數(shù)字可編程電位計揭密

很多電子系統(tǒng)設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(one off)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、汽車應用中傳感器應用增多(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，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，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，使得前面的設置信息不會丟失，在它再次往回調(diào)節(jié)時系統(tǒng)恢復這些設置。

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)濟上還在技術上證明了自己的優(yōu)勢。

應用數(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用數(shù)字可編程電位計，應當慎重對待這些問題，從而確保這器件是考慮中應用的最佳選擇。

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計電阻觸點電壓之間的散度(divergence)。性能較高的器件應當擁有不超過±1最低有效位( LSB)的最大值。

3 溫度特性–在許多應用中，特別是汽車或工業(yè)終端應用中，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。當面臨嚴格的應用環(huán)境時，就值得指定使用溫度相關度極低的數(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，可使用消減技術來消解這個問題。這些技術通常基于增添匹配電阻觸點內(nèi)部阻抗的補償電阻。

應用示例
使用數(shù)字可編程電位計的應用多種多樣，接下來重點討論其中的幾個應用示例。

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用持續(xù)增多，另一個數(shù)字控制的重要商機應運而生。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成的比例越來越高。汽車半導體市場規(guī)模預計將從2010年的210億美元增長至2017年的380億美元(依據(jù)Stategy Analytics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，這些設備使用的電化學單元需要重新校準，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

由于這些應用示例中需要處理的多種不同任務及應付大量設計事項，使得數(shù)字電位計的未來很有希望。這種極為靈活多用的器件能夠證明具有明顯優(yōu)勢，適合于多種工業(yè)領域的設計工程師，提供連接至電子系統(tǒng)的更簡單接口，并具備更高可靠性。而且，隨著眾多制造商為這些產(chǎn)品提供全面的技術設計入選(design-in)及應用支援，即使對這種技術感到陌生的工程師都可以自信地為其終端產(chǎn)品甄選及應用最優(yōu)的數(shù)字可編程電位計方案。