpoti AD5262 für das Aktivbox Steuergerät ausgelegt, die Anpassung an andere Anwendungen sollte aber kein großes Problem darstellen. Hier findet sich noch die Stückliste: Digitalpoti_Stückliste.pdf Erstellt: 01.12.2014 Letzte Änderung: 01.12.2014
Digital Potentiometer mit logarithmischer Kennlinie