數(shù)字可編程電位計(jì)揭密

很多電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(one off)校準(zhǔn)，要么是日常工作期間改變某個(gè)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(cè)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(jī)的動(dòng)作控制，以及對(duì)電源設(shè)備進(jìn)行最終調(diào)節(jié)，等等。

過(guò)去使用的是(基于某種類(lèi)型的旋轉(zhuǎn)或線(xiàn)性調(diào)節(jié)原理的)傳統(tǒng)機(jī)械式電位計(jì)，但它們的應(yīng)用日趨比微。而數(shù)字電位計(jì)變得越來(lái)越有競(jìng)爭(zhēng)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(jī)械式電位計(jì)。

數(shù)字可編程電位計(jì)市場(chǎng)已有跡象顯示，未來(lái)幾年間將經(jīng)歷可觀的增長(zhǎng)，背后包含幾項(xiàng)關(guān)鍵因素，其中包括消費(fèi)電子產(chǎn)品更高控制等級(jí)的需求、汽車(chē)應(yīng)用中傳感器應(yīng)用增多(要求進(jìn)行精確的校準(zhǔn))等。

數(shù)字可編程電位計(jì)器件的基本原理
數(shù)字可編程電位計(jì)是一種混合信號(hào)器件，由不同模擬及數(shù)字電路部分構(gòu)成。三端電位計(jì)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(jì)的其他部分相連。數(shù)字電位計(jì)的基本功能與機(jī)械式電位計(jì)相同。三個(gè)端子中有兩個(gè)端子與電阻的兩端接觸，而第三個(gè)端子(即電阻觸點(diǎn)wiper)可連接電阻長(zhǎng)度范圍內(nèi)的不同點(diǎn)，從而能夠設(shè)定所要求的電阻值。將數(shù)字電位計(jì)方法與機(jī)械式電位計(jì)區(qū)分開(kāi)來(lái)的就是控制電阻觸點(diǎn)的方式。機(jī)械式電位計(jì)以物理方式移動(dòng)電阻觸點(diǎn)的連接，而數(shù)字電位計(jì)通過(guò)串行總線(xiàn)或數(shù)字控制線(xiàn)路來(lái)以電氣方式完成。

圖1 機(jī)械式電位計(jì)與數(shù)字電位計(jì)基本的工作原理差別

數(shù)字可編程電位計(jì)的優(yōu)勢(shì)
機(jī)械式電位計(jì)并不是特別方便，因?yàn)樗鼈冃枰謩?dòng)調(diào)節(jié)電阻觸點(diǎn)位置。由于需要手動(dòng)，容易日久損耗，縮短集成了它們的系統(tǒng)的工作壽命。

相對(duì)而言，數(shù)字電位計(jì)已被證明是更強(qiáng)固的方案，提供更高的可靠性及更長(zhǎng)的工作壽命，遭受沖擊/震動(dòng)時(shí)易于恢復(fù)，更適合用于嚴(yán)格的環(huán)境中。數(shù)字可編程電位計(jì)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(xiàn))，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(lái)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(kāi)發(fā)時(shí)采用平臺(tái)策略，它們要求的工程負(fù)擔(dān)更小，大幅加快上市。此外，數(shù)字方法支持在設(shè)計(jì)中納入溫度傳感器，從而能夠調(diào)節(jié)電位計(jì)的精度，補(bǔ)償極熱或極冷條件。

在制造/校準(zhǔn)流程，它們?cè)试S更便利的自動(dòng)調(diào)節(jié)，不需要人為干預(yù)，并兼容貼片機(jī)，這些因素顯著降低了生產(chǎn)總成本。數(shù)字可編程電位計(jì)的電阻觸點(diǎn)位置可以存儲(chǔ)在單獨(dú)的易失性(EEPROM)存儲(chǔ)器中，或者集成在電位計(jì)本身中的非易失性存儲(chǔ)器中，使得前面的設(shè)置信息不會(huì)丟失，在它再次往回調(diào)節(jié)時(shí)系統(tǒng)恢復(fù)這些設(shè)置。

雖然數(shù)字可編程電位計(jì)的單位價(jià)格一般都比機(jī)械式電位計(jì)高，這其實(shí)是誤導(dǎo)的。當(dāng)考慮到機(jī)械式電位計(jì)的現(xiàn)場(chǎng)維護(hù)/調(diào)節(jié)成本及其更高的生產(chǎn)成本時(shí)，數(shù)字可編程電位計(jì)不僅在經(jīng)濟(jì)上還在技術(shù)上證明了自己的優(yōu)勢(shì)。

應(yīng)用數(shù)字電位計(jì)時(shí)的注意事項(xiàng)
雖然數(shù)字電位計(jì)能夠有效地在傳統(tǒng)設(shè)備中直接替代機(jī)械式產(chǎn)品，但工程師也需要注意幾項(xiàng)問(wèn)題。想要在模擬電路中應(yīng)用數(shù)字可編程電位計(jì)，應(yīng)當(dāng)慎重對(duì)待這些問(wèn)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(jì)的精度越高。新式數(shù)字可編程電位計(jì)提供多達(dá)256個(gè)抽頭，故支持高精度等級(jí)。然而，通過(guò)使用相對(duì)簡(jiǎn)單的電路，有可能進(jìn)一步提升精度。這可以通過(guò)將數(shù)個(gè)數(shù)字可編程電位計(jì)以并聯(lián)、堆疊或級(jí)聯(lián)(cascaded)配置布設(shè)在一起來(lái)實(shí)現(xiàn)，但會(huì)增大總體物料單(BOM)，并可能延長(zhǎng)開(kāi)發(fā)時(shí)間。

2 線(xiàn)性度(Linearity)–數(shù)字可編程電位計(jì)的線(xiàn)性度指的是實(shí)際電阻觸點(diǎn)電壓與預(yù)計(jì)電阻觸點(diǎn)電壓之間的散度(divergence)。性能較高的器件應(yīng)當(dāng)擁有不超過(guò)±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(chē)或工業(yè)終端應(yīng)用中，需要顧及數(shù)字可編程電位計(jì)的溫度系數(shù)，使得極高熱等級(jí)不影響其工作。這個(gè)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(lái)表述。當(dāng)面臨嚴(yán)格的應(yīng)用環(huán)境時(shí)，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(jì)。另外使用閉環(huán)反饋原理來(lái)校準(zhǔn)系統(tǒng)，就可以校正由溫度波動(dòng)導(dǎo)致的任何變化。

4 電阻觸點(diǎn)(wiper)內(nèi)部阻抗–處理電阻觸點(diǎn)的內(nèi)部阻抗對(duì)系統(tǒng)精度的影響是要顧及的另一問(wèn)題，特別是在電阻觸點(diǎn)接近電位計(jì)的高端端子或低端端子的時(shí)候，可使用消減技術(shù)來(lái)消解這個(gè)問(wèn)題。這些技術(shù)通?；谠鎏砥ヅ潆娮栌|點(diǎn)內(nèi)部阻抗的補(bǔ)償電阻。

應(yīng)用示例
使用數(shù)字可編程電位計(jì)的應(yīng)用多種多樣，接下來(lái)重點(diǎn)討論其中的幾個(gè)應(yīng)用示例。

1 固態(tài)照明–使用LED取代白熾燈泡來(lái)照明日趨普及，因?yàn)長(zhǎng)ED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(dòng)器常使用外部電阻來(lái)設(shè)定LED電流。如果使用數(shù)字可編程電位計(jì)來(lái)取代外部電阻，就可以根據(jù)存儲(chǔ)在非易失性存儲(chǔ)器中的電阻值來(lái)調(diào)節(jié)LED亮度。圖2顯示的是這類(lèi)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中使用的32抽頭數(shù)字可編程電位計(jì)。電阻觸點(diǎn)的位置通過(guò)三輸入接口來(lái)控制?？刂破鞯腎NC輸入以向上/向下輸入的邏輯狀態(tài)確定的方向來(lái)調(diào)節(jié)電阻觸點(diǎn)增量。電阻觸點(diǎn)位置通過(guò)CS輸入存儲(chǔ)在控制器中，故掉電時(shí)信息不會(huì)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(gè)數(shù)字控制的重要商機(jī)應(yīng)運(yùn)而生。顯示器的VCOM信號(hào)用作參考電壓，讓制造商生產(chǎn)的每個(gè)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(jī)械式電位計(jì)相比，數(shù)字可編程電位計(jì)擁有串行總線(xiàn)輸入，使得微調(diào)過(guò)程能夠自動(dòng)進(jìn)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(jì)用于VCOM緩沖控制

3 汽車(chē)–新式汽車(chē)的成本中電子電路構(gòu)成的比例越來(lái)越高。汽車(chē)半導(dǎo)體市場(chǎng)規(guī)模預(yù)計(jì)將從2010年的210億美元增長(zhǎng)至2017年的380億美元(依據(jù)Stategy Analytics的最新研究)。為了校準(zhǔn)新車(chē)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(jì)。從儀表盤(pán)/前照燈亮度到液位感測(cè)(用于油箱監(jiān)測(cè)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(jì)。

4 工業(yè) 數(shù)字可編程電位計(jì)也能夠集成在多種工業(yè)系統(tǒng)中。例如，氣體檢漏器檢測(cè)加工廠的危險(xiǎn)氣體等級(jí)，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(zhǔn)，因?yàn)槠潇`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(jì)能夠?yàn)楣饫w收發(fā)器提供溫度補(bǔ)償。環(huán)境熱等級(jí)的變化會(huì)影響激光二極管輸出的波長(zhǎng)，而這會(huì)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(gè)問(wèn)題。

圖4 數(shù)字可編程電位計(jì)為激光二極管提供溫度補(bǔ)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(jì)事項(xiàng)，使得數(shù)字電位計(jì)的未來(lái)很有希望。這種極為靈活多用的器件能夠證明具有明顯優(yōu)勢(shì)，適合于多種工業(yè)領(lǐng)域的設(shè)計(jì)工程師，提供連接至電子系統(tǒng)的更簡(jiǎn)單接口，并具備更高可靠性。而且，隨著眾多制造商為這些產(chǎn)品提供全面的技術(shù)設(shè)計(jì)入選(design-in)及應(yīng)用支援，即使對(duì)這種技術(shù)感到陌生的工程師都可以自信地為其終端產(chǎn)品甄選及應(yīng)用最優(yōu)的數(shù)字可編程電位計(jì)方案。