數(shù)字電位器基本知識(shí)與應(yīng)用技巧

1、數(shù)字電位器基本知識(shí)與應(yīng)用技巧摘要：筆者比較了數(shù)字電位器和機(jī)械電位器的主要性能參數(shù)，結(jié)合數(shù)字電位器一些新的應(yīng)用深入闡述了數(shù)字電位器的使用要點(diǎn)。對(duì)于設(shè)計(jì)人員而言，數(shù)字電位器正變得越來越重要，它們具有很多優(yōu)點(diǎn)，但也存在很多限制。下面比較機(jī)械電位器，數(shù)字電位器的共同點(diǎn)和區(qū)別，并由此幫助讀者了解如何使用數(shù)字電位器。電位器的出現(xiàn)有很長(zhǎng)的歷史，它以各種方式應(yīng)用在廣泛的領(lǐng)域，如常數(shù)調(diào)整和測(cè)量領(lǐng)域。最常見的莫過于設(shè)定和微調(diào)電阻值來微調(diào)電路，設(shè)置電平和調(diào)整增益等。電位器也被用來設(shè)計(jì)機(jī)器人和工業(yè)設(shè)備中的位置反饋。針對(duì)電位器需要考慮的各個(gè)方面，需針對(duì)特定應(yīng)用的各種需求來設(shè)置。如電位器上的最大電壓，各臂所能提供的最大電

2、流，能允許消耗的最大功率以及最需要考慮的電阻問題。從功率到噪聲的各個(gè)方面。單個(gè)電阻的誤差通常有+/-20%到+/-5%，溫度也會(huì)造成電阻值的漂移，所以需要考慮電位器的精度，線性，單調(diào)性與否，是否考慮設(shè)計(jì)中其它因素。比如人耳對(duì)聲音的頻率響應(yīng)將比較重要。斷電與加電時(shí)電阻的變化，成本和體積，還有可靠性如裝配，潮濕等。在愛迪生一千多項(xiàng)的發(fā)明當(dāng)中,電位器總是為人們所遺忘。它是在十九世紀(jì)七十年代被發(fā)明并應(yīng)用在開關(guān)中。如圖一所示。1 / 8經(jīng)一百年來，隨著材料及外形的改變，機(jī)械電位器在一些初級(jí)的應(yīng)用中受到極大的關(guān)注。無可置疑機(jī)械電位器和數(shù)字電位器有許多區(qū)別，而它們的共性卻令人驚訝。其中最大相同就是它們都具有

3、可調(diào)性，能提供大范圍的端到端電阻。機(jī)械電位器可耐上千伏的高壓，數(shù)字電位器受制于小體積通常電壓在30伏以內(nèi)。機(jī)械電位器電阻容量也比數(shù)字電位器大。然而我們只要稍加考慮就可以解決上述問題。機(jī)械電位器受振動(dòng)發(fā)生電阻飄移的時(shí)候會(huì)給設(shè)計(jì)造成問題。機(jī)械電位器的接觸點(diǎn)因磨損，老化而造成電阻增大或失效，進(jìn)而使機(jī)械電位器的性能無法預(yù)知。數(shù)字電位器則無因機(jī)械結(jié)構(gòu)造成上述的問題，可以經(jīng)上萬(wàn)次開關(guān)操作而依然保持一致。數(shù)字電位器通常采用多晶硅或薄膜電阻材料，具有低噪聲，高精度和優(yōu)良的溫度系數(shù)。機(jī)械電位器和數(shù)字電位器尺寸大小比對(duì)如圖二所示。數(shù)字電位器另一個(gè)顯著優(yōu)點(diǎn)是可編程性，它可以象EEPROM一樣電壓編程來調(diào)節(jié)電阻，可以

4、取代電壓跟隨器，還可以象數(shù)模轉(zhuǎn)換器一樣來控制或設(shè)置電壓電流。數(shù)字電位器的主要參數(shù)特性如下圖所示。在使用數(shù)字電位器來設(shè)置電壓時(shí)，如需限定電壓輸出范圍，只需在數(shù)字電位器的供電回路上串聯(lián)電阻即可。下圖給出將輸出電壓范圍從0到15V改變成6+/-1V，其中只需增加電阻R1和R3。用電位器來調(diào)整放大器增益的電路得到廣泛應(yīng)用，如液晶顯示（LCD）中的對(duì)比度調(diào)節(jié)，傳感器校準(zhǔn)和數(shù)字多媒體播放等。機(jī)械電位器因工藝原因，端到端的電阻誤差行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)是+/-20%。當(dāng)電阻值偏大時(shí)，電路分辯率降低。當(dāng)電阻值偏小時(shí)，電路調(diào)節(jié)范圍縮小。如下圖所示。此20%誤差帶來的增益波動(dòng)，在開環(huán)應(yīng)用中因無補(bǔ)償控制將會(huì)引起嚴(yán)重的后果。數(shù)字電

5、位器可以將通道電阻的匹配精度做到1%，從而有效解決了電阻誤差帶來的增益波動(dòng)問題。在數(shù)字音頻應(yīng)用中，數(shù)字電位器大量取代了機(jī)械電位器是因?yàn)閿?shù)字電位器具有高可靠性，數(shù)字控制，易于在線性和對(duì)數(shù)性間轉(zhuǎn)換和更好的穩(wěn)定性。這其中的工程挑戰(zhàn)有：音頻信號(hào)電壓范圍應(yīng)在電路供電范圍內(nèi)，即不能高于Vdd也不能低于Vss。上電順序?yàn)椋菏紫仁请娫吹睾驼?fù)電源，然后是數(shù)字信號(hào)，最后是數(shù)字電位器的內(nèi)置ESD的A，W，B端口。電位器端到端電阻誤差問題。可以將電位器在電路中接成電阻分壓式，這樣電位器的輸出取決于游標(biāo)的位置而與電阻誤差無關(guān)。如下圖所示。上電時(shí)電位器游標(biāo)值問題。對(duì)于機(jī)械電位器，只要不改變游標(biāo)位置，斷電再?gòu)?fù)電后，游標(biāo)值

6、保持不變。對(duì)于數(shù)字電位器情況則不一樣。有的數(shù)字電位器內(nèi)置EEPROM，將游標(biāo)值記錄下來，復(fù)電后游標(biāo)值保持不變。有的數(shù)字電位器復(fù)電后將游標(biāo)自動(dòng)設(shè)為中值。有的數(shù)字電位器在復(fù)電后將游標(biāo)隨機(jī)設(shè)值。這需要使用者仔細(xì)查閱相關(guān)規(guī)格書，不可一概而論。上電噪聲問題。音頻電路在上電或電路切換瞬間，容易因電壓突變而在喇叭中發(fā)出“砰蓬”聲，對(duì)音質(zhì)而言是一種噪音。有的數(shù)字電位器內(nèi)置過零點(diǎn)電路，使音頻電路上電或電路切換發(fā)生在電壓過零點(diǎn)處，從而避免電壓突變，消除了“砰蓬”聲。音量調(diào)節(jié)均勻性問題。人耳對(duì)音頻實(shí)際上是呈對(duì)數(shù)性反應(yīng)而非線性。絕大部分機(jī)械電位器按線性設(shè)計(jì)，這樣在調(diào)節(jié)音量大小時(shí)，聲音強(qiáng)弱并不均勻增加或減少。數(shù)字電位器

7、可按對(duì)數(shù)性即按dB設(shè)計(jì)，這樣無需額外的電路設(shè)計(jì)而解決音量調(diào)節(jié)均勻性問題。數(shù)字電位器還可以應(yīng)用在數(shù)字濾波器電路中。下圖為Analog Devices 公司給出的電路圖和計(jì)算公式。需要特別注意的是數(shù)字電位器本身的帶寬限制跟游標(biāo)值的設(shè)定有關(guān)，詳情請(qǐng)查閱廠家的應(yīng)用手冊(cè)。數(shù)字電位器并不能完全取代機(jī)械電位器，原因有數(shù)字電位器輸入電壓必須在Vdd和Vss間的限定，電流的限定（如1K=5.5mA10K=0.55mA，詳情請(qǐng)查datasheet），上電順序的要求，上電初始化，EEPROM電可擦寫存儲(chǔ)器的考慮，數(shù)字接口的考慮和電阻值不能做得太大,在跟蹤輸入信號(hào)來調(diào)整增益時(shí)需考慮響應(yīng)時(shí)間等。結(jié)論：數(shù)字電位器較機(jī)械電位器最大缺點(diǎn)是目前還不能處理高電壓大電流，但有非常多其它的優(yōu)點(diǎn)可以使電子工程師開發(fā)更多新功能，降低成本。參考文獻(xiàn)：Analog Devices AN580.美國(guó)Analog