揭密數(shù)字可編程電位計技術(shù)

揭密數(shù)字可編程電位計技術(shù)很多電子系統(tǒng)設(shè)計都要求某種形式的系統(tǒng)內(nèi)調(diào)節(jié)，要么是生產(chǎn)期間的一次性(oneoff)校準，要么是日常工作期間改變某個參數(shù)。這種功能非常重要，應(yīng)用示例繁多，諸如微調(diào)胎壓監(jiān)測器的傳感器靈敏度、改變音頻放大器的增益控制、調(diào)整游戲機的動作控制，以及對電源設(shè)備進行最終調(diào)節(jié)，等等。過去使用的是(基于某種類型的旋轉(zhuǎn)或線性調(diào)節(jié)原理的)傳統(tǒng)機械式電位計，但它們的應(yīng)用日趨比微。而數(shù)字電位計變得越來越有競爭力且更易于使用，故正逐步在寬廣的工業(yè)領(lǐng)域中替代機械式電位計。數(shù)字可編程電位計市場已有跡象顯示，未來幾年間將經(jīng)歷可觀的增長，背后包含幾項關(guān)鍵因素，其中包括消費電子產(chǎn)品更高控制等級的需求、汽車應(yīng)用中傳感器應(yīng)用增多(要求進行精確的校準)等。數(shù)字可編程電位計器件的基本原理

數(shù)字可編程電位計是一種混合信號器件，由不同模擬及數(shù)字電路部分構(gòu)成。三端電位計位于模擬部分。數(shù)字部分與模擬部分相輔相成，包含所需的不同編程接口、寄存器及控制元件。數(shù)字部分將模擬部分與系統(tǒng)設(shè)計的其他部分相連。數(shù)字電位計的基本功能與機械式電位計相同。三個端子中有兩個端子與電阻的兩端接觸，而第三個端子(即電阻觸點wiper)可連接電阻長度范圍內(nèi)的不同點，從而能夠設(shè)定所要求的電阻值。將數(shù)字電位計方法與機械式電位計區(qū)分開來的就是控制電阻觸點的方式。機械式電位計以物理方式移動電阻觸點的連接，而數(shù)字電位計通過串行總線或數(shù)字控制線路來以電氣方式完成。圖1機械式電位計與數(shù)字電位計基本的工作原理差別數(shù)字可編程電位計的優(yōu)勢

機械式電位計并不是特別方便，因為它們需要手動調(diào)節(jié)電阻觸點位置。由于需要手動，容易日久損耗，縮短集成了它們的系統(tǒng)的工作壽命。相對而言，數(shù)字電位計已被證明是更強固的方案，提供更高的可靠性及更長的工作壽命，遭受沖擊/震動時易于恢復(fù)，更適合用于嚴格的環(huán)境中。數(shù)字可編程電位計的尺寸也較小，使其更適合便攜應(yīng)用。這些器件能夠使用新式接口(如I2C或SPI同步串行總線)，更易于集成到系統(tǒng)之中，這樣就能夠直接以微控制器(MCU)來控制它們。此外，它們也不易受到干擾效應(yīng)的影響。

由于它們配合在產(chǎn)品開發(fā)時采用平臺策略，它們要求的工程負擔更小，大幅加快上市。此外，數(shù)字方法支持在設(shè)計中納入溫度傳感器，從而能夠調(diào)節(jié)電位計的精度，補償極熱或極冷條件。在制造/校準流程，它們允許更便利的自動調(diào)節(jié)，不需要人為干預(yù)，并兼容貼片機，這些因素顯著降低了生產(chǎn)總成本。數(shù)字可編程電位計的電阻觸點位置可以存儲在單獨的易失性(EEPROM)存儲器中，或者集成在電位計本身中的非易失性存儲器中，使得前面的設(shè)置信息不會丟失，在它再次往回調(diào)節(jié)時系統(tǒng)恢復(fù)這些設(shè)置。雖然數(shù)字可編程電位計的單位價格一般都比機械式電位計高，這其實是誤導(dǎo)的。當考慮到機械式電位計的現(xiàn)場維護/調(diào)節(jié)成本及其更高的生產(chǎn)成本時，數(shù)字可編程電位計不僅在經(jīng)濟上還在技術(shù)上證明了自己的優(yōu)勢。應(yīng)用數(shù)字電位計時的注意事項

雖然數(shù)字電位計能夠有效地在傳統(tǒng)設(shè)備中直接替代機械式產(chǎn)品，但工程師也需要注意幾項問題。想要在模擬電路中應(yīng)用數(shù)字可編程電位計，應(yīng)當慎重對待這些問題，從而確保這器件是考慮中應(yīng)用的最佳選擇。1精度–這種器件的精度由其含有的電阻增量(亦即抽頭)數(shù)量決定。抽頭數(shù)量越多，數(shù)字可編程電位計的精度越高。新式數(shù)字可編程電位計提供多達256個抽頭，故支持高精度等級。然而，通過使用相對簡單的電路，有可能進一步提升精度。這可以通過將數(shù)個數(shù)字可編程電位計以并聯(lián)、堆疊或級聯(lián)(cascaded)配置布設(shè)在一起來實現(xiàn)，但會增大總體物料單(BOM)，并可能延長開發(fā)時間。2線性度(Linearity)–數(shù)字可編程電位計的線性度指的是實際電阻觸點電壓與預(yù)計電阻觸點電壓之間的散度(divergence)。性能較高的器件應(yīng)當擁有不超過±1最低有效位(LSB)的最大值。3溫度特性–在許多應(yīng)用中，特別是汽車或工業(yè)終端應(yīng)用中，需要顧及數(shù)字可編程電位計的溫度系數(shù)，使得極高熱等級不影響其工作。這個數(shù)字以電阻在給定溫度與參考溫度之間的10-6/℃漂移的形式來表述。當面臨嚴格的應(yīng)用環(huán)境時，就值得指定使用溫度相關(guān)度極低的數(shù)字可編程電位計。另外使用閉環(huán)反饋原理來校準系統(tǒng)，就可以校正由溫度波動導(dǎo)致的任何變化。4電阻觸點(wiper)內(nèi)部阻抗–處理電阻觸點的內(nèi)部阻抗對系統(tǒng)精度的影響是要顧及的另一問題，特別是在電阻觸點接近電位計的高端端子或低端端子的時候，可使用消減技術(shù)來消解這個問題。這些技術(shù)通常基于增添匹配電阻觸點內(nèi)部阻抗的補償電阻。應(yīng)用示例

使用數(shù)字可編程電位計的應(yīng)用多種多樣，接下來重點討論其中的幾個應(yīng)用示例。1固態(tài)照明–使用LED取代白熾燈泡來照明日趨普及，因為LED照明支持節(jié)能，并能夠提供更高的系統(tǒng)可靠性。LED器件要求穩(wěn)流電流，它們的亮度與施加的電流成正比。LED驅(qū)動器常使用外部電阻來設(shè)定LED電流。如果使用數(shù)字可編程電位計來取代外部電阻，就可以根據(jù)存儲在非易失性存儲器中的電阻值來調(diào)節(jié)LED亮度。圖2顯示的是這類系統(tǒng)設(shè)計中使用的32抽頭數(shù)字可編程電位計。電阻觸點的位置通過三輸入接口來控制。控制器的INC輸入以向上/向下輸入的邏輯狀態(tài)確定的方向來調(diào)節(jié)電阻觸點增量。電阻觸點位置通過CS輸入存儲在控制器中，故掉電時信息不會丟失。圖2固態(tài)照明系統(tǒng)的調(diào)光控制2顯示器控制–隨著平板顯示器的應(yīng)用持續(xù)增多，另一個數(shù)字控制的重要商機應(yīng)運而生。顯示器的VCOM信號用作參考電壓，讓制造商生產(chǎn)的每個顯示器都能夠精微調(diào)節(jié)，使其關(guān)鍵參數(shù)相互匹配。因此，與機械式電位計相比，數(shù)字可編程電位計擁有串行總線輸入，使得微調(diào)過程能夠自動進行，這就降低了相關(guān)成本，并避免人為誤差發(fā)生的可能性。顯示器控制器的典型應(yīng)用如圖3所示。圖3數(shù)字可編程電位計用于VCOM緩沖控制3汽車–新式汽車的成本中電子電路構(gòu)成的比例越來越高。汽車半導(dǎo)體市場規(guī)模預(yù)計將從2010年的210億美元增長至2017年的380億美元(依據(jù)StategyAnalytics的最新研究)。為了校準新車型中的不同傳感器，很有可能使用這些數(shù)字可編程電位計。從儀表盤/前照燈亮度到液位感測(用于油箱監(jiān)測等)，再到引擎控制和供暖/空調(diào)系統(tǒng)中涉及的傳感器，都有可能使用某種形式的數(shù)字可編程電位計。4工業(yè)數(shù)字可編程電位計也能夠集成在多種工業(yè)系統(tǒng)中。例如，氣體檢漏器檢測加工廠的危險氣體等級，確保工人安全。隨著使用的增多，這些設(shè)備使用的電化學(xué)單元需要重新校準，因為其靈敏度發(fā)生了改變。5通信–在通信應(yīng)用中，數(shù)字可編程電位計能夠為光纖收發(fā)器提供溫度補償。環(huán)境熱等級的變化會影響激光二極管輸出的波長，而這會損傷網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)傳輸能力。使用如圖4所示的數(shù)字控制方法，就可以消解這個問題。圖4數(shù)字可編程電位計為激光二極管提供溫度補償由于這些應(yīng)用示例中需要處理的多種不同任務(wù)及應(yīng)付大量設(shè)計事項，使得數(shù)字電位計的未來很有希