數(shù)字電位器的應(yīng)用

１ 用數(shù)字電位器替代機械式電位器

數(shù)字電位器的寫次數(shù)很容易達到５０?０００次，而機械式電位器的調(diào)節(jié)次數(shù)一般只有幾千次，甚至幾百次。目前市場上提供的數(shù)字電位器的分辨率在３２級（５位）到２５６級（８位）甚至更高。對于像ＬＣＤ顯示器對比度調(diào)節(jié)或其它動態(tài)范圍要求不高的應(yīng)用，設(shè)計時可以選用低分辨率、低成本的數(shù)字電位器。而高分辨率的數(shù)字電位器則被廣泛用于動態(tài)范圍高達９０ｄＢ的音頻和Ｈｉ－Ｆｉ設(shè)備中。數(shù)字電位器具有易失和非易失兩種類型，非易失數(shù)字電位器與機械式電位器很相似，它們無論上電與否都可以保持電阻值設(shè)置，特別是ＭＡＸ５４２７／ＭＡＸ５４２８／ＭＡＸ５４２９數(shù)字電位器，更具有獨特的編程特性，每個器件帶有一個一次性編程（ＯＴＰ）存儲器，能夠在上電復位（ＰＯＲ）時將抽頭位置設(shè)置在用戶定義的數(shù)值，且抽頭位置保持可調(diào)，但在上電時總是返回到所設(shè)置的位置。另外，利用ＯＴＰ功能也可以關(guān)閉接口操作，使抽頭位置始終保持在所希望的地方。這樣，器件就像一個阻值固定的分壓器，而不是電位器。

大多數(shù)數(shù)字電位器可以通過傳統(tǒng)的Ｉ２Ｃ或ＳＰＩ接口進行編程，有些器件則采用上／下脈沖計數(shù)調(diào)節(jié)方式。采用數(shù)字電位器有很多優(yōu)勢，首先，這些電位器對灰塵、污垢和潮濕的環(huán)境不敏感，而這些因素對于機械式電位器來說則是致命的。數(shù)字電位器幾乎能夠在任何電子系統(tǒng)中替代老式的機械電位器，而不僅僅是在音頻產(chǎn)品，圖１列出了數(shù)字電位器的幾種典型應(yīng)用。

圖1

２　數(shù)字電位器在音頻設(shè)備中的應(yīng)用

與機械式電位器相比，數(shù)字電位器的另一優(yōu)勢是可以直接安裝在電路板的信號通道上，而不需要復雜、昂貴的機械與電控的整合方案。數(shù)字電位器可提高電子噪聲抑制能力，不存在機械電位器連線拾取的干擾信號。傳統(tǒng)的數(shù)字電位器只是簡單地直接取代機械式電位器，它們具有相同的使用方法，因而無需做過多的說明。然而，對于特殊用途的器件，（如低成本立體聲音量控制），使用時可能會出現(xiàn)一些特殊問題。

數(shù)字電位器可以提供對數(shù)和線性變化函數(shù)，對數(shù)變化的數(shù)字電位器常用于Ｈｉ－Ｆｉ音頻設(shè)備中的音量調(diào)節(jié)，可為具有非線性響應(yīng)特性的人耳建立一個線性變化的音量控制。目前，高度集成的數(shù)字電位器可以在單芯片內(nèi)提供六個獨立的電位器，并支持多聲道音頻設(shè)備，如立體聲、環(huán)繞杜比系統(tǒng)等。對于音頻設(shè)備，需要注意每一級抽頭位置的瞬變過程，如果抽頭位置沒有精確地切換到０Ｖ，音頻信號會帶有噼啪聲和砰然聲。幸運的是，新一代數(shù)字電位器包含的過零檢測功能（如ＤＳ１８０２）可確保在檢測到過零（０Ｖ）或５０ｍｓ延遲時改變抽頭位置，從而可降低抽頭位置瞬變時的音頻噪聲。

新一代的ＤＳ１８０２音頻電位器包含了兩個數(shù)控電位器，對數(shù)抽頭，每級變化１ｄＢ。最大衰減量為６３ｄＢ。此外，它還帶有靜音功能，可將信號衰減９０ｄＢ。ＤＳ１８０２有四個按鍵輸入，可用于音量／平衡控制。合理利用其過零檢測器，能夠?qū)崿F(xiàn)音量的無縫調(diào)節(jié)，以得到純凈的音頻信號。圖２提供了一個前置放大器方案，可通過按鍵控制兩個立體聲聲道。用ＤＳ１８０２構(gòu)成音量控制電路時，需要將交流信號偏置在直流電源范圍內(nèi)，否則，ＤＳ１８０２會將低于ＧＮＤ、高于ＶＣＣ的音頻信號鉗位掉，ＤＳ１８０２可以采用３Ｖ或５Ｖ電源。由于音頻信號通常是對稱的，所以，最好將直流偏置設(shè)置在ＶＣＣ／２，以獲得最大的音頻信號擺幅。圖２（ａ）是一個惠斯通橋電路，可用來將輸入信號偏置在ＶＣＣ／２。該電路允許交流信號通過位于中間位置的電阻（電位器），來對電阻兩端進行相同的直流偏置。這一點對于數(shù)字電位器非常關(guān)鍵，因為過零檢測器是在電位器兩端電壓為零時切換電位器的位置，因而，可以消除由于數(shù)字電位器的非連續(xù)切換所造成的噼啪聲和砰然聲。圖２（ｂ）是在圖（ａ）基礎(chǔ)上構(gòu)建的電路，該電路的輸入阻抗為１３．７ｋΩ，橋電路和輸入電容造成的信號衰減為１．２ｄＢ（２０Ｈｚ）。此外，還需要在靠近DS1802和MAX4167的VCC引腳加旁路電容。

圖2

3 基于電位器的電壓電阻轉(zhuǎn)換電路

在工業(yè)控制和偏置調(diào)節(jié)電路中，有時需要將電壓信號轉(zhuǎn)換成電阻，這一過程在具體實施時有一定的難度。圖３利用兩路數(shù)字電位器提供了一個簡單的轉(zhuǎn)換方案。圖中，數(shù)字電位器Ｕ１和運算放大器Ｕ３構(gòu)成數(shù)字采樣保持電路，Ｕ１通過調(diào)節(jié)其內(nèi)部分壓比保證ＶＷＩＰＥＲ對 ＶＩＮ的跟蹤，這樣，滑動端電阻將與ＶＩＮ成正比。由于Ｕ１、Ｕ２的數(shù)字輸入是連接在一起的，Ｕ２的滑動端位置與Ｕ１相同，對應(yīng)端的電阻也相同。這樣便可得到與ＶＩＮ成正比的電阻，從而實現(xiàn)電壓至電阻的轉(zhuǎn)換。

由于Ｕ１、Ｕ２是完全相同的數(shù)字電位器，其數(shù)字輸入連接在一起，因此，它們的滑動端位置也相同。ＬＯＣＫ置為低電平，輸出電阻將隨著ＶＩＮ而改變；而ＬＯＣＫ置為高電平則將保持阻值不變。也可以將ＬＯＣＫ始終接地，在這種情況下，即使ＶＩＮ保持恒定，輸出電阻也會在兩個相鄰狀態(tài)之間連續(xù)翻轉(zhuǎn)。假如電位器端電阻為１０ｋΩ，抽頭數(shù)為３２，那么，當滑動輸出端電阻設(shè)置在５ｋΩ時，輸出電阻將隨時鐘在５ｋΩ和５．３１２５ｋΩ之間跳變。需要時，可以在滑動輸出端接一個電容來濾除跳變效應(yīng)。該電路所允許的時鐘頻率范圍為１００Ｈｚ～１０ｋＨｚ。而輸出電阻并非實時跟隨ＶＩＮ的變化，但經(jīng)過若干個時鐘周期后可以達到其終值。時鐘數(shù)取決于滑動端的初始位置和輸入電壓，最大值為３２（電位器抽頭數(shù)）。如果需要更高的分辨率，可以用６位或８位數(shù)字電位器替代本電路中的５位芯片。注意，ＭＡＸ５１６０上電時將滑動端設(shè)置在中心位置，因而，可使兩路數(shù)字電位器同步工作，并保持相同的電阻。選擇數(shù)字電位器時，通常需要知道電位器的上電初始狀態(tài)。

４ 結(jié)論

數(shù)字電位器與機械式電位器相比，除可靠性外，還占用空間較小。另外，由于減小了寄生參數(shù)，因而具有較強的抗干擾能力。數(shù)字電位器幾乎可以在所有應(yīng)用中替代機械式電位器，以減輕設(shè)計人員和最終用戶的負擔。但使用數(shù)字電位器時需要注意其溫度系數(shù)（ＴＣ）指標，而且對于大多數(shù)數(shù)字電位器，必需給出兩個不同的ＴＣ指標：一個是端至端ＴＣ，表示電阻隨溫度的絕對變化量，另一個ＴＣ參數(shù)指的是比例ＴＣ。數(shù)字電位器通常用作分壓器，這些應(yīng)用對絕對阻值的要求并不嚴格，特別是比例應(yīng)用。一個比例ＴＣ為５ｐｐｍ的數(shù)字電位器便可以在整個溫度范圍內(nèi)提供非常穩(wěn)定的增益配置。而用于可編程增益放大器（ＰＧＡ）和儀表放大器（ＩＡ）的數(shù)字電位器一般需要較高的精度，這些應(yīng)用一般要求比例系數(shù)的容差（精度）在－４０℃～＋８５℃范圍內(nèi)優(yōu)于０．０２５％。