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1、数字电位器采用数控方式调节电阻值的，具有使用灵活、调节精度高、无触点、低噪声、不易污损、抗振动、抗干扰、体积小、寿命长等显著优点，可在许多领域取代机械电位器。数字关键词：数字电位器数字电位器采用数控方式调节电阻值的，具有使用灵活、调节精度高、无触点、低噪声、不易污损、抗振动、抗干扰、体积小、寿命长等显著优点，可在许多领域取代机械电位器。数字电位器一般带有总线接口，可通过单片机或逻辑电路进行编程。它适合构成各种可编程模拟器件，如可编程增益放大器、可编程滤波器、可编程线性稳压电源及音调/音量控制电路，真正实现了“把模拟器件放到总线上”(即单片机通过总线控制系统的模拟功能块)这一全新设计理念。1 基
2、本工作原理由于数字电位器可代替机械式电位器，所以二者在原理上有相似之处。数字电位器属于集成化的三端可变电阻器件其等效电路，如图 l 所示。当数字电位器用作分压器时，其高端、低端、滑动端分别用 VH、VL、VW 表示;而用作可调电阻器时，分别用 RH、RL 和 RW表示。图 2 所示为数字电位器的内部简化电路，将 n 个阻值相同的电阻串联，每只电阻的两端经过一个由 MOS 管构成的模拟开关相连，作为数字电位器的抽头。这种模拟开关等效于单刀单掷开关，且在数字信号的控制下每次只能有一个模拟开关闭合，从而将串联电阻的每一个节点连接到滑动端。 数字电位器的数字控制部分包括加减计数器、译码电路、保存与恢复
3、控制电路和不挥发存储器等 4 个数字电路模块。利用串入、并出的加/减计数器在输入脉冲和控制信号的控制下可实现加/减计数，计数器把累计的数据直接提供给译码电路控制开关阵列，同时也将数据传送给内部存储器保存。当外部计数脉冲信号停止或片选信号无效后，译码电路的输出端只有一个有效，于是只选择一个 MOS 管导通。数字控制部分的存储器是一种掉电不挥发存储器，当电路掉电后再次上电时，数字电位器中仍保存着原有的控制数据，其中间抽头到两端点之间的电阻值仍是上一次的调整结果。因此，数字电位器与机械式电位器的使用效果基本相同。但是由于开关的工作采用“先连接后断开”的方式，所以在输入计数有效期间，数字电位器的电阻值
4、与期望值可能会有一定的差别，只有在调整结束后才能达到期望值。从图 2 可以看出，数字电位器与机械式电位器有 2 个重要区别：1)调整过程中，数字电位器的电阻值不是连续变化的，而是在调整结束后才具有所希望的输出。这是因为数字电位器采用 MOS 管作为开关电路，并且采用“先开后关”的控制方法：2)数字电位器无法实现电阻的连续调整，而只能按数字电位器中电阻网络上的最小电阻值进行调整。2 数字电位器的典型应用数字电位器的应用广泛，而且按照不同的分类标准也有很多种类，但是基本原理是相似的，这里以三线加/减式接口的数字电位器 X9313 为例，介绍数字电位器的应用。2.1 内部结构及工作原理 X9313
5、为工业级的 32 抽头数控电位器，最大阻值为 10 k，采用 8 引脚，有DIP、OIC、FSSOP 3 种封装。X9313 的内部功能框图，如图 3 所示。它由输入部分、5 位E2PROM、存储和调用电路、32 选 l 译码器、由 MOS 场效应管构成的 32 路模拟开关、电阻阵列 6 部分组成。其中输入部分是 5 位加/减计数器经过三线加/减式接口()与单片机相连，其工作像一个升/降计数器，输出经译码，控制接通某个电子开关，这样就把电阻阵列上的一个点连接到滑动输出端。电阻阵列由 32 个等值的电阻和与之相配套的电子开关组成。根据控制端的电平，计数器的内容还可以储存到非易失存储器中以便后续使
6、用。2 个顶脚引线分别接 VH 和 VL，中间抽头为 VW。为 3 个控制端，其中，为片选端，为低电平时，X9313 被选中。此时才能接收的信号。在下降沿使计数器增或减 1。如果，滑动端向 VH 方向滑动，VW 与 VH 之间的电阻减小一个阶值。反之，如果，滑动端向 VL 方向滑动。计数器输出译码后，经过 32 选 1，使滑动端的位置沿电阻阵列移动。当计数器达到某个极端(00000 或 11111)时，不会循环回复，从 00000 自动变成1111l，或从 11111 变成 00000，也就是说当为高电平而也为高电平时，计数器的值存储到非易失存储器中，系统上电时，器件自动将非易失性存储器中的值
7、送到计数器，作为计数器的输出。 用数字电位器替代机械式电位器数字电位器的写次数很容易达到煟埃埃按危而机械式电位器的调节次数一般只有几千次，甚至几百次。目前市场上提供的数字电位器的分辨率在级（位）到级（位）甚至更高。对于像显示器对比度调节或其它动态范围要求不高的应用，设计时可以选用低分辨率、低成本的数字电位器。而高分辨率的数字电位器则被广泛用于动态范围高达的音频和设备中。数字电位器具有易失和非易失两种类型，非易失数字电位器与机械式电位器很相似，它们无论上电与否都可以保持电阻值设置，特别是数字电位器，更具有独特的编程特性，每个器件带有一个一次性编程（）存储器，能够在上电复位（）时将抽头位置设置在用
8、户定义的数值，且抽头位置保持可调，但在上电时总是返回到所设置的位置。另外，利用功能也可以关闭接口操作，使抽头位置始终保持在所希望的地方。这样，器件就像一个阻值固定的分压器，而不是电位器。大多数数字电位器可以通过传统的或接口进行编程，有些器件则采用上下脉冲计数调节方式。采用数字电位器有很多优势，首先，这些电位器对灰尘、污垢和潮湿的环境不敏感，而这些因素对于机械式电位器来说则是致命的。数字电位器几乎能够在任何电子系统中替代老式的机械电位器，而不仅仅是在音频产品，图列出了数字电位器的几种典型应用。数字电位器在音频设备中的应用与机械式电位器相比，数字电位器的另一优势是可以直接安装在电路板的信号通道上，
9、而不需要复杂、昂贵的机械与电控的整合方案。数字电位器可提高电子噪声抑制能力，不存在机械电位器连线拾取的干扰信号。传统的数字电位器只是简单地直接取代机械式电位器，它们具有相同的使用方法，因而无需做过多的说明。然而，对于特殊用途的器件，（如低成本立体声音量控制），使用时可能会出现一些特殊问题。数字电位器可以提供对数和线性变化函数，对数变化的数字电位器常用于音频设备中的音量调节，可为具有非线性响应特性的人耳建立一个线性变化的音量控制。目前，高度集成的数字电位器可以在单芯片内提供六个独立的电位器，并支持多声道音频设备，如立体声、环绕杜比系统等。对于音频设备，需要注意每一级抽头位置的瞬变过程，如果抽头位
10、置没有精确地切换到，音频信号会带有噼啪声和砰然声。幸运的是，新一代数字电位器包含的过零检测功能（如）可确保在检测到过零（）或延迟时改变抽头位置，从而可降低抽头位置瞬变时的音频噪声。新一代的音频电位器包含了两个数控电位器，对数抽头，每级变化。最大衰减量为。此外，它还带有静音功能，可将信号衰减。有四个按键输入，可用于音量平衡控制。合理利用其过零检测器，能够实现音量的无缝调节，以得到纯净的音频信号。图提供了一个前置放大器方案，可通过按键控制两个立体声声道。用构成音量控制电路时，需要将交流信号偏置在直流电源范围内，否则，会将低于、高于的音频信号钳位掉，可以采用或电源。由于音频信号通常是对称的，所以，最
11、好将直流偏置设置在，以获得最大的音频信号摆幅。图（）是一个惠斯通桥电路，可用来将输入信号偏置在。该电路允许交流信号通过位于中间位置的电阻（电位器），来对电阻两端进行相同的直流偏置。这一点对于数字电位器非常关键，因为过零检测器是在电位器两端电压为零时切换电位器的位置，因而，可以消除由于数字电位器的非连续切换所造成的噼啪声和砰然声。图（）是在图（）基础上构建的电路，该电路的输入阻抗为，桥电路和输入电容造成的信号衰减为（）。此外，还需要在靠近 DS1802 和 MAX4167 的 VCC 引脚加旁路电容。3 基于电位器的电压电阻转换电路在工业控制和偏置调节电路中，有时需要将电压信号转换成电阻，这一过
12、程在具体实施时有一定的难度。图利用两路数字电位器提供了一个简单的转换方案。图中，数字电位器和运算放大器构成数字采样保持电路，通过调节其内部分压比保证对 的跟踪，这样，滑动端电阻将与成正比。由于、的数字输入是连接在一起的，的滑动端位置与相同，对应端的电阻也相同。这样便可得到与成正比的电阻，从而实现电压至电阻的转换。由于、是完全相同的数字电位器，其数字输入连接在一起，因此，它们的滑动端位置也相同。置为低电平，输出电阻将随着而改变；而置为高电平则将保持阻值不变。也可以将始终接地，在这种情况下，即使保持恒定，输出电阻也会在两个相邻状态之间连续翻转。假如电位器端电阻为，抽头数为，那么，当滑动输出端电阻设
13、置在 时，输出电阻将随时钟在 和 之间跳变。需要时，可以在滑动输出端接一个电容来滤除跳变效应。该电路所允许的时钟频率范围为。而输出电阻并非实时跟随的变化，但经过若干个时钟周期后可以达到其终值。时钟数取决于滑动端的初始位置和输入电压，最大值为（电位器抽头数）。如果需要更高的分辨率，可以用位或位数字电位器替代本电路中的位芯片。注意，上电时将滑动端设置在中心位置，因而，可使两路数字电位器同步工作，并保持相同的电阻。选择数字电位器时，通常需要知道电位器的上电初始状态。 结论数字电位器与机械式电位器相比，除可靠性外，还占用空间较小。另外，由于减小了寄生参数，因而具有较强的抗干扰能力。数字电位器几乎可以在所有应用中替代机械式电位器，以减轻设计人员和最终用户的负担。但使用数字电位器时需要注意其温度系数（）指标，而且对于大多数数字电位器，必需给出两个不同的指标：一个是端至端，表示电阻随温度的绝对变化量，另一个参数指的是比例。数字电位器通常用作分压器，这些应用对绝对阻值的要求并不严格，特别是比例应用。一个比例为的数字电位器便可以在整个温度范围内提供非常稳定的增益配置。而用于可编程增益放大器（）和仪表放大器（）的数字电位器一般需要较高的精度，这些应用一般要求比例系数的容差（精度）在范围内优于。
