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1、 本科毕业论文（设计）本科毕业论文（设计）论文（设计）题目：数控电位器原理及应用论文（设计）题目：数控电位器原理及应用学学 院：职业技术学院院：职业技术学院专专 业：自动化业：自动化班班 级：级：20042004学学 号：号：PB041357022PB041357022学生姓名：马磊学生姓名：马磊指导教师：李疆指导教师：李疆2008 年 月 日贵 贵州大学本科毕业论文（设计） 第 1 页页前言电位器是一种应用最广的电子元件之一。传统的电位器是通过机械结构带动滑片改变电阻值，因此可以称作机械式电位器，其结构简单、价格低，但由于受到材料和工艺的限制，最容易产生滑动片磨损，导致接触不良、系统噪声大甚
2、至工作失灵。随着科技的发展，国外多家公司推出一种采用集成电路工艺生产的电位器，其外形像一只集成块，这种电位器采用数字信号控制，故称为数电位器，亦称数控电位器。数控电位器自 20 世纪 90 年代问世以来，就显示出强大的生命力，它是采用数控方式调节电阻的。具有使用灵活、调节精度高、无触电、低噪声、不易污损、抗振动、抗干扰、体积小、寿命长等显著优点。相对于机械式电位器，使用数控电位器的主要优势是定位精度高，提高系统的可靠性或者提供宽温度范围的性能，消除系统微控制器，提高电子噪声抑制能力；不受机械震动影响，可以简化生产流程，还占用空间较小，提高校准精度和可重复性，并可以通过程控来实现半自动化调节；数
3、控电位器也增加了电路板布线的灵活性。非易失数控电位器的可靠性更高。一次性编程(OTP)数控电位器（如 MAX5427-MAX5429） ，可以在编程后永久保存缺省的抽头位置。另外，由于减小了寄生参数，因而具有较强的抗干扰能力。数控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。相信使用过单片机的人不能不被它强大的功能所折服，我们越来越不敢忽视单片机在电子领域中的作用。数控电位器一般带总线接口，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，例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，是连接数字电路和模拟电路的桥梁，真正实
4、现了“把模拟器件放到总线上” 。目前，数控电位器正在国内外迅速推广，并被大量用到 PC、手机、闭环伺服控制、音频设备、仪器偏移调整及信号调理、智能式仪表、复印机、打印机等办公设备、电动机控制、全球定位系统、DSP 系统中、家用电器、电力监控设备、工业控制、医疗设备等领域。任何需要用电阻来进行参数调整、校准或控制的场合，都可使用数控电位器构成可编程模拟电路。 在我国还是近几年出现的新型器件，虽然许多人在实际应用中对其不够了解，但正在国内正迅速崛起。在国外，数控电位器被应用于许多高科技领域，且被给予很大的重视。贵 贵州大学本科毕业论文（设计） 第 2 页页数控电位器的原理与应用基于三线加/减式接口
5、的数控电位器原理与应用第一章 数控电位器的概述1.1 数控电位器的名词术语1.数控电位器的概念数控电位器是一种专门用来代替传统的机械电位器的新型 CMOS 数字、模拟混合信号处理集成电路。美国 ADI（Analog Devices Inc.模拟器件公司）就是用“Digitally Potentiometer”来表示数控电位器的。2.数控电位器常用的英文缩写如下：DCP （Digitally Control Potentiometer）：数控电位器。美国 Xicor 公司是世界上最早生产数控电位器的厂家，该公司将数控电位器简称为 DCP。RDAC（Resistance Digital to An
6、alog Converter）：电阻式数/模转换器。因数控电位器的输入为数字量，输出为模拟量，是一种特殊的数/模转换器（DAC） ，故称之为电阻式数/模转换器。DPP（Digitally Programmable Potentiometer）：数控可编程电位器。这是美国 CaTalyst公司对数控电位器的简称。Digital Pot（Digital Potentiometer）：数控电位器。这是美国 ADI 对数控电位器的一种简称。DigiPOT（Digital Potentiometer）：数控电位器。这是美国 MAXIM 对数控电位器的一种简称。DVR（Digital Variable R
7、esistor）：数字式可变电阻器。DR（Digital Resistor）：可变（指可编程）电阻器。贵 贵州大学本科毕业论文（设计） 第 3 页页1.2 数控电位器的主要特点及产品分类1.2.1 数控电位器与机械电位器的性能比较1机械电位器的缺点传统的机械电位器属于模拟式分立元件，其特点是在标称电阻范围内，通过改变滑动端的位置来获得所需要的任意电阻值。机械电位器的主要缺点如下：（1）性差、噪声大、易污染、怕潮湿、抗振动性差，容易受环境因素的影响。（2）体积大、使用寿命短。（3）需要手动调节，不仅耗时、费力，而且调节方法及调节效果因人而异，存在人为误差，至使调节精度低，重复性差。（4）当触点接
8、触不良时会产生电噪音（即“咔啦”声） 。2数控电位器的优点近年来问世的数控电位器可圆满解决上述问题。数控电位器亦称数控可编程电阻器，简称数控电位器（DCP） ，是采用 CMOS 工艺制成的数字-模拟混合信号处理集成电路，能在数字信号的控制下自动改变滑动端位置，从而获得所需要的电阻值。数控电位器本身就是一个包括控制接口、存储器和电阻的系统，它是通过软件和控制接口进行编程的，因此在调节过程中不会产生电噪音。与机械电位器相比较，数控电位器具有以下优点：（1）采用集成电路工艺制成的，没有机械电位器特有的滑片，彻底解决了因滑片磨损而造成接触不良的问题。（2）很容易与单片机或计算机接口，通过程序自动调节电
9、阻值，能自动操作，为实现批量产品的自动调节创造了条件。（3）具有存储设置或数据的记忆功能。用户可记忆或不记忆方式。选择记忆方式时将电位器当前的调节位置保存在非易失存储器中，下次通电时自动恢复这一位置；选择不记忆方式时，当系统通电时数控电位器就自动复位，恢复到出厂时默认的零位或其他位置上，这一特性是机械电位器无法比拟的。（4）重复性好，可靠性高，密封性好，低噪声，不容易受污染，防潮湿，抗振动、抗冲击，基本不受温度、湿度、压力等环境因素的影响、使用寿命长，能提高系统的可靠性。贵 贵州大学本科毕业论文（设计） 第 4 页页（5）体积小，可直接安装在印刷板上，能简化生产流程，提高装配速度，降低系统的成
10、本及维修费用。3数控电位器与机械电位器的性能比较数控电位器与机械电位器典型产品的外形比较如图 1.2.1 所示。小型机械电位器（含精密多圈电位器）一般要用小螺钉旋具来调整，数控电位器则用数字信号来调整。图 1.2.1 数控电位器与机械电位器典型产品的外形比较 数控电位器与机械电位器的性能比较见表 1.2.1表 1.2.3。从表 1.2.3 可见，数控电位器具有极高的可靠性能指标（大于 99.999%） 。表 1.2.1 数控电位器与机械电位器性能比较之一1.2.2 数控电位器与机械电位器性能比较之二名称特性电阻变化规律调节方法位置记忆自动恢复使用寿命体积数控电位器集成化有源器件阶梯变化数字控制
11、记忆/不记忆任选有长小机械电位器分立式无源元件连续变化手动控制有无短大特性数控电位器机械电位器分辨率分辨率高。分辨率是生产厂家的测试指标，因此非常可靠，能够保证从理论上讲，可提供无限高的分辨率，但实际上还要取决于调节人员的熟练程度使用灵活性使用灵活，将多个数字电位器进行级联，可提高其电阻值和分辨率使用不灵活贵 贵州大学本科毕业论文（设计） 第 5 页页表 1.2.3 数控电位器与机械电位器性能比较之三工作条件限制受电源电压的限制主要受滑动片与电介质之间击穿电压的限制电源需要电源供电不需要电源供电机械磨损无机械磨损有机械磨损耐久性调整次数几乎是无限的调整次数有限环境影响一般情况下，不受环境因素的
12、影响容易受振动、冲击、湿度和压力的影响滑的端位置保存设置好的滑动端位置可通过内部（或外部）EPROM 长期保存调节滑动端位置时不需要电源。滑动端位置可用石蜡或胶水固定，但以后调整时就很难移动调整通常采用二线或三线串行接口，由微控制器（MCU）进行自动调整。也有的数控电位器是通过按键来调整的，不需要配微控制器。调整时间短需要手动旋钮或用螺钉旋具（螺丝刀）来调整触头，直到欧姆表或电压表上显示出所需要的读数。调整时间长定标线性、对数、指数（一般称作“伪”对数）线性、对数、指数控制距离可实现远程控制，容易实现自动控制不能远程控制，无法实现自动控制噪声无调节噪声当接触不良时会产生噪声温度补偿某些数控电位
13、器中包含温度传感器和非易失存储器，当环境温度发生变化时，可提供查找表来调整电位器输出，实现温度自动补偿不能进行温度补偿成本本身价格稍高，但使用寿命很长，还能节省维修费用，从而降低了总成本本身价格较低，但使用寿命较短，维修费用较高，进行人工调整时还容易出现调整错误，可靠性差，从而大大增加了成本贵 贵州大学本科毕业论文（设计） 第 6 页页综上所述，利用数控电位器代替机械电位器，不仅能改进产品、降低成本、提高可靠性和稳定性，还能利用软件实现系统的自动调节、设置，使系统功能更加强大、使用更灵活。1.2.2 数控电位器的主要特点数控电位器具有以下特点：（1）数控电位器属于模拟-数字混合信号产品，是一种
14、步进可调电阻。其输入为数字量，输出为模拟量，是一种特殊的数/模转换器（DAC） 。但其输出量并非电压或电流，而是电阻值或电阻比率。（2）分辨率与内部RDAC的位数有关，RDAC的位数愈多，分辨率愈高。分辨率、抽头数与RDAC位数的对应关系见表1.2.4。数控电位器内部单元电阻的个数等于抽头数减去1。采用4位RDAC的分辨率仅为6.7%，而采用10位RDAC的分辨率达到0.098%。因此，采用10位RDAC的数控电位器调节精度优于0.1%。由MAX5490、MAX5491、MAX5493型数控电位器，适合构成精密分压器，其最大的比例误差仅为0.035%，在-55+125温度范围对比项目数控电位器
15、机械电位器生产厂家美国 Catalyst 公司Beyschlag Centralab 公司产品型号CAT5114ST3电阻规格/k1010允许偏差（%）1520结构（分辨力）32 抽头单一方向 210 转角封装形式SOIC-8（小型 IC）3L单价（数量100 片）/美元0.751.35安装费用/美元0.040.080.040.08调试费用/美元 0.01（自动调节）0.12（人工调节）使用寿命无限长200 个使用周期可靠性指标99.999%（即CH、CL。 综上所述，可归纳出数控电位器有以下特点： （1）数控电位器可等效为三端可编程电阻。 （2）互补电阻 kR 和（1-k）R 是输入代码的函数。贵 贵州大学本科毕业论文（设计） 第 12 页页（3）数控电位器可视为能输出电阻值的一种特殊的数/模转换器。 （4）数控电位器的输出电阻可转换成电压或电流输出。2.1.2 数控电位器的两种基本配置模式数控电位器有两种基本配置模式，一种为 可调电阻器模式，另一种为分压器模式，分别 如图 2.1.2a、b 所示。 1.配置成可调电阻器 将数控电位器配置成可调电阻器时，必须 考虑数控电位器的滑动端电阻，图 2.1.2a 中， H、L 分别为数控电位器的高端、低端，W 为 滑动端的引出端。设 H、L 端的总电阻为 R， 滑动端电阻为 RW，W-H 端的电阻为 RW
