數(shù)字電位器簡介

　　數(shù)字電位器也稱為數(shù)控電位器，是一種用數(shù)字信號控制其阻值改變的器件（集成電路）。數(shù)字電位器與機(jī)械式電位器相比，具有可程控改變阻值、耐震動、噪聲小、壽命長、抗環(huán)境污染等重要優(yōu)點(diǎn)，因而，已在自動檢測與控制、智能儀器儀表、消費(fèi)類電子產(chǎn)品等許多重要領(lǐng)域得到成功應(yīng)用。但是，數(shù)字電位器額定阻值誤差大、溫度系數(shù)大、通頻帶較窄、滑動端允許電流?。ㄒ话?～3mA）等，這在很大程度上限制了它的應(yīng)用。

　　數(shù)字電位器產(chǎn)品特性

　　1、采用傳感器原理生產(chǎn)，具有良好的線性、精度和溫度穩(wěn)定性。

　　2、采用軟件實(shí)現(xiàn)功能，可以根據(jù)使用要求變化進(jìn)行定制。

　　3、工作方式為非接觸，避免傳統(tǒng)電位器的磨損，壽命長，可靠性高。

　　4、由于取消了傳統(tǒng)電位器中的電刷基片，有效行程達(dá)到360°，實(shí)現(xiàn)無盲區(qū)測量。

　　5、輸出信號類型多（0-5V/0-10V/4-20mA/串行數(shù)字信號輸出），方便信號采集處理。

　　6、可以通過軟件實(shí)現(xiàn)有效行程和輸出信號的變化，滿足各種特殊要求。

　　7、應(yīng)用范圍廣，使用靈活。

　　數(shù)字電位器原理介紹

　　字電位器一般帶有總線接口，可通過單片機(jī)或邏輯電路進(jìn)行編程。它適合構(gòu)成各種可編程模擬器件，如可編程增益放大器、可編程濾波器、可編程線性穩(wěn)壓電源及音調(diào)/音量控制電路，真正實(shí)現(xiàn)了“把模擬器件放到總線上”（即單片機(jī)通過總線控制系統(tǒng)的模擬功能塊）這一全新設(shè)計(jì)理念。

　　由于數(shù)字電位器可代替機(jī)械式電位器，所以二者在原理上有相似之處。數(shù)字電位器屬于集成化的三端可變電阻器件其等效電路。當(dāng)數(shù)字電位器用作分壓器時(shí)，其高端、低端、滑動端分別用VH、VL、VW表示；而用作可調(diào)電阻器時(shí)，分別用RH、RL和RW表示。

　　數(shù)字電位器的數(shù)字控制部分包括加減計(jì)數(shù)器、譯碼電路、保存與恢復(fù)控制電路和不揮發(fā)存儲器等4個(gè)數(shù)字電路模塊。利用串入、并出的加/減計(jì)數(shù)器在輸入脈沖和控制信號的控制下可實(shí)現(xiàn)加/減計(jì)數(shù)，計(jì)數(shù)器把累計(jì)的數(shù)據(jù)直接提供給譯碼電路控制開關(guān)陣列，同時(shí)也將數(shù)據(jù)傳送給內(nèi)部存儲器保存。當(dāng)外部計(jì)數(shù)脈沖信號停止或片選信號無效后，譯碼電路的輸出端只有一個(gè)有效，于是只選擇一個(gè)MOS管導(dǎo)通。

　　數(shù)字控制部分的存儲器是一種掉電不揮發(fā)存儲器，當(dāng)電路掉電后再次上電時(shí)，數(shù)字電位器中仍保存著原有的控制數(shù)據(jù)，其中間抽頭到兩端點(diǎn)之間的電阻值仍是上一次的調(diào)整結(jié)果。因此，數(shù)字電位器與機(jī)械式電位器的使用效果基本相同。但是由于開關(guān)的工作采用“先連接后斷開”的方式，所以在輸入計(jì)數(shù)有效期間，數(shù)字電位器的電阻值與期望值可能會有一定的差別，只有在調(diào)整結(jié)束后才能達(dá)到期望值。

　　數(shù)字電位器的優(yōu)點(diǎn)

　　優(yōu)點(diǎn)一、數(shù)字電位器的使用壽命長，一般以百萬次為單位。

　　優(yōu)點(diǎn)二、數(shù)字電位器能配置成2端可變電阻，可將電位器中心抽頭與高端或低端相連，能將H端接最高電壓或最低電壓端。

　　數(shù)字電位器的缺點(diǎn)

　　缺點(diǎn)一、數(shù)字電位器受CMOS工藝的限制。

　　缺點(diǎn)二、不能直接接負(fù)電源。

　　缺點(diǎn)三、溫度系數(shù)太大。

　　缺點(diǎn)四、額定阻值差大。

　　缺點(diǎn)五、通頻帶較窄。

　　數(shù)字電位器和數(shù)模轉(zhuǎn)換器的區(qū)別

　　1、引言

　　利用數(shù)字輸入控制微調(diào)模擬輸出有兩種選擇：數(shù)字電位器和數(shù)/模轉(zhuǎn)換器（DAC），兩者均采用數(shù)字輸入控制模擬輸出。通過數(shù)字電位器可以調(diào)整模擬電壓;通過DAC既可以調(diào)整電流，也可以調(diào)整電壓。電位器有三個(gè)模擬連接端：高端、抽頭端（或模擬輸出）和低端（見圖1a）。DAC具有隊(duì)?wèi)?yīng)的三個(gè)端點(diǎn)：高端對應(yīng)于正基準(zhǔn)電壓，抽頭端對應(yīng)于DAC輸出，低端則可能對應(yīng)于接地端或負(fù)基準(zhǔn)電壓端（見圖1b）。

　　DAC和數(shù)字電位器存在一些明顯區(qū)別，最明顯的差異是DAC通常包括一個(gè)輸出放大器/緩沖器，而數(shù)字電位器卻沒有。大部分?jǐn)?shù)字電位器需要借助外部緩沖器驅(qū)動低阻負(fù)載。有些應(yīng)用中，用戶可以輕易地在DAC和數(shù)字電位器之間做出選擇;而有些應(yīng)用中兩者都能滿足需求。本文對DAC和數(shù)字電位器進(jìn)行了比較，便于用戶做出最恰當(dāng)?shù)倪x擇。

　　2、數(shù)/模轉(zhuǎn)換器

　　DAC通常采用電阻串結(jié)構(gòu)或R-2R階梯架構(gòu)，使用電阻串時(shí)，DAC輸入控制著一組開關(guān)，這些開關(guān)通過匹配的一系列電阻對基準(zhǔn)電壓分壓。對于R-2R階梯架構(gòu)，通過切換每個(gè)電阻對正基準(zhǔn)電壓進(jìn)行分壓，從而產(chǎn)生受控電流。該電流送入輸出放大器，電壓輸出DAC將此電流轉(zhuǎn)換成電壓輸出，電流輸出DAC則將R-2R階梯電流通過放大器緩沖后輸出。如果選擇DAC，還要考慮具體指標(biāo)，如串口/并口、分辨率、輸入通道數(shù)、電流/電壓輸出、成本等。對于注重速度的系統(tǒng)，可以選用并行接口;如果注重成本和尺寸，則可選用3線或2線串口，這種器件引腳數(shù)較少，可顯著降低成本，而且，有些3線接口能達(dá)到26MHz的通信速率，2線接口能夠達(dá)到3.4MHz的速率。DAC的另一個(gè)指標(biāo)是分辨率，16位或18位DAC可以提供微伏級控制。例如，一個(gè)18位、2.5V基準(zhǔn)的DAC，每個(gè)LSB對應(yīng)于9.54μV，高分辨率對于工業(yè)控制（如機(jī)器人、發(fā)動機(jī)）產(chǎn)品極為重要。目前，數(shù)字電位器能夠提供的最高分辨率是10位或1024抽頭。數(shù)/模轉(zhuǎn)換器的另一個(gè)優(yōu)勢是能夠在單芯片內(nèi)集成多路轉(zhuǎn)換器，例如，MAX5733內(nèi)置32路DAC，每路都能提供16位的分辨率。當(dāng)前的數(shù)字電位器最多只能提供6個(gè)通道，如DS3930。

　　DAC能夠源出或吸入電流，為設(shè)計(jì)者提供更大的靈活性。例如，MAX555010位DAC通過內(nèi)部放大器、P溝道MOSFET和上拉電阻能夠提供高達(dá)30mA的輸出驅(qū)動。而MAX554710位DAC結(jié)合放大器、N溝道MOSFET和下拉電阻可以提供3.6mA的吸電流。除電流輸出外，一些DAC還可以與外部放大器連接提供額外的輸出控制。因?yàn)閿?shù)/模轉(zhuǎn)換器通常內(nèi)置放大器，成本要高于數(shù)字電位器。但隨著新型DAC尺寸的縮小，成本差異也越來越小。

　　3、數(shù)字電位器

　　前面已談到數(shù)字電位器可以通過數(shù)字輸入控制電阻。圖1a中的3端數(shù)字電位器實(shí)際上是一個(gè)固定端到端電阻的可調(diào)電阻分壓器。通過將電位器中心抽頭與高端或低端相連，或使高端或低端浮空，數(shù)字電位器能配置成2端可變電阻。與數(shù)/模轉(zhuǎn)換器不同，數(shù)字電位器能將H端接最高電壓或最低電壓端。選用數(shù)字電位器時(shí)，用戶也需考慮具體的指標(biāo)：線性或?qū)?shù)調(diào)節(jié)、抽頭數(shù)、抽頭級數(shù)、非易失存儲器、成本等?？刂平涌谟羞f增/遞減、按鈕、SPI和I2C。

　　與數(shù)/模轉(zhuǎn)換器一樣，數(shù)字電位器通過串口通信，包括I2C和SPI。此外，數(shù)字電位器還提供了2線的遞增、遞減接口控制。通常，DAC與數(shù)字電位器的顯著區(qū)別在于數(shù)/模轉(zhuǎn)換器內(nèi)部帶有輸出放大器。通過該輸出放大器可以驅(qū)動低阻負(fù)載。

　　4、DAC/電位器的選擇

　　很多應(yīng)用場合，用戶可以輕易地在DAC和電位器之間做出選擇。要求高分辨率的電機(jī)控制、傳感器或機(jī)器人系統(tǒng)，需要選用DAC。另外，高速應(yīng)用中，例如基站、儀表等對速度、分辨率要求較高，甚至需要并行接口的DAC。電位器的線性特性便于實(shí)現(xiàn)放大器反饋網(wǎng)絡(luò)。相對于數(shù)/模轉(zhuǎn)換器，對數(shù)電位器更適合音量調(diào)節(jié)。

　　但在當(dāng)前的許多應(yīng)用中，DAC與數(shù)字電位器之間選擇的界限比較模糊，圖2中的DAC和數(shù)字電位器都可用于控制MAXl553LED驅(qū)動器。MAXll53亮度（BRT）輸入的直流電壓和檢流電阻決定了LED的電流。

　　區(qū)分?jǐn)?shù)字電位器的性能

　　數(shù)字電位器，或digipot，方便了模擬電路的電阻、電壓以及電流的數(shù)字控制和調(diào)整。數(shù)字電位器通常用于電源校準(zhǔn)、音量控制、亮度控制、增益調(diào)節(jié)以及光模塊的偏置/調(diào)制電流調(diào)節(jié)。數(shù)字電位器除基本功能外，還提供許多其它功能，以增強(qiáng)系統(tǒng)性能，簡化設(shè)計(jì)。這些功能包括：不同類型的非易失存儲器、過零檢測、去抖動按鍵接口、溫度補(bǔ)償和寫保護(hù)。這些功能針對不同的應(yīng)用而設(shè)計(jì)。

　　基本的數(shù)字電位器設(shè)計(jì)

　　電位器實(shí)際上是一個(gè)三端元件（見圖1a）。低端VL在內(nèi)部連接至器件地或作為引腳輸出，便于設(shè)計(jì)。三端數(shù)字電位器的結(jié)構(gòu)實(shí)質(zhì)上是一個(gè)具有固定端到端電阻的可調(diào)節(jié)分壓電阻。

　　可變電阻是雙端電位器，抽頭和一個(gè)電阻串端點(diǎn)的阻值可變（參考圖1b）。調(diào)節(jié)可變電阻數(shù)字電位器的抽頭位置，可以改變數(shù)字電位器的端到端電阻。

　　圖1.（a）三端數(shù)字電位器的結(jié)構(gòu)實(shí)質(zhì)上是一個(gè)具有固定端到端電阻的可調(diào)節(jié)分壓電阻。（b）可變電阻為雙端數(shù)字電位器，抽頭內(nèi)部連接到電位器的一端。

　　簡單地說，數(shù)字電位器是由數(shù)字輸入控制的模擬輸出，類似于數(shù)/模轉(zhuǎn)換器（DAC）的定義。與DAC不同的是，DAC提供經(jīng)過緩沖的輸出，而絕大多數(shù)數(shù)字電位器在沒有外部緩沖器的情況下不能驅(qū)動低阻負(fù)載。

　　對于數(shù)字電位器，最大抽頭電流范圍為幾百微安到毫安級。當(dāng)數(shù)字電位器的抽頭連接到低阻負(fù)載時(shí)，無論是可變電阻還是真正的數(shù)字電位器，一定要確保在最糟糕的工作條件下抽頭電流處于可接受的IWIPER范圍?？勺冸娮璧淖畈钬?fù)載發(fā)生在VW接近VH時(shí)。在這個(gè)點(diǎn)上，電路中除抽頭電阻以外可能沒有其它電阻限制電流。但是，有些應(yīng)用中可能要求很大的抽頭電流，這種情況下，需要重點(diǎn)考慮電位器抽頭的壓降，這個(gè)壓降限制了數(shù)字電位器的輸出動態(tài)范圍。

　　根據(jù)應(yīng)用需求改進(jìn)設(shè)計(jì)

　　數(shù)字電位器的應(yīng)用范圍很廣，一些設(shè)計(jì)中可能需要外加器件，以滿足對數(shù)字電位器的“精密調(diào)節(jié)”要求。例如，數(shù)字電位器的端到端電阻范圍為10kΩ和200kΩ，而控制LED亮度時(shí)常常需要小電阻。解決這個(gè)問題的方案是DS3906，該芯片與105Ω的固定電阻并聯(lián)使用，可提供70Ω至102Ω的等效電阻。這種配置下可以獲得0.5Ω的步進(jìn)調(diào)節(jié)，精確調(diào)節(jié)LED亮度。另一個(gè)解決方案是多通道數(shù)字電位器，如MAX5477或MAX5487，可以多個(gè)通道相互組合得到不同的調(diào)節(jié)電阻步長，達(dá)到數(shù)字電位器的分辨率要求。

　　有些情況可能需要更特殊的數(shù)字電位器功能，對于需要溫度補(bǔ)償?shù)碾妷夯螂娏髡{(diào)節(jié)，如光模塊的光驅(qū)動器偏置，可以選擇基于查找表的可變電阻。一些數(shù)字電位器集成了EEPROM（用于存儲溫度變化時(shí)的校準(zhǔn)數(shù)據(jù)）和內(nèi)部溫度傳感器（用于測量環(huán)境溫度）。數(shù)字電位器按照測量溫度在查找表中檢索到對應(yīng)的數(shù)值，調(diào)整可變電阻。基于溫度查找表的數(shù)字電位器通常用來修正電路元件的非線性溫度響應(yīng)，如激光二極管或光電二極管；也可以根據(jù)應(yīng)用需要，有意建立一個(gè)非線性電阻的溫度響應(yīng)。

　　非易失存儲器是數(shù)字電位器中引入的比較常見的低成本功能電路，標(biāo)準(zhǔn)的基于EEPROM的非易失（NV）數(shù)字電位器在上電復(fù)位（POR）期間進(jìn)入一個(gè)已知狀態(tài)。EEPROM能夠確保50，000次的重復(fù)寫次數(shù)，相對于機(jī)械電位器，大大提高了系統(tǒng)的可靠性。一次性編程（OTP）數(shù)字電位器，如MAX5427/MAX5428/MAX5429，采用熔絲設(shè)置，永久保存默認(rèn)的抽頭位置。與基于EEPROM的數(shù)字電位器一樣，POR后OTP數(shù)字電位器初始化到已知狀態(tài)。然而，OTP數(shù)字電位器的POR狀態(tài)一旦編程后不能重寫。所以，OTP很適合工廠編程或產(chǎn)品校準(zhǔn)。熔絲永久性地設(shè)置OTP數(shù)字電位器的POR抽頭位置，無需鎖定抽頭位置。有些OTP數(shù)字電位器的抽頭在熔絲編程后可以調(diào)節(jié)；有些OTP數(shù)字電位器的抽頭位置則被永久性地設(shè)置，得到一個(gè)精確的、經(jīng)過校準(zhǔn)的電阻分壓器。一些數(shù)字電位器提供鎖定寄存器，或數(shù)字控制輸入，使數(shù)字電位器接口呈高阻態(tài)，避免不恰當(dāng)?shù)某轭^調(diào)整。EEPROM數(shù)字電位器的寫保護(hù)功能還降低了功耗。

　　數(shù)字電位器可以在電源或其它需要工廠校準(zhǔn)的系統(tǒng)中完成電壓和電流校準(zhǔn)。與機(jī)械電位器或分離電阻等費(fèi)時(shí)且不精確的手動校準(zhǔn)相比，數(shù)字電位器有助于提高制造商的生產(chǎn)能力，改善校準(zhǔn)精度和重復(fù)性指標(biāo)。另外，數(shù)控電位器便于遠(yuǎn)程調(diào)試和重新校準(zhǔn)。需要校準(zhǔn)多個(gè)電壓和/或電流時(shí)，使用DS3904/DS3905等三路NV數(shù)字電位器非常理想（圖2）。這種情況下，一個(gè)小體積數(shù)字電位器可以代替三個(gè)機(jī)械電位器。用數(shù)字電位器替代機(jī)械電位器還有助于提高電路布局的靈活性，因?yàn)閿?shù)字電位器不需要在安裝或維護(hù)期間進(jìn)行機(jī)械調(diào)整。校準(zhǔn)是OTP或EEPROM寫保護(hù)功能的典型應(yīng)用，其中EEPROM寫保護(hù)更有利于設(shè)計(jì)。

　　圖2.DS3904/DS3905三路非易失數(shù)字電位器，可理想用于需要校準(zhǔn)多路電壓/電流的系統(tǒng)。這款小尺寸IC可以替代3個(gè)機(jī)械電位器。

　　雖然不是數(shù)字電位器，DS4303等具有簡單的單線數(shù)字控制接口的采樣/保持電壓基準(zhǔn)也能用于產(chǎn)品校準(zhǔn)（圖3）。緊湊的設(shè)計(jì)非常符合校準(zhǔn)的需求，電壓基準(zhǔn)輸出在被控制信號鎖定之前取決于輸入電壓，輸出鎖定后，除非重新編程或掉電，否則輸出將不再發(fā)生變化，與輸入電壓無關(guān)。最新產(chǎn)品把鎖定后的輸出電壓存儲在EEPROM中，電源上電后可重新恢復(fù)。

　　圖3.非易失采樣/保持電壓基準(zhǔn)DS4303，雖然不是數(shù)字電位器，但可理想用于產(chǎn)品校準(zhǔn)。校準(zhǔn)時(shí)，在被控制信號（ADJ）鎖定之前，DS4303輸出（VOUT）取決于輸入電壓（VIN）。

　　改進(jìn)后的按鍵接口是傳統(tǒng)接口（增/減和旋轉(zhuǎn)控制）的補(bǔ)充。帶有緩沖輸出的數(shù)字電位器MAX5486使用了這種接口。這種經(jīng)過去抖的按鍵接口基于按鍵按下的時(shí)間，用變化的速度控制抽頭動作。按鍵接口不需要微控制器，降低了系統(tǒng)設(shè)計(jì)的復(fù)雜度。去抖動按鍵接口對于音量控制尤其重要。

　　針對音頻應(yīng)用設(shè)計(jì)的數(shù)字電位器通常提供過零檢測電路，過零檢測可以抑制抽頭從一個(gè)位置跳變到另一個(gè)位置時(shí)的可聞噪聲。該功能使能后，過零檢測電路將抽頭動作推遲到VL接近VH時(shí)。很多過零檢測電路還提供最大抽頭變化的延遲，方便直流調(diào)節(jié)及其它特定電路。

　　結(jié)論

　　簡單的易失性數(shù)字電位器在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中仍然實(shí)用，而針對特殊應(yīng)用設(shè)計(jì)的數(shù)字電位器和可變電阻提供了更多的功能。目前，很多設(shè)計(jì)者希望替換機(jī)械電位器，提高系統(tǒng)的可靠性和在整個(gè)工作溫度范圍內(nèi)的性能，省去系統(tǒng)微處理器，或抑制咔嗒/噼噗聲。對于這些需求，數(shù)字電位器充分展現(xiàn)它的優(yōu)勢，數(shù)字電位器的應(yīng)用越來越普遍。