數(shù)字電位器的研究及應(yīng)用

數(shù)字電位器(Digital Potentiometer)亦稱數(shù)控可編程電阻器，是一種代替?zhèn)鹘y(tǒng)機械電位器(模擬電位器)的新型CMOS數(shù)字、模擬混合信號處理的集成電路。數(shù)字電位器采用數(shù)控方式調(diào)節(jié)電阻值的，具有使用靈活、調(diào)節(jié)精度高、無觸點、低噪聲、不易污損、抗振動、抗干擾、體積小、壽命長等顯著優(yōu)點，可在許多領(lǐng)域取代機械電位器。
    數(shù)字電位器一般帶有總線接口，可通過單片機或邏輯電路進行編程。它適合構(gòu)成各種可編程模擬器件，如可編程增益放大器、可編程濾波器、可編程線性穩(wěn)壓電源及音調(diào)／音量控制電路，真正實現(xiàn)了“把模擬器件放到總線上”(即單片機通過總線控制系統(tǒng)的模擬功能塊)這一全新設(shè)計理念。
    目前，數(shù)字電位器正在國內(nèi)外迅速推廣，并大量應(yīng)用于檢測儀器、PC、手機、家用電器、現(xiàn)代辦公設(shè)備、工業(yè)控制、醫(yī)療設(shè)備等領(lǐng)域。

1 基本工作原理
    由于數(shù)字電位器可代替機械式電位器，所以二者在原理上有相似之處。數(shù)字電位器屬于集成化的三端可變電阻器件其等效電路，如圖l所示。當(dāng)數(shù)字電位器用作分壓器時，其高端、低端、滑動端分別用VH、VL、VW表示；而用作可調(diào)電阻器時，分別用RH、RL和RW表示。

    圖2所示為數(shù)字電位器的內(nèi)部簡化電路，將n個阻值相同的電阻串聯(lián)，每只電阻的兩端經(jīng)過一個由MOS管構(gòu)成的模擬開關(guān)相連，作為數(shù)字電
位器的抽頭。這種模擬開關(guān)等效于單刀單擲開關(guān)，且在數(shù)字信號的控制下每次只能有一個模擬開關(guān)閉合，從而將串聯(lián)電阻的每一個節(jié)點連接到滑動端。
    數(shù)字電位器的數(shù)字控制部分包括加減計數(shù)器、譯碼電路、保存與恢復(fù)控制電路和不揮發(fā)存儲器等4個數(shù)字電路模塊。利用串入、并出的加／減計數(shù)器在輸入脈沖和控制信號的控制下可實現(xiàn)加／減計數(shù)，計數(shù)器把累計的數(shù)據(jù)直接提供給譯碼電路控制開關(guān)陣列，同時也將數(shù)據(jù)傳送給內(nèi)部存儲器保存。當(dāng)外部計數(shù)脈沖信號停止或片選信號無效后，譯碼電路的輸出端只有一個有效，于是只選擇一個MOS管導(dǎo)通。
    數(shù)字控制部分的存儲器是一種掉電不揮發(fā)存儲器，當(dāng)電路掉電后再次上電時，數(shù)字電位器中仍保存著原有的控制數(shù)據(jù)，其中間抽頭到兩端點之間的電阻值仍是上一次的調(diào)整結(jié)果。因此，數(shù)字電位器與機械式電位器的使用效果基本相同。但是由于開關(guān)的工作采用“先連接后斷開”的方式，所以在輸入計數(shù)有效期間，數(shù)字電位器的電阻值與期望值可能會有一定的差別，只有在調(diào)整結(jié)束后才能達到期望值。
    從圖2可以看出，數(shù)字電位器與機械式電位器有2個重要區(qū)別：1)調(diào)整過程中，數(shù)字電位器的電阻值不是連續(xù)變化的，而是在調(diào)整結(jié)束后才具有所希望的輸出。這是因為數(shù)字電位器采用MOS管作為開關(guān)電路，并且采用“先開后關(guān)”的控制方法：2)數(shù)字電位器無法實現(xiàn)電阻的連續(xù)調(diào)整，而只能按數(shù)字電位器中電阻網(wǎng)絡(luò)上的最小電阻值進行調(diào)整。

2 數(shù)字電位器的典型應(yīng)用
    數(shù)字電位器的應(yīng)用廣泛，而且按照不同的分類標(biāo)準(zhǔn)也有很多種類，但是基本原理是相似的，這里以三線加／減式接口的數(shù)字電位器X9313為例，介紹數(shù)字電位器的應(yīng)用。
2．1 內(nèi)部結(jié)構(gòu)及工作原理
    X9313為工業(yè)級的32抽頭數(shù)控電位器，最大阻值為10 kΩ，采用8引腳，有DIP、OIC、FSSOP 3種封裝。X9313的內(nèi)部功能框圖，如圖3所示。它由輸入部分、5位E2PROM、存儲和調(diào)用電路、32選l譯碼器、由MOS場效應(yīng)管構(gòu)成的32路模擬開關(guān)、電阻陣列6部分組成。其中輸入部分是5位加／減計數(shù)器經(jīng)過三線加／減式接口()與單片機相連，其工作像一個升／降計數(shù)器，輸出經(jīng)譯碼，控制接通某個電子開關(guān)，這樣就把電阻陣列上的一個點連接到滑動輸出端。電阻陣列由32個等值的電阻和與之相配套的電子開關(guān)組成。根據(jù)控制端的電平，計數(shù)器的內(nèi)容還可以儲存到非易失存儲器中以便后續(xù)使用。

    2個頂腳引線分別接VH和VL，中間抽頭為VW。為3個控制端，其中，為片選端，為低電平時，X9313被選中。此時才能接收的信號。在下降沿使計數(shù)器增或減1。如果，滑動端向VH方向滑動，VW與VH之間的電阻減小一個階值。反之，如果，滑動端向VL方向滑動。計數(shù)器輸出譯碼后，經(jīng)過32選1，使滑動端的位置沿電阻陣列移動。當(dāng)計數(shù)器達到某個極端(00000或11111)時，不會循環(huán)回復(fù)，從00000自動變成1111l，或從11111變成00000，也就是說當(dāng)為高電平而也為高電平時，計數(shù)器的值存儲到非易失存儲器中，系統(tǒng)上電時，器件自動將非易失性存儲器中的值送到計數(shù)器，作為計數(shù)器的輸出。
2．2 典型應(yīng)用
2．2．1 手控調(diào)壓電路
    圖4所示為由X9313構(gòu)成的0～+5 V輸出的按鍵式調(diào)壓電路。將VH端接+5V，VL接地。從VW端輸出0～+5 V的可調(diào)電壓。R1、R2為上拉電阻。只要按動開關(guān)S1，輸出電壓就升高，每按一次電壓升高0．05V，最高可達5V。如果按住S2即為低電平，此時按S1則每按一次電壓降低0．05V。

2．2．2 X9313與單片機的接口電路
    這里以常用的AT89C2051單片機為例介紹數(shù)字電位器與單片機的接口電路。電位器的3個控制端分別接AT89C2051的P1．7、P1．6和P1．5。由R1、C1構(gòu)成上電復(fù)位電路，C2、C3和石英晶體JT構(gòu)成晶振電路。因為單片機I／O端口內(nèi)部已有上拉電阻，所以上電時上述控制端均為高電平，電位器處于待機狀態(tài)，此時應(yīng)用和上例相同。

     相關(guān)程序代碼如下：  
   
   

    上面的程序?qū)崿F(xiàn)了使UD為高電平，此時給數(shù)字電位器發(fā)送50個脈沖，增大電阻使高低端之間電壓為2．5 V。通過單片機傳給數(shù)字電位器脈沖信號來控制數(shù)字電位器的大小，從而方便而精確地改變電阻值。但是在實際應(yīng)用中，要注意對數(shù)字電位器的誤差進行分析和補償。

3 結(jié)束語
    數(shù)字電位器是一種頗具發(fā)展前景的新型電子器件，在許多領(lǐng)域可取代傳統(tǒng)的機械電位器。其優(yōu)點為：調(diào)節(jié)精度高；無噪聲，工作壽命極長；無機械磨損；數(shù)據(jù)可讀寫；具有配置寄存器及數(shù)據(jù)寄存器；多電平量存儲功能。它廣泛應(yīng)用于儀器儀表、計算機及通信設(shè)備、家用電器、醫(yī)療保健產(chǎn)品、工業(yè)控制等領(lǐng)域。任何需要用電阻來進行參數(shù)調(diào)整和控制的場合，都可使用數(shù)字電位器構(gòu)成可編程模擬電路。但是在實際使用中應(yīng)特別注意數(shù)字電位器的電阻調(diào)整誤差，由于不同應(yīng)用場合時的誤差影響因素有所不同。因此在實際應(yīng)用時，最好利用A／D轉(zhuǎn)換電路對其進行精確測量，并采用單片機對其補償。