Schaltung für ein Potentiometer zur Grob- und Feineinstellung?

Das ist besser..

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Vorteile sind:

• Geringe Empfindlichkeit gegenüber Topftoleranz und Tempco (Sie können Präzisionswiderstände für R2/R3 verwenden)
• Ziemlich linearer und nahezu konstanter Feineinstellbereich in mV
• Ziemlich konstante (+/-0,5 %) und vorhersagbare Ausgangsimpedanz (mindestens 9,09 K, maximal 9,195)
• Geringe Empfindlichkeit gegenüber CRV (Kontaktwiderstandsvariation) von Töpfen (1 % CRV in R1 führt zu 0,05 % Variation).

Diese Schaltung zieht etwa 20 mA von der 5-V-Schiene. Wenn dies ein Problem ist, können Sie R4 um 10:1 erhöhen, sowohl R4 als auch R1 um weitere 10:1 auf Kosten von etwas Leistung erhöhen oder den gesamten Wert auf Kosten der Ausgangsimpedanz skalieren.

Ihre Schaltung Nr. 1 hat eine Ausgangsimpedanz von 0 Ohm bis 27,5 K, abhängig von den Poti-Einstellungen.

Fein und grob bringt Sie nur so weit, Sie könnten auch einen geschalteten Spannungsteiler für die "grobe" Einstellung in Betracht ziehen. Zu erwarten, dass die "grobe" Einstellung innerhalb von 0,2% stabil bleibt, ist möglicherweise zu viel verlangt, es sei denn, es handelt sich um ein sehr schönes Potentiometer.

Beachten Sie, dass Ihr leitfähiger Kunststofftopf überhaupt keinen Temperaturkoeffizienten angibt - das liegt daran, dass leitfähige Kunststofftöpfe im Allgemeinen schrecklich sind - normalerweise +/- 1000 ppm / ° C. Daher ist die Verwendung als Rheostat und nicht als Spannungsteiler nicht so toll Idee. Sie haben das durch die Verhältnisse der Pots um 5:1 reduziert, aber es ist immer noch ziemlich schlecht. Die Schaltung, die ich vorgestellt habe, wäre mit anständigen Widerständen für R2/R3 normalerweise etwa 5x besser, da die Potis nur als Spannungsteiler verwendet werden.

Bearbeiten: Als gute Annäherung für R4 << R3 und R1 << R2 (Sie können die genaue Berechnung in Matlab unter Berücksichtigung der Topfwiderstände durchführen, wenn Sie möchten) ist die Ausgangsspannung:

$V_{OUT} = 5.0 (\frac {\alpha \cdot 9.09K}{10K} + \frac {\beta \cdot 9.09K}{100K})$

Wo 0$\le \alpha\le 1$ist die Position von R1 und 0$\le \beta \le 1$ist die Position von R4

Der Bereich von R1 beträgt also 4,545 V und der Bereich von R4 0,4545 V. Wenn Sie beide Töpfe zentrieren, erhalten Sie 2.500 V. Wenn Sie R4 auf 1 % des Skalenendwerts (angemessen) einstellen können, entspricht dies einer Auflösung von 4,5 mV.

+1 für Spehro Pefhany. Das ist eine sehr elegante Schaltung. Wie es funktioniert, sehe ich so:

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Die Asymmetrie des Spannungsteilers (asymmetrisch, weil R3 > R2) macht einen der Töpfe grob und den anderen fein. Da R2 < R3, ist die Ausgangsspannung hauptsächlich eine Funktion von V1, wobei V4 Feineinstellungen vornehmen kann.

Der Vorbehalt hier ist natürlich, dass sich die Ausgangsimpedanz der Töpfe mit der Wischerposition ändert, sodass die Anwendung des Theorems von Thévenin im ersten Schritt wirklich nur richtig ist, wenn sich die Töpfe in ihrer Mitte befinden – wenn der Topf in eines der beiden Extreme bewegt wird die Ausgangsimpedanz nähert sich 0Ω. Da jedoch R2 und R3 viel größer sind als jedes Potentiometer, ist diese Variabilität relativ unbedeutend, sowohl hinsichtlich der Nichtlinearität als auch der Variation der Ausgangsimpedanz der Schaltung insgesamt.

Ich bin froh, dass ich über diese Antwort gestolpert bin. Dank der Antwort von Spehro Pefhanys habe ich über einen allgemeineren Ansatz nachgedacht und gerechnet, den ich gerne teilen möchte.

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$m$bezeichnet ein Skalierungsverhältnis, das im dargestellten Fall 10:1 beträgt,$m=10$

$Z_{out_{MAX}} = \frac{m}{m+1}\cdot \left(R_s +\frac{R_p}{4}\right)$

$Z_{out_{min}} = \frac{m}{m+1} \cdot R_s$

$Z_{out_{MAX}}$erreicht, wenn sich beide Potentiometerschleifer in Mittelstellung befinden$\alpha = \beta = 0.5$

$Z_{out_{min}}$erreicht wird, wenn beide Potentiometer auf beiden Extremen stehen.

Interessant ist, dass in dieser Konfiguration die Impedanzvarianz, die Streuung ausschließlich durch die Potentiometer bestimmt wird$\Delta_{Z_{out}} = Z_{out_{MAX}} -Z_{out_{min}} = \frac{m}{m+1}\cdot \frac{R_p}{4}$

Wenn Sie bedenken$Z_{load} >>> Z_{out}$dann:$\frac{V_{out}}{V_{in}}=\frac{m}{m+1}\cdot\left(\alpha +\frac{\beta}{m}\right)$

$Z_{in} \approx R_{p1} // R_{p2}$, wobei Rp1 und Rp2 die Potentiometer sind, die im Diagramm bei Rp und m·Rp dargestellt sind.

Die Eingangsimpedanz der Schaltung ist relativ konstant und wird bei unterschiedlichen Schleiferpositionen oder sogar unterschiedlichen Lasten nur geringfügig verändert.

Unerheblich$\Delta_{Z_{out}}$, Verbesserungen der Impedanzvarianz:

Wie gezeigt werden kann, ist das Fein/Grob-Verhältnis definiert durch$m , R_{s2} = m \cdot R_{s1}$, Der Impedanzhub wird allein durch die Potentiometer bestimmt$R_{p2} = m \cdot R_{p1}$

Die dargestellten Formeln skalieren die Potentiometer mit dem Verhältnis$m$obwohl sie nicht sein müssen. Wie ursprünglich von Spehro dargestellt, können sie den gleichen "Wert" haben. Das Nichtskalieren der Werte erhöht die Eingangslast, kann aber die Impedanzvarianz leicht verbessern. Um wie viel kann wie folgt angenähert werden.

Lassen$f(x) = \Delta_{Z_{out}} = \frac{x}{x+1}\cdot \frac{R_p}{4}$

$f'(x) = \frac{R_p}{4\left(1+x\right)^2}$

beides auswerten$f(m)$und$f'(m)$Wir können eine lineare Funktion definieren:

$g(k) = k\cdot f'(m) + b$

wobei b durch Lösen gefunden wird$g(m) = f(m)$. Jetzt haben wir eine lineare Funktion$g(k)$was die Impedanzvarianz bei einem gegebenen Faktor k zwischen den Potentiometern approximiert$R_{p2} = k\cdot R_{p1}$unter Beibehaltung des Faktors$m$für das Grob/Fein-Verhältnis.

Für das Beispiel von Spehro,$m=10, R_p = 0.5 k\Omega$

$g(k) = \frac{k}{968} + \frac{100}{968}$

die Verbesserung durch die Verwendung von zwei$500 \Omega$Töpfe,$g(1) \approx 104 \Omega$anstelle einer$500 \Omega$und$5k \Omega$Topf,$g(10) \approx 114 \Omega$ist eine Impedanzschwankungsverbesserung von$\approx 10\Omega$

Eigentlich, wenn Sie bereit sind, eine Eingangsimpedanz von ungefähr zu haben$\approx 250\Omega$Sie können einen engeren Impedanzhub erzielen, indem Sie verwenden$250 \Omega$und$2k5 \Omega$Töpfe, die die Impedanzvariation nach unten reduzieren würden$\Delta_{Z_{out}} \approx 57\Omega$

Einige Formeln für das gleiche Layout, aber mit Widerständen und Töpfen, die nicht an ein Verhältnis gebunden sind

Die Ausgangsimpedanz kann wie folgt berechnet werden:

$Z_{out} = \left(R_{p1}+R_{s1}\right) //\left(R_{p2}+R_{s2}\right)= \frac{\left(R_{p1}+R_{s1}\right)\cdot\left(R_{p2}+R_{s2}\right)}{R_{p1}+R_{s1}+R_{p2}+R_{s2}}$

Woher :$R_{p1} = R_{p1_{Total}}\cdot(1-\alpha)\alpha$, Sein$\alpha$die Wischerposition$\{0..1\}$

$Z_{out_{MAX}} = \frac{\left(R_{p1T}+4R_{s1}\right)\left(R_{p2T}+4R_{s2}\right)}{4\left(R_{p1T}+4R_{s1}+R_{p2T}+4R_{s2}\right)}$Wenn sich beide Potentiometerschleifer in Mittelstellung befinden$\alpha = 0.5$

$Z_{out_{min}} = \frac{R_{s1}R_{s2}}{R_{s1}+R_{s2}}$

Wenn Sie bedenken$Z_{load} >>> Z_{out}$dann:$\frac{V_{out}}{V_{in}}=\frac{\alpha R_{s2}+\beta R_{s1}}{R_{s1}+R_{s2}}$

Ich dachte nur, ich könnte meine Erkundung und Verallgemeinerung der Antwort teilen.

Sie haben den richtigen Ansatz, und Ihre Zahlen sind wahrscheinlich bis auf den Faktor 5 oder so gut. Für einen Kunststoffelementtopf erscheint eine Auflösung von 1 % angemessen, obwohl dies von Konstruktionsdetails abhängt. Bei den Töpfen, mit denen Sie verbunden sind, besteht das Problem darin, dass die Länge des Arms von der Welle bis zum Elementkontakt ziemlich klein und das Lager so billig wie möglich ist, sodass genau dort, wo der Elementkontakt auftritt, möglicherweise etwas nachgelassen wird. Dies zeigt sich wahrscheinlich als erhöhte Hysterese (der Widerstand bei x Grad beim Drehen im Uhrzeigersinn unterscheidet sich vom Widerstand beim Drehen gegen den Uhrzeigersinn).

Beachten Sie, dass die Auflösung bei drahtgewickelten Töpfen am schlechtesten ist, da der Kontakt entlang der Außenseite einer langen Drahtspirale springt, sodass Sie einen Treppenstufeneffekt mit fester Schrittgröße erhalten.

Es gibt grundsätzlich 3 Ansätze, um eine bessere Auflösung aus einem Pot zu bekommen. Gehen Sie zuerst zu einem glatteren Element mit kleinerer interner Korngröße. Leitfähiger Kunststoff ist am besten, und die Töpfe, die Sie verknüpfen, verwenden dies. Zweitens, machen Sie den Topf größer. Dies ermöglicht eine feinere Kontrolle darüber, wo genau der Kontakt auf das Element trifft, obwohl es auch mehr Präzision in der Lagerung und Konstruktion des Wischerarms erfordert, um zu verhindern, dass er sich während der Bewegung verbiegt. Schließlich können Sie zu Multi-Turn-Pots gehen, wobei 10-Turn-Einheiten die Norm sind, obwohl ich auf 5-Turn- und 20-Turn-Modelle gestoßen bin. Bei diesem Ansatz bildet das Widerstandselement eine Spirale mit n Windungen, und der Kontaktarm verschiebt sich nach Bedarf vertikal entlang der Wellenachse. Mit einem längeren Widerstandselement ist eine genauere Platzierung des Wischers möglich und somit eine bessere Auflösung.

Was Ihre Analyse betrifft, so ist sie richtig. Der Betrag der Nichtlinearität steht in direktem Zusammenhang mit dem Verhältnis der beiden Widerstände. Ein größeres Verhältnis ergibt eine bessere Linearität (obwohl dies den Bereich der Feineinstellung einschränkt und eine genauere Grobeinstellung erfordert).

Schließlich, wenn Sie ultimative (und wahrscheinlich unvernünftige) Linearität fordern, schalten Sie die Töpfe überhaupt nicht. Sie verbinden ihre Enden parallel und führen jeden Schleifer einem Verstärker mit einer anderen Verstärkung zu und summieren dann die beiden Ergebnisse in einem Endverstärker.

Ich habe es mit zwei Töpfen in Reihe gemacht, die jeweils als variable Rs (ein Ende zum Wischer) verdrahtet sind, mit einem Operationsverstärker am Ausgang, manchmal befindet sich die Variable R in einer Verstärkungsstufe. (Aber ich mag Spehros Schaltung! Ein weiterer Vorteil, den er vergessen hat zu erwähnen, ~ konstante Eingangsimpedanz.)