Como Funcionam os Potenciômetros digitais e DACs (ART1322)

Existem diversas maneiras de se controlar a intensidade de um sinal analógico a partir de um controle digital. No entanto, as maneiras mais comuns de se fazer isso são as que fazem uso de potenciômetros digitais e de DACs. Veja nesse artigo como funcionam esses dispositivos e as técnicas de controle digital, além das vantagens que cada sistema apresenta.

Os potenciômetros digitais foram originalmente criados para substituir os potenciômetros comuns mecânicos em diversos tipos de aplicações práticas.

No entanto, com o aperfeiçoamento das tecnologias usadas nesses componentes, seus recursos se tornaram tão sofisticados que eles passaram a ser usados também em aplicações onde originalmente conversores digitais para analógicos (DAC) o eram, como no controle de sinais e de correntes em motores, LEDs, etc. a partir de microprocessadores e microcontroladores.

Da mesma forma, o aperfeiçoamento dos conversores digitais para analógico (DAC) e seus custos sendo reduzidos, estes componentes passaram a ser usados também em aplicações em que originalmente encontrávamos potenciômetros digitais.

Para escolher qual destes componentes é melhor para uma aplicação é importante que o projetista entenda como cada um funciona e que vantagens apresenta quando analisamos suas características. Assim, nas próximas linhas, vamos analisar os dois tipos de componentes fazendo uma comparação.

Como funcionam

A idéia básica de um potenciômetro digital é simular o funcionamento de um potenciômetro comum, mas com a posição do cursor determinada por um sinal digital.

O valor digital aplicado à entrada de controle determina qual vai ser a resistência apresentada pelo dispositivo quando tomada pelo cursor, ou então, aplicando-se uma tensão entre o terminal alto e baixo, qual vai ser a tensão encontrada no cursor.

Isso significa que, com esse dispositivo podemos obter ou ajustar uma tensão analógica a partir de um controle digital. Observe que, exatamente como num potenciômetro tradicional, o dispositivo tem os três terminais de conexão. A diferença está nas entradas adicionais para o sinal digital de controle.

Um DAC ou Conversor Analógico-para-Digital, é bastante semelhante ao potenciômetro e o analisarmos a partir do diagrama da figura 1.

Figura 1

A tensão que vai aparecer na sua saída depende da tensão digital de controle e também da referência aplicada entre os dois terminais de referência.

Evidentemente, o princípio de funcionamento é diferente assim como os nomes das conexões usadas. O terminal de saída num é o cursor e no outro é a saída DAC. Os terminais de referência, no potenciômetro são chamados de alto e baixo enquanto que no DAC referência positiva ou alta e referência negativa ou baixa.

Na figura 2 temos um exemplo de aplicação de um potenciômetro digital da Maxim (www.maxim.ic.com ) controlando um amplificador operacional.

Figura 2

Neste circuito, a tensão apresentada na saída do circuito integrado depende do sinal digital que controla o MAX5432. O circuito tem uma resolução de 32 posições de controle, com um circuito equivalente interno em blocos, conforme mostra a figura 3.

Figura 3

Os potenciômetros digitais não incluem uma etapa de amplificação, o que significa que eles não podem trabalhar com cargas de baixa impedância, o que não ocorre com os DACs (alguns fabricantes já disponibilizam potenciômetros digitais amplificados)..

Os potenciômetros digitais também podem ser configurados como reostatos, ligando-se o cursor a um dos terminais, ou então deixando-se um dos terminais do elemento resistivo livre, exatamente como fazemos com potenciômetros comuns.

Uma outra vantagem dos potenciômetros digitais é que os terminais HI e LO podem ser invertidos, ou seja, não é preciso observar a polaridade da sua tensão de alimentação. Isso significa que eles podem operar com sinais alternados, o que não ocorre com um DAC.

Os potenciômetros digitais, como os potenciômetros comuns, também podem ser encontrados com diversos tipos de curvas características, sendo as mais comuns as lineares e as logarítmicas, mas existem outras conforme mostra a figura 4.

Figura 4

Num potenciômetro linear digital, todos os resistores que determinam os passos na escala de ajuste são iguais. No entanto, nas aplicações que envolvem sinais de áudio, a curva logarítmica acomoda-se melhor às características do ouvido humano.

Um ponto importante na escolha de um potenciômetro digital para uma aplicação é o modo que ele se comunica com outros circuitos, ou seja, o modo de interface. Para essa finalidade existem diversas opções como I2C, SPI, 2 fios, 3 fios, etc.

O MAX5456, de 32 posições da Maxim, por exemplo, incorpora uma interface de dois fios do tipo push-button tendo, portanto duas conexões que podem fazer o cursor virtual correr para cima ou para baixo. Uma das aplicações desse componente mostrado na figura 5 é como controle de balanço em equipamentos de áudio.

Observe que a grande vantagem desse tipo de componente em relação aos DACs está justamente na possibilidade de trabalhar com sinais de áudio.

Esse potenciômetro digital apresenta uma resistência nominal de 10 k ? e pode ser alimentado tanto por fonte simples de 5 V como por fonte simétrica de 2,5 V. Uma outra característica importante é a função mute que corta o sinal, proporcionando uma atenuação de 90 dB.

Observe ainda que todas as funções são controladas pelo pressionar de interruptores, o que torna esse componente muito versátil para aplicações de consumo.

Figura 5

Em aplicações como essa fica claro que a escolha do componente deve realmente ser um potenciômetro digital, e que um DAC não tem motivo algum para ser usado.

Existem, entretanto aplicações que podem dificultar um pouco a escolha do componente a ser usado. Por exemplo, no circuito dado a resolução do potenciômetro não precisa ser grande, se bem que existam tipos com até 1024 pontos de ajuste disponíveis.

Numa aplicação mais crítica como, por exemplo, em sensores para aplicações em robótica e automação, controle de motores, aplicações de alta velocidade, o potenciômetro digital não se aplica, devendo a escolha realmente recair sobre um DAC.

Em outras palavras, exigências de velocidade, resolução e tipo de interfaceamento (paralelo) podem descartar a escolha do potenciômetro, em favor do DAC.

É claro que existem as aplicações em que as dois tipos de componentes se aplicam praticamente sem diferenças, como é o caso do controle de brilho de LEDs sugerido pela Maxim, mostrado na figura 6.

Figura 6

Veja tanto um potenciômetro digital como um DAC podem realizar as mesmas funções que é controlar o brilho de um conjunto de LEDs, por exemplo, na iluminação de fundo de um telefone celular ou outra aplicação semelhante.

Analisando agora os DACs, vemos que esses dispositivos são geralmente formados por uma rede R-2R, conforme mostra o circuito básico da figura 7.

Figura 7

Em lugar das chaves mecânicas, como indicado nesse circuito, podem ser usadas chaves eletrônicas que operam diretamente a partir de sinais lógicos externos.

A comunicação com o circuito de controle pode ser tanto paralela, com cada chave eletrônica acionada por uma linha de controle,como serial em que existe uma entrada e o sinal digital é decodificado para acionamento das chaves.

Nas aplicações em que a velocidade é um fator importante, o uso da comunicação paralela é melhor. No entanto, se a velocidade não for importante pode ser usada a interface serial, mas mesmo assim, como tecnologias modernas, podemos chegar a velocidades superiores a 20 MHz, sem problemas. Uma interface de dois fios chega a mais de 3 MHz.

Uma vantagem importante apresentada pelos DACs em relação aos potenciômetros digitais é a resolução, que pode ser tão baixa como alguns microvolts.

Outra vantagem está no fato de que os DACs possuem amplificadores integrados o que lhes permite excitar cargas de baixa impedância. Essa vantagem, entretanto começa a desaparecer, pois já existem fabricantes de potenciômetros digitais que fabricam esses componentes com amplificadores embutidos.

Finalmente, temos a relação de custos. Os DACs são circuitos mais complexos e por isso mais caros, mas essa diferença também começa a desaparecer. Existem DACs bastante baratos, cujos custos se aproximam dos potenciômetros digitais o que os torna uma boa escolha para determinados tipos de projetos.

Conclusão

Que componente escolher para o controle digital de um sinal num circuito é algo que interessa a todos os projetistas quando desempenho, custos e tamanho do circuito são importante.

A análise que fizemos nesse artigo comparando potenciômetros digitais com conversores digitais-para-analógicos (DACs) pode ajudar bastante o leitor a fazer a escolha em função daquilo que precisa em sua aplicação.