Un potentiomètre électronique monolithique

Cette petite platine peut être utilisée pour régler le volume d’un amplificateur audio, la tension de sortie d’une alimentation variable, la durée d’une temporisation, etc. Le rapport entrée/sortie peut être modifié en agissant sur deux poussoirs ou bien, avec des niveaux logiques adéquats, sur les entrées de contrôle, ce qui permet de le commander à distance.



Caractéristiques techniques
- Alimentation nominale : 12 Vcc
- Consommation : <1 mA
- Bornier 3 pôles : équivaut aux 3 cosses d’un potentiomètre mécanique
- Deux poussoirs : (augmente/diminue) pour le réglage du potentiomètre intégré à l’intérieur de U2
- Quatre versions pour U2 :
            X9C102 : pot. 1 kΩ
            X9C103 : pot. 10 kΩ
            X9C503 : pot. 50 kΩ
            X9C104 : pot. 100 kΩ

Cet article vous propose une application typique d’un potentiomètre numérique : il s’agit d’une puce X9Cxxx Xicor (pour en savoir plus connectez-vous sur le site du constructeur www.xicor.com). Les xxx montrent qu’on a à faire à une série de divers modèles se distinguant par la valeur de la résistance totale. Dans ces composants on a, en plus du potentiomètre proprement dit, une logique intégrée pilotant le mouvement du curseur.
La gestion du potentiomètre peut être confiée à un microcontrôleur ou, manuellement, à deux simples micropoussoirs.
Prévoyant que, dans un appareil complexe, comme un amplificateur Hi-Fi, le microcontrôleur doit gérer plusieurs niveaux de tensions, le constructeur a inséré une ligne de commande à l’intérieur de l’unité logique, dite CS (“Chip Select”) : cela permet de connecter avec un unique bus de deux fils plusieurs dispositifs X9Cxxx et d’activer, en les distinguant, celui auquel les instructions qui arrivent sont destinées.

Une application possible (la commande à poussoirs)
Le potentiomètre numérique peut être géré par poussoirs en agissant sur ses lignes de commande : par exemple, il suffit de donner un niveau logique constant à la broche 2 (niveau logique haut si l’on veut rapprocher le curseur virtuel de l’extrémité haute, VH/RH, niveau logique bas si on veut le rapprocher de l’autre extrémité, VL/RL) avec un inverseur ou un simple interrupteur, puis fournir les impulsions d’avancement (avec le poussoir) au zéro logique sur la broche 1 (INC).
Dans cette application nous vous proposons justement une gestion manuelle à poussoirs : le curseur progresse vers le haut ou vers le bas sous l’action de deux poussoirs nommés l’un “High” et l’autre “Low”. La particularité du circuit tient dans le fait que le déplacement est automatique et progressif : tant que le poussoir est maintenu pressé, le niveau de sortie se rapproche lentement de celui de VH/RH ou de VL/RL (voir figure 1).
Continuons à nous référer au schéma électrique de cette figure : le circuit intégré U2 est alimenté en 5 V stabilisé fourni par le régulateur U3 7805 à partir de la tension principale appliquée en + et – PWR.
Les extrémités sont accessibles à travers les contacts RH (haut) et RL (bas), de même que le curseur au point RW.
C’est justement l’accessibilité de ces trois extrémités qui fait de notre montage un étage tout à fait universel d’emploi : vous pouvez en effet connecter les contacts à n’importe quel réseau électrique, avec une seule condition, le potentiel appliqué à RH et RL ne doit pas dépasser celui de l’alimentation de la puce Xicor, c’est-à-dire 5 V.
Par exemple, pour contrôler le volume d’une source BF, il suffit de connecter RL à la masse de référence de la sortie correspondante, RH à cette sortie et RW à l’entrée du dispositif suivant (par exemple un étage final de puissance). Comme tous les potentiomètres présentant une certaine résistance, celui-ci également est plutôt fait pour traiter des signaux de bas niveaux et à faibles courants : plane songez donc pas à le monter dans un circuit de réglage du niveau sonore d’enceintes acoustiques.
Analysons maintenant le circuit en commençant par la touche “Low” servant à rapprocher le curseur virtuel du point RL. Si on le maintient pressé on force au zéro logique la broche 2 et ce niveau se communique à U2 : chaque impulsion de niveau logique bas envoyé sur la broche 1, jusqu’au relâchement de P2, fait descendre le curseur d’un “cran” (d’un pas), c’est-à-dire le connecte à la résistance immédiatement la plus proche de VL/RL sur le partiteur interne.
Le niveau logique bas imposé par le poussoir force la commutation au niveau logique haut de la broche 3 de la NAND U1a, puisque, avec P1 au repos, la broche 2 (l’autre entrée de la porte…) est fixée au 1 logique : cette commutation détermine avant tout un 1 logique sur les deux entrées de la U1b, dont la sortie passe de 1 à 0, ce qui active le X9Cxxx à travers la ligne de commande CS. Cela arrive grâce au réseau de retard R3/C9, quelques instants après le réglage de U/D, condition conforme aux spécifications du constructeur et servant à initialiser correctement l’unité interne de contrôle.
La commutation 0/1 à la sortie de la NAND U1a active aussi un générateur d’onde rectangulaire construit autour d’une autre NAND, U1d : celle-ci, utilisant la caractéristique de trigger de Schmitt de ses propres entrées et la rétroaction opérée par le réseau R4/C10, produit entre sa broche 11 et la masse une série d’impulsions de 5 V avec des intervalles de pause de 0 V. Sur le front de commutation négative, la broche INC du potentiomètre numérique reçoit la commande de déplacement du curseur sur l’échelle interne des résistances.
L’avancée du point RW vers le point RL commence ainsi et elle cesse quand le minimum est atteint (broche 6 reliée, abstraction faite de la résistance des interrupteurs CMOS, à la 5) et quand P2 est relâché (auquel cas la sortie de U1a reprend le niveau logique bas et désactive le générateur d’impulsions, ce qui arrête le déplacement du curseur).
En outre, pour un bref instant, les entrées de U1b aussi reprennent le niveau logique 0 et ses sorties reprennent le niveau logique 1, ce qui désactive la logique de contrôle du potentiomètre.
Voyons maintenant la fonction opposée, c’est-à-dire de quelle manière se déplace le point RW vers l’extrémité haute (RH) : si l’on presse P1 (“High”) et si P2 est au repos, la NAND U1a fait encore passer l’état de sa sortie au niveau logique haut, alors qu’une de ses entrées (broche 2) est contrainte au zéro logique. Ici il se passe à peu près ce que nous avons analysé précédemment : le multivibrateur astable construit autour de U1d produit sa propre onde triangulaire, envoie des impulsions à la broche 1 (INC) et, quelques fractions de secondes après, U1b met sa broche 10 au zéro logique ce qui active le circuit intégré à travers le CS (7).
La différence est qu’au moment de la commutation 1/0 sur le “Chip Select” (CS), la broche 2 se trouve au niveau logique haut, maintenu par la résistance de “pull-up” R2 : par conséquent les transitions 0/1 de la composante produite par la NAND U1d impliquent le déplacement progressif du point de sortie du potentiomètre vers l’extrémité connectée à RH.
Dans ce cas aussi, le curseur virtuel se déplace d’une résistance à la fois jusqu’à atteindre le point RH (broche 3) auquel il sera relié (même si c’est à travers la résistance interne de l’interrupteur CMOS) si P1 n’a pas été relâché avant.

Figure 1 : Schéma électrique du potentiomètre électronique.

Figure 2a : Schéma d’implantation des composants du potentiomètre électronique.

Figure 2b : Dessin, à l’échelle 1, du circuit imprimé du potentiomètre électronique.

Figure 3 : Photo d’un des prototypes de la platine du potentiomètre électronique.

Liste des composants
R1 .... 47 kΩ
R2 .... 47 kΩ
R3 .... 100 kΩ
R4 .... 1 MΩ
C1 .... 100 nF multicouche
C2 .... 220 μF 25 V électrolytique
C3 .... 100 nF multicouche
C4 .... 220 μF 25 V électrolytique
C5 .... 100 nF multicouche
C6 .... 47 μF 50 V électrolytique
C7 .... 22 nF multicouche
C8 .... 22 nF multicouche
C9 .... 100 nF multicouche
C10 ... 100 nF multicouche
D1 .... 1N4007
U1 .... HEF4093B
U2 .... X9C102/103/104/503*
U3 .... L7805
P1 .... micropoussoir
P2 .... micropoussoir
* au choix, en fonction de la résistance totale souhaitée.

Divers :
1 ..... prise d’alimentation
1 ..... bornier 2 pôles
1 ..... bornier 3 pôles
1 ..... support 2 x 7
1 ..... support 2 x 4
Sauf spécification contraire, toutes les résistances sont des 1/4 W à 5 %.


La réalisation pratique
Nous pouvons maintenant passer à la construction de l’appareil. La platine tient sur un petit circuit imprimé simple face dont la figure 2b donne le dessin à l’échelle 1.
Quand vous l’avez devant vous, montez tous les composants en suivant les figures 2a et 3 et la liste des composants.
Procédez par ordre en commençant par les deux supports des circuits intégrés et en terminant par les borniers et la prise d’alimentation.
N’oubliez pas de monter le “strap” filaire à côté de C4 et C5. Avant d’insérer les deux circuits intégrés qui ont un support, alimentez le circuit (en 12 V) et contrôlez les tensions (12 V en amont de U3 et 5 V en aval).
Coupez l’alimentation et insérez les deux circuits intégrés ensuite (ne vous trompez surtout pas de sens !).
L’appareil est alors prêt à l’emploi mais, avant de passer aux exemples d’utilisation, voici quelques indications importantes.
L’alimentation requise est une tension de 12 V (on a besoin d’un courant de 30 mA plus celui éventuellement débité par les bornes de la prise auxiliaire). Ensuite, l’appareil permet d’alimenter un circuit, relié aux bornes du potentiomètre, fonctionnant en 12 Vcc.
Par ces bornes vous pouvez introduire l’alimentation si vous comptez incorporer ce potentiomètre numérique dans un appareil déjà monté : dans ce cas, aucune alimentation n’est à fournir à la prise PWR, il suffit de connecter + et – du bornier auxiliaire au + et au – de l’alimentation (entre 9 et 15 Vcc) de l’appareil-hôte.
Si vous avez peur de vous tromper dans les connexions ou la polarité, alimentez le circuit par les points + et – PWR : D1 protège alors les composants contre toute erreur de polarité.

La mise en fonctionnement
Pour toutes les utilisations souvenezvous que les extrémités RH et RL ne peuvent accepter des potentiels dépassant 5 V (positif ou négatif) sous peine de destruction de la puce Xicor. D’autre part, le curseur aura toujours une résistance série de 40 ohms (correspondant à la résistance interne des CMOS), qu’il soit tourné vers le minimum RL ou le maximum RH. Pour utiliser le potentiomètre comme résistance variable, il suffit de relier en série au circuit (par exemple un réseau R/C) une des extrémités RL ou RH et RW : bien entendu avec la première la résistance diminue quand on presse P2 et augmente quand on presse P1.
En revanche si on connecte seulement RH et RW la résistance croit en pressant P2 et diminue en pressant P1. Rien n’empêche d’utiliser la configuration classique du rhéostat semifixe, c’est-à-dire de relier une extrémité au curseur.
Par exemple, si on relie ensemble RW et RL, la résistance série croît quand on presse P2 et diminue quand on presse P1 alors que si on relie ensemble RH et RW, la résistance série diminue quand on presse P2 et augmente quand on presse P1.
Si l’on souhaite utiliser le montage pour contrôler le volume d’un ampli stéréo, il faudra en prévoir deux exemplaires et les commander ensemble en reliant entre elles les broches 2 (U/D) des circuits intégrés Xicor et les 2 des CD4093. Dernière précision : il n’est pas indispensable de respecter la disposition des extrémités du potentiomètre, on peut intervertir le haut (VH/RH) et le bas (VL/RL).
Par exemple, en contrôle de volume la broche 3 peut prendre la place de la 6 et vice versa.
Mais souvenez-vous qu’une telle inversion vous obligerait à repenser de manière inversée toutes nos descriptions analytiques !

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