Resistencia variable económica de estado sólido

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Tengo un proyecto de audio analógico con el que estoy jugando con diseños y necesitará alrededor de 150 resistencias variables de estado sólido. Planeo controlarlos desde un microcontrolador para que un bote controlado digitalmente funcione, pero todos los que he encontrado son demasiado caros ($ 1.00- $ 1.50).

Mi plan original era usar algo como un MOSFET con un pequeño condensador y otro transistor para mantener un voltaje en la puerta. Luego actualizaría los voltajes de cada uno a través de un DAC y algo de GPIO. Sin embargo, no he encontrado ningún transistor adecuado para mi aplicación (es decir, algo que se comporte lo suficiente como una resistencia ideal).

¿Algunas ideas?


FWIW: el proyecto es una variante de este diseño de ecualizador (descontinuado): diseño con el ecualizador gráfico controlado digitalmente LMC835 .

BCS
fuente
¿Estás tratando de implementar un montón de ganancias variables para un mezclador, o frecuencias de oscilador para un sintetizador, o algo más? Puede haber una forma más barata de hacerlo que las ollas digitales.
Endolith
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@endolith: un ecualizador analógico controlado por computadora. Y una forma más barata es exactamente lo que estoy buscando.
BCS
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@BCS: un ecualizador analógico controlado por computadora me suena oxímoronico. Por favor, corríjame si me equivoco, pero ¿no será un bote controlado digitalmente, bueno, digital, y el microcontrolador y / o el bote introducirán ruido de cambio cuando cambie el valor del bote?
J. Polfer
@sheepsimulator: no hay ninguna razón por la cual un bote digital inherentemente agregue ruido de conmutación (supongo que uno bien diseñado intentaría minimizar eso) como para el resto del sistema, mientras que las aplicaciones de señales mixtas son un problema, son Un problema conocido con las soluciones Know, después de todo, hacen tableros de sonido digitales y tienen que volverse analógicas en algún momento. Para el caso, podría configurarse para que pueda apagar las partes digitales y las partes analógicas continuarían funcionando bien. - En cuanto a ser un oxímoron, No, no es ( idiota otoh es una posibilidad distinta :).
BCS
¿Con qué terminaste yendo? Estoy resolviendo un problema similar en este momento.
terraza

Respuestas:

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Si desea algo que se comporte más como una resistencia, puede usar una fotocélula y encenderla con un LED de un PWM filtrado. Sin embargo, eso actúa como una resistencia variable de 2 terminales en lugar de un bote de 3 terminales.

Puede controlar todos los LED desde un único microcontrolador usando algo como el TLC5940 , que tiene 16 salidas de controlador LED PWM, con brillo de cada programable a través de una conexión en serie. Necesitaría 10 de estos a $ 1.84 cada uno para controlar 150 canales, aunque el doble si necesita dos resistencias por canal (para simular un bote real).


Además, ¿has mirado los circuitos integrados con muchas ollas dentro? $ 0.33 por bote es mejor que $ 1, por ejemplo:

También puede analizar los circuitos integrados de amplificador de ganancia controlados por voltaje o programables, que pueden ocupar el lugar de un amplificador operacional y un potenciómetro:

En cuanto a un ecualizador gráfico de muchos canales controlado por computadora, un DSP es una opción más barata. Por ejemplo, TI , AKM y Analog tienen procesadores de señal de audio con ADC y DAC integrados, y GUI fáciles de usar para hacer el EQ, aunque debe comprar la placa de desarrollo. :)

¿Has visto ecualizadores y filtros de audio controlables digitalmente ?

endolito
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Eso es creativo
tcrosley
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En otras palabras, ¿un optoaislador analógico?
BCS
Sí, pero con un fotorresistor en lugar de un fototransistor. Se utilizan en limitadores ópticos o compresores, por ejemplo.
endolito
Un DSP no es una opción. El objetivo del proyecto es que el procesamiento de la señal es analógico. En cuanto a ese último enlace, no, no lo había visto, pero está muy cerca de lo que estoy pensando.
BCS
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@ Mark: No necesitas 256 pasos para un EQ. ± 15 dB en pasos de 1 dB son solo 30 pasos. Si la capacidad de accionamiento del PWM IC tiene 4096 pasos lineales (?) De 0 mA a 60 mA, eso es 15 µA para los más pequeños. Como todo se ejecuta desde un microcontrolador, puede omitir los pasos del firmware para obtener una respuesta lineal de dB o lo que necesite.
endolito
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¿Qué tal esto? MCP4011-4014

Es $ 0.39 cada uno por 100QTY. Entonces, por 150 CANTIDAD, sería $ 58.50 + envío.

Robert
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Eso haría bastante bien. Sin embargo, el +/- 20% no se ve tan bien. (Más dispositivos relacionados: microchip.com/ParamChartSearch/… )
BCS
@BCS Sí, el +/- 20% no se ve bien, pero cualquier microcontrolador que use para configurar el bote digital también se puede cargar con datos / código de calibración, probablemente acercándolo mucho más a unos pocos por ciento, especialmente si recalibra en el inicio a una resistencia de 1%. Entonces puede lograr una mayor precisión escalando el firmware y seleccionando el toque apropiado.
MicroserviciosOnDDD
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Un JFET se puede configurar como una resistencia variable, que opera en su región óhmica. Funciona en muchos casos.

Aquí está mi diseño súper crudo:

Vdd -----------+
               |
       R1     _|
  G -\/\/\-+-|_
           |   |
           \   v  put 
        R2 /   v  load
           \   |  here
           +---|
               |
GND -----------+

(Necesitamos un editor de esquemas: eso sería increíble).

Es un poco complicado sesgarlo (si esa es la palabra correcta) en la posición correcta. Hice un circuito oscilador variable con uno antes. También diseñé un circuito de frecuencia PWM + variable (variador de frecuencia variable y variador de velocidad) para conducir un motor usando un amplificador operacional dual y JFET.

Thomas O
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Sin embargo, ¿cómo podría un microcontrolador mantener un voltaje constante en todas estas puertas JFET? Parece que tendría que usar puertas de transmisión analógicas, de todos modos.
endolito
2
Lo mismo ocurre con el endolito: la razón principal por la que miraba los FET era que daban una impedancia de compuerta lo suficientemente alta como para que un pequeño condensador les permitiera mantener un estado determinado durante un período de tiempo razonable, al menos ms. (OTOH funcionaría si no tuviera que conducir tantos. +1)
BCS
Sin embargo, esa preocupación también se aplica a mi idea de LED. Peor, en realidad, ya que necesita corriente constante en lugar de voltaje constante. Con las puertas de transmisión de alta impedancia, puede multiplexar voltajes analógicos a cada puerta JFET, pero parece complejo.
endolito
El problema con el almacenamiento de la carga en el condensador es que caerá rápidamente debido a las resistencias. (R2 se desvía a tierra.) Sin embargo, puede ser posible usar un diodo para aislar la capacitancia de la puerta para almacenar una carga ...
Thomas O
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Esto es menos una respuesta y más una palabra de precaución cuando se utilizan ollas digitales o dispositivos similares.

Asegúrese de observar cuidadosamente su modo de operación real y no solo la teoría o el circuito equivalente en la hoja de datos.

Hace unos años tuve un diseño que tenía varias entradas analógicas diseñadas para funcionar tanto a nivel de línea como de micrófono. Como tal, hubo una etapa de preamplificador diferencial usando un IC diseñado para ese propósito con ganancia ajustable de 0 a 60dB. Necesitábamos controlar la ganancia configurada digitalmente con un microcontrolador que estaba configurado con una sola resistencia externa. La resistencia estaba en la ruta de la señal y AC acoplada (balanceada +/- alrededor de tierra). Esto no se mencionó en la hoja de datos del preamplificador y no se esperaba ya que la salida del preamplificador se hacía referencia a la entrada ADC de un DSP. La salida oscilaba alrededor de 1,65 V y siempre se mantuvo por encima del suelo. A través de los comentarios del DSP, el sistema ajustó automáticamente la ganancia del preamplificador para acercarse mucho a la entrada de rango completo en el ADC para mejorar la resolución.

Al principio, solo utilicé un potenciómetro digital AD que parecía ser una olla vieja normal, todo indicaba que era una resistencia con una posición de limpiador controlada digitalmente. Pues no lo fue. Internamente se implementó con una cascada de transistores configurados para presentar una resistencia constante. Esto no suena mal al principio, pero lo que significa es que la resistencia no podía pasar el voltaje fuera de los límites de los suministros de la olla. Lo implementé con 3.3V y GND para los 2 rieles, ya que eso es lo que usamos para E / S digital. Pero en esa configuración, la resistencia no podía pasar corriente con un voltaje negativo y simplemente cortó el fondo de cualquier señal acoplada de CA que la atravesara.

Eso fue un poco doloroso, ya que significaba que tenía que funcionar con los suministros analógicos, pero aún tenía señales seriales de las porciones digitales del circuito conectado.

De todos modos, el punto es asegurarse de hacer su diligencia y saber exactamente cómo se ve la señal que necesita pasar a través de la resistencia variable y que funcionará dada la topología del diseño de la resistencia.

marca
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Gracias. Célebre. En este caso, sé qué señales pasarán por ellas (casi lo mismo que tú), así que todo lo que necesito verificar es que el bote es lo que creo que es.
BCS
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Estoy de acuerdo con el endolito en que debería considerar seriamente otras formas de resolver el problema. Como no ha descrito el circuito al que está tratando de agregar este componente, y mucho menos ha publicado el esquema o la función de transferencia que está tratando de lograr, solo puedo suponer que hay formas más eficientes de resolver el problema.

¿Está conectado un terminal de su resistencia variable a una fuente de alimentación? Esto hará que muchos enfoques sean mucho más factibles. En el caso de una conexión a tierra, por ejemplo, un MOSFET de tipo N, un condensador, una resistencia y un PWM probablemente serán suficientes para una olla (relativamente) de cambio lento.

La clave para diseñar una resistencia variable de estado sólido es operar en su transistor en la región activa, en lugar de permitir que se sature. Es probable que su aplicación de audio requiera una escala de ponderación logarítmica o de frecuencia, entonces, ¿por qué no incorporar algunos comentarios o monitoreo, y no preocuparse por la leve falta de linealidad?

Kevin Vermeer
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Otras formas de qué manera? ¿Evita usar una resistencia variable de estado sólido? ¿Una arquitectura totalmente diferente? El primero podría funcionar, pero lo que estoy buscando realmente necesitaría ~ 150 grados de libertad independientes, por lo que el segundo puede cambiar las demandas del componente, pero no la cantidad necesaria. También dado el número necesario, necesito algo que tenga un bajo costo para todos los aspectos no compartidos.
BCS
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Desde que publicaste la nota de aplicación, puedo elaborar de una manera simple: ¡hazlo de la misma manera que lo hicieron! ¿Realmente necesitas un control más fino que el que han implementado en su diseño? La red de 55k, 25k, 16k, 11k, 8k y 3k controlada por conmutadores FET le proporcionará, como se indica en la hoja de datos, una precisión superior a 0.1 dB sobre 12dB. Puede ajustar estos números y / o recuentos de resistencias para obtener un mejor control o más pasos.
Kevin Vermeer
¿Construyendo sus propias ollas digitales para cada una? : D Podría usar un multiplexor analógico en lugar de FET individuales. El CD4051 cuesta $ 0.15 en grandes cantidades y actúa como un interruptor SP8T, por ejemplo.
endolito
@reemrevnivek, lo he considerado e incluso di un primer paso en los números: para obtener 256 pasos con el espaciado y la precisión que quiero requiere aproximadamente 16 elementos (1 elemento = 1R, 1C y 2FET) de la respuesta de rdeml puedo obtener 256 (tristemente lineal) pasos por $ .25 y eso realmente empuja la olla de bricolaje para el costo.
BCS
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Un enfoque aún no mencionado que es aplicable en algunos escenarios de baja frecuencia, aunque debe usarse con precaución, es reconocer que una resistencia que se enciende y apaga a través de la señal PWM lo hará, a frecuencias mucho más bajas que la frecuencia PWM , se comportan más o menos como una resistencia más grande cuya resistencia es la del original dividido por el ciclo de trabajo PWM. Entonces, una resistencia de 1K con un ciclo de trabajo del 5% se comportará más o menos como una resistencia de 20K.

La mayor advertencia con este enfoque es que a menudo inyectará ruido en el sistema a la frecuencia PWM. Esto puede no ser un problema si los componentes que manejan la señal pueden filtrar ese ruido limpiamente, o si pueden pasarlo sin distorsión a otros componentes que pueden hacerlo. Antes de usar dicho diseño, uno debe asegurarse de que se cumpla uno de los requisitos anteriores. El hecho de que un componente tenga una frecuencia útil máxima no implica que filtre limpiamente cosas por encima de esa frecuencia. Muchos amplificadores, por ejemplo, se distorsionarán si la señal de entrada hace que la velocidad de respuesta de salida exceda sus capacidades. Si un amplificador recibe una mezcla de una señal de 1KHz a 0DB y una señal de 1MHz a -20DB (10% del voltaje del original), la velocidad de respuesta de salida para el componente de 1MHz sería 100 veces mayor que la del componente de 1KHz. Eso' Es completamente posible que la velocidad de respuesta del componente de 1KHz esté dentro de las capacidades del amplificador, pero el componente de 1MHz no; eso a su vez podría causar que la porción de 1KHz de la salida salga severamente distorsionada.

Super gato
fuente
Eso podría funcionar bien (y limpiamente) si la carga es lo suficientemente inductiva.
BCS
@BCS: No creo que la carga inductiva sea lo que se necesita. Si la tasa de PWM está sustancialmente por encima de la frecuencia de interés más alta (por ejemplo, en un factor de 100), cada etapa del filtrado reducirá el nivel de ruido en un factor de 10-100 (100 en el caso ideal; 10 en un caso fácil de lograr ; un caso práctico estaría en algún punto intermedio). La pregunta es si el ruido inyectado causará distorsión antes de que eso suceda, y eso depende del diseño del circuito. Por lo menos, agregar un poco de filtrado puede permitir que el enfoque PWM sea utilizable y eliminar la necesidad de cosas más sofisticadas.
supercat