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�(shù)字電位器
閱讀�21077時間�2010-10-16 16:30:01

  �(shù)�電位�(Digital Potentiometer)亦稱�(shù)控可編程電阻器,是一種代�?zhèn)鹘y(tǒng)機械電位�(模擬電位�)的新型CMOS�(shù)�、模擬混合信號處理的集成電路。數(shù)字電位器采用�(shù)控方式調(diào)節(jié)電阻值的,具有使用靈�、調(diào)節(jié)精度�、無觸點、低噪聲、不易污�、抗振動、抗干擾、體積小、壽命長等顯著優(yōu)點,可在許多領域取代機械電位��

特點

  �(shù)字電位器的特點是:壽命�(因無機械觸點)、工作可�、性能�(wěn)�、耐振�、體積小,能和數(shù)字電路或單片機靈活地�(jié)合在一起�

工作原理

  由于�(shù)字電位器可代替機械式電位�,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�,如�1所�。當�(shù)字電位器用作分壓器時,其高端、低�、滑動端分別用VH、VL、VW表示;而用作可�(diào)電阻器時,分別用RH、RL和RW表示�

數(shù)字電位器等效電路

  �2所示為�(shù)字電位器的內(nèi)部簡化電�,將n個阻值相同的電阻串聯(lián),每只電阻的兩端�(jīng)過一個由MOS管構(gòu)成的模擬開關相連,作為�(shù)字電位器的抽�。這種模擬開關等效于單刀單擲開關,且在數(shù)字信號的控制下每次只能有一個模擬開關閉合,從而將串聯(lián)電阻的每一個節(jié)點連接到滑動端�

數(shù)字電位器的內(nèi)部簡化電路

  �(shù)字電位器的數(shù)字控制部分包括加減計�(shù)�、譯碼電�、保存與恢復控制電路和不揮發(fā)存儲器等4個數(shù)字電路模�。利用串入、并出的加/減計�(shù)器在輸入脈沖和控制信號的控制下可實現(xiàn)加/減計�(shù),計�(shù)器把累計的數(shù)�(jù)直接提供給譯碼電路控制開關陣�,同時也將數(shù)�(jù)傳送給�(nèi)部存儲器保存。當外部計數(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��

  �(shù)字控制部分的存儲器是一種掉電不揮發(fā)存儲器,當電路掉電后再次上電�,數(shù)字電位器中仍保存著原有的控制�(shù)�(jù),其中間抽頭到兩端點之間的電阻值仍是上一次的�(diào)整結(jié)�。因此,�(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�(diào)整結(jié)束后才能達到期望��

  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)�(diào)整過程中,數(shù)字電位器的電阻值不是連續(xù)變化�,而是在調(diào)整結(jié)束后才具有所希望的輸�。這是因為�(shù)字電位器采用MOS管作為開關電�,并且采用“先開后關”的控制方法�2)�(shù)字電位器無法實現(xiàn)電阻的連續(xù)�(diào)�,而只能按�(shù)字電位器中電阻網(wǎng)絡上的最小電阻值進行�(diào)��

和數(shù)模轉(zhuǎn)換器的區(qū)�

  1 引言

  利用�(shù)字輸入控制微�(diào)模擬輸出有兩種選擇:�(shù)字電位器和數(shù)/模轉(zhuǎn)換器(DAC),兩者均采用�(shù)字輸入控制模擬輸出。通過�(shù)字電位器可以�(diào)整模擬電�;通過DAC既可以調(diào)整電�,也可以�(diào)整電壓。電位器有三個模擬連接端:高端、抽頭端(或模擬輸�)和低�(見圖1a)。DAC具有隊應的三個端點:高端對應于正基準電壓,抽頭端對應于DAC輸出,低端則可能對應于接地端或負基準電壓�(見圖1b)�

數(shù)字電位器

  DAC和數(shù)字電位器存在一些明顯區(qū)�,最明顯的差異是DAC通常包括一個輸出放大器/緩沖�,而數(shù)字電位器卻沒�。大部分�(shù)字電位器需要借助外部緩沖器驅(qū)動低阻負�。有些應用中,用戶可以輕易地在DAC和數(shù)字電位器之間做出選擇;而有些應用中兩者都能滿足需�。本文對DAC和數(shù)字電位器進行了比�,便于用戶做出最恰當?shù)倪x��

  2 �(shù)/模轉(zhuǎn)換器

  DAC通常采用電阻串結(jié)�(gòu)或R-2R階梯架構(gòu),使用電阻串�,DAC輸入控制著一組開�,這些開關通過匹配的一系列電阻對基準電壓分�。對于R-2R階梯架構(gòu),通過切換每個電阻對正基準電壓進行分壓,從而產(chǎn)生受控電�。該電流送入輸出放大�,電壓輸出DAC將此電流�(zhuǎn)換成電壓輸出,電流輸出DAC則將R-2R階梯電流通過放大器緩沖后輸出。如果選擇DAC,還要考慮具體指標,如串口/并口、分辨率、輸入通道�(shù)、電�/電壓輸出、成本等。對于注重速度的系�(tǒng),可以選用并行接�;如果注重成本和尺�,則可選�3線或2線串�,這種器件引腳�(shù)較少,可顯著降低成本,而且,有�3線接口能達到26 MHz的通信速率�2線接口能夠達�3.4 MHz的速率。DAC的另一個指標是分辨��16位或18位DAC可以提供微伏級控�。例如,一�18��2.5V基準的DAC,每個LSB對應�9.54μV,高分辨率對于工�(yè)控制(如機器人、發(fā)動機)�(chǎn)品極為重�。目�,數(shù)字電位器能夠提供的分辨率�10位或1 024抽頭。數(shù)/模轉(zhuǎn)換器的另一個優(yōu)勢是能夠在單芯片�(nèi)集成多路�(zhuǎn)換器,例�,MAX5733�(nèi)�32路DAC,每路都能提�16位的分辨率。當前的�(shù)字電位器最多只能提�6個通道,如DS3930�

  DAC能夠源出或吸入電�,為設計者提供更大的靈活�。例如,MAX5550 10位DAC通過�(nèi)部放大器、P溝道MOSFET和上拉電阻能夠提供高�30mA的輸出驅(qū)�。而MAX5547 10位DAC�(jié)合放大器、N溝道MOSFET和下拉電阻可以提�3.6 mA的吸電流。除電流輸出外,一些DAC還可以與外部放大器連接提供額外的輸出控�。因為數(shù)/模轉(zhuǎn)換器通常�(nèi)置放大器,成本要高于�(shù)字電位器。但隨著新型DAC尺寸的縮�,成本差異也越來越小�

  3 �(shù)字電位器

  前面已談到數(shù)字電位器可以通過�(shù)字輸入控制電�。圖1a中的3端數(shù)字電位器實際上是一個固定端到端電阻的可�(diào)電阻分壓�。通過將電位器中心抽頭與高端或低端相連,或使高端或低端浮�,數(shù)字電位器能配置成2端可變電阻。與�(shù)/模轉(zhuǎn)換器不同,數(shù)字電位器能將H端接電壓或電壓端。選用數(shù)字電位器時,用戶也需考慮具體的指標:線性或?qū)�?shù)�(diào)節(jié)、抽頭數(shù)、抽頭級�(shù)、非易失存儲�、成本等??刂平涌谟羞f�/遞減、按�、SPI和I2C�

  與數(shù)/模轉(zhuǎn)換器一�,數(shù)字電位器通過串口通信,包括I2C和SPI。此外,�(shù)字電位器還提供了2線的遞增、遞減接口控�。通常,DAC與數(shù)字電位器的顯著區(qū)別在于數(shù)/模轉(zhuǎn)換器�(nèi)部帶有輸出放大器。通過該輸出放大器可以�(qū)動低阻負��

  4 DAC/電位器的選擇

  很多應用場合,用戶可以輕易地在DAC和電位器之間做出選擇。要求高分辨率的電機控制、傳感器或機器人系統(tǒng),需要選用DAC。另�,高速應用中,例如基�、儀表等對速度、分辨率要求較高,甚至需要并行接口的DAC。電位器的線性特性便于實�(xiàn)放大器反饋網(wǎng)�。相對于�(shù)/模轉(zhuǎn)換器,對�(shù)電位器更適合音量�(diào)節(jié)�

  但在當前的許多應用中,DAC與數(shù)字電位器之間選擇的界限比較模�,圖2中的DAC和數(shù)字電位器都可用于控制MAXl553 LED�(qū)動器。MAXll53亮度(BRT)輸入的直流電壓和檢流電阻決定了LED的電��

DAC和數(shù)字電位器都可用于控制電路

區(qū)分性能

  概述

  �(shù)字電位器,或digipot,方便了模擬電路的電阻、電壓以及電流的�(shù)字控制和�(diào)�。數(shù)字電位器通常用于電源校準、音量控�、亮度控�、增益調(diào)節(jié)以及光模塊的偏置/�(diào)制電流調(diào)節(jié)。數(shù)字電位器除基本功能外,還提供許多其它功能,以增強系統(tǒng)性能,簡化設計。這些功能包括:不同類型的非易失存儲器、過零檢�、去抖動按鍵接口、溫度補償和寫保�。這些功能針對不同的應用而設計�

  基本的數(shù)字電位器設計

  電位器實際上是一個三端元�(見圖1a)。低端VL在內(nèi)部連接至器件地或作為引腳輸�,便于設計。三端數(shù)字電位器的結(jié)�(gòu)實質(zhì)上是一個具有固定端到端電阻的可�(diào)節(jié)分壓電阻�

  可變電阻是雙端電位器,抽頭和一個電阻串端點的阻值可�(參考圖1b)。調(diào)節(jié)可變電阻�(shù)字電位器的抽頭位�,可以改變數(shù)字電位器的端到端電阻�

電位器實際上是一個三端元件電路

  �1. (a) 三端�(shù)字電位器的結(jié)�(gòu)實質(zhì)上是一個具有固定端到端電阻的可�(diào)節(jié)分壓電阻�(b) 可變電阻為雙端數(shù)字電位器,抽頭內(nèi)部連接到電位器的一��

  簡單地說,數(shù)字電位器是由�(shù)字輸入控制的模擬輸出,類似于�(shù)/模轉(zhuǎn)換器(DAC)的定�。與DAC不同的是,DAC提供�(jīng)過緩沖的輸出,而絕大多�(shù)�(shù)字電位器在沒有外部緩沖器的情況下不能�(qū)動低阻負��

  對于�(shù)字電位器,抽頭電流范圍為幾百微安到毫安級。當�(shù)字電位器的抽頭連接到低阻負載時,無論是可變電阻還是真正的數(shù)字電位器,一定要確保在最糟糕的工作條件下抽頭電流處于可接受的IWIPER范圍??勺冸娮璧淖畈钬撦d�(fā)生在VW接近VH�。在這個點�,電路中除抽頭電阻以外可能沒有其它電阻限制電流。但�,有些應用中可能要求很大的抽頭電流,這種情況�,需要重點考慮電位器抽頭的壓降,這個壓降限制了�(shù)字電位器的輸出動�(tài)范圍�

  根據(jù)應用需求改進設�

  �(shù)字電位器的應用范圍很�,一些設計中可能需要外加器�,以滿足對數(shù)字電位器的“精密調(diào)節(jié)”要�。例如,�(shù)字電位器的端到端電阻范圍�10kΩ�200kΩ,而控制LED亮度時常常需要小電阻。解決這個問題的方案是DS3906,該芯片�105Ω的固定電阻并�(lián)使用,可提供70Ω�102Ω的等效電阻。這種配置下可以獲�0.5Ω的步進調(diào)節(jié),精確調(diào)節(jié)LED亮度。另一個解決方案是多通道�(shù)字電位器,如MAX5477或MAX5487,可以多個通道相互組合得到不同的調(diào)節(jié)電阻步長,達到數(shù)字電位器的分辨率要求�

  有些情況可能需要更特殊的數(shù)字電位器功能,對于需要溫度補�?shù)碾妷夯螂娏髡{(diào)節(jié),如光模塊的光驅(qū)動器偏置,可以選擇基于查找表的可變電�。一些數(shù)字電位器集成了EEPROM (用于存儲溫度變化時的校準�(shù)�(jù))和內(nèi)部溫度傳感器(用于測量�(huán)境溫�)。數(shù)字電位器按照測量溫度在查找表中檢索到對應的數(shù)�,調(diào)整可變電�?;跍囟炔檎冶淼�?shù)字電位器通常用來修正電路元件的非線性溫度響�,如激光二極管或光電二極管;也可以根據(jù)應用需�,有意建立一個非線性電阻的溫度響應�

  非易失存儲器是數(shù)字電位器中引入的比較常見的低成本功能電路,標準的基于EEPROM的非易失(NV)�(shù)字電位器在上電復�(POR)期間進入一個已知狀�(tài)。EEPROM能夠確保50,000次的重復寫次�(shù),相對于機械電位器,大大提高了系�(tǒng)的可靠�。一次性編�(OTP)�(shù)字電位器,如MAX5427/MAX5428/MAX5429,采用熔絲設�,保存默認的抽頭位置。與基于EEPROM的數(shù)字電位器一�,POR后OTP�(shù)字電位器初始化到已知狀�(tài)。然�,OTP�(shù)字電位器的POR狀�(tài)一旦編程后不能重寫。所�,OTP很適合工廠編程或�(chǎn)品校準。熔絲性地設置OTP�(shù)字電位器的POR抽頭位置,無需鎖定抽頭位置。有些OTP�(shù)字電位器的抽頭在熔絲編程后可以調(diào)節(jié);有些OTP�(shù)字電位器的抽頭位置則被性地設置,得到一個精確的、經(jīng)過校準的電阻分壓�。一些數(shù)字電位器提供鎖定寄存�,或�(shù)字控制輸入,使數(shù)字電位器接口呈高阻態(tài),避免不恰當?shù)某轭^�(diào)�。EEPROM�(shù)字電位器的寫保護功能還降低了功��

  �(shù)字電位器可以在電源或其它需要工廠校準的系統(tǒng)中完成電壓和電流校準。與機械電位器或分離電阻等費時且不精確的手動校準相比,數(shù)字電位器有助于提高制造商的生�(chǎn)能力,改善校準精度和重復性指標。另�,數(shù)控電位器便于遠程�(diào)試和重新校準。需要校準多個電壓和/或電流時,使用DS3904/DS3905等三路NV�(shù)字電位器非常理想(�2)。這種情況下,一個小體積�(shù)字電位器可以代替三個機械電位器。用�(shù)字電位器替代機械電位器還有助于提高電路布局的靈活性,因為�(shù)字電位器不需要在安裝或維護期間進行機械�(diào)�。校準是OTP或EEPROM寫保護功能的典型應用,其中EEPROM寫保護更有利于設��

  �2. DS3904/DS3905三路非易失數(shù)字電位器,可理想用于需要校準多路電�/電流的系�(tǒng)。這款小尺寸IC可以替代3個機械電位器�

  雖然不是�(shù)字電位器,DS4303等具有簡單的單線�(shù)字控制接口的采樣/保持電壓基準也能用于�(chǎn)品校�(�3)。緊湊的設計非常符合校準的需�,電壓基準輸出在被控制信號鎖定之前取決于輸入電壓,輸出鎖定后,除非重新編程或掉電,否則輸出將不再�(fā)生變�,與輸入電壓無關。產(chǎn)品把鎖定后的輸出電壓存儲在EEPROM�,電源上電后可重新恢復�

  �3. 非易失采�/保持電壓基準DS4303,雖然不是數(shù)字電位器,但可理想用于產(chǎn)品校�。校準時,在被控制信�(ADJ)鎖定之前,DS4303輸出(VOUT)取決于輸入電�(VIN)�

  改進后的按鍵接口是傳統(tǒng)接口(如SPI?、I?C、增/減和旋轉(zhuǎn)控制)的補�。帶有緩沖輸出的�(shù)字電位器MAX5486使用了這種接口。這種�(jīng)過去抖的按鍵接口基于按鍵按下的時�,用變化的速度控制抽頭動作。按鍵接口不需要微控制�,降低了系統(tǒng)設計的復雜度。去抖動按鍵接口對于音量控制尤其重要�

  針對音頻應用設計的數(shù)字電位器通常提供過零檢測電路,過零檢測可以抑制抽頭從一個位置跳變到另一個位置時的可聞噪�。該功能使能�,過零檢測電路將抽頭動作推遲到VL接近VH時。很多過零檢測電路還提供抽頭變化的延�,方便直流調(diào)節(jié)及其它特定電��

  �(jié)�

  簡單的易失性數(shù)字電位器在系�(tǒng)設計中仍然實�,而針對特殊應用設計的�(shù)字電位器和可變電阻提供了更多的功能。目�,很多設計者希望替換機械電位器,提高系�(tǒng)的可靠性和在整個工作溫度范圍內(nèi)的性能,省去系�(tǒng)微處理器,或抑制咔嗒/噼噗�。對于這些需求,�(shù)字電位器充分展現(xiàn)它的�(yōu)�,數(shù)字電位器的應用越來越普遍�

利用實現(xiàn)�(shù)控低通濾波器

  �(shù)字電位器是一種應用普遍的器件,以下介紹如何使用數(shù)字電位器�(gòu)建一個可�(diào)帶寬的低通濾波器�

  2 一種簡單的低通濾波器

  由DS3903�(gòu)成的音頻低通濾波器如圖1所�。該電路采用單電源供�,電源電壓范圍為2�7�5�5 V。包含一級前置衰��5�0 V供電時可處理5�0 VP-P(1�77VRMS)輸入。為了產(chǎn)生一個雙極點(極點在同一頻點)低通濾波器(�10倍頻程衰�12 dB),電容C3必須是C2�2倍以�,可變電阻POTO和POTl設置相同�,則截止頻率(fC)計算如下�

  其中,RPOT是可變電阻POT0和POT2設置對應的電阻值�

音頻低通濾波器圖

  該電路的輸入部分(Cl、U1一POTl、U2A、Rl和R2)是音量控制電�,還可將音頻信號的直流偏置到VCC�2,使信號在未嵌位的條件下通過�(shù)字電位器和運放器,在任何供電電源�,電路都能夠處理信號擺幅。因�,該設計�2�7 V�5�0 V下工作性能良好。輸出直流電平保持在VCC/2,除非在正常輸出以外工作,電平將偏移到不同工作點�

  對于已限定工作范圍的應用,可以去掉輸入級電路,采用直接耦合的方式連接到濾波器。去掉輸入電路后,輸出信號只是經(jīng)截止頻率為fC的雙極點濾波器濾波后的信�,而輸入信號的直流分量則直接旁路到輸出��

  通過更改電容或選擇不同端到端電阻的數(shù)字電位器,該電路的截止頻率可設置�500 kHz�

用于計算RPOT的數(shù)字電阻模型圖

  用于計算RPOT的數(shù)字電阻模型如�2所示,對于指定位置,相應的開關將閉合而其他位置的開關則開�。電位器每遞增一個單元位置,電阻將相應增加LSB(對DS3903�10 kΩ�128=78Ω),抽頭位置除�,抽頭位置為電位器電阻的并聯(lián)組合,則引起非線�。通過下式計算RPOT�

  其中:RLSB是端到端電阻除以抽頭�(shù);RW是滑動端、電阻;n是電位器的編程位�;a是數(shù)字電位器的總抽頭�(shù)�

  �3所示給出了DS3903 10 kΩ電位器的RPOT電阻值與抽頭位置之間的關系圖,假定端到端電阻�10 kΩ,滑動端電阻最小值是500Ω。這兩個參�(shù)都會對濾波特性產(chǎn)生顯著影�,但主要影響的是截止頻率的最小值和�,實際截止頻率可以在其最小值和值之間調(diào)節(jié),選擇適�?shù)碾娙葜导纯蓪⒔刂诡l率設置在可調(diào)范圍�(nèi)所要求的頻點�

電位器的RPOT電阻值與抽頭位置之間的關系圖

  3 �(shù)字電位器設計考慮

  濾波電路選擇�(shù)字電位器時需要考慮以下幾個因��

  使用�(shù)字電位器的限制是電位器端點的電壓,通常該電壓必須保持在VCC和GND之間,以避免ESD�(jié)�(gòu)�(nèi)部的二極管將音頻信號嵌位。當VCC在規(guī)定的范圍(2�7~5�5 V)�(nèi)�,DS3903的ESD�(jié)�(gòu)允許輸入信號處于6 V與GND之間,這一特性對于要求輸入信號大于VCC的應用非常靈�。但�,在圖l所示電路中并未處理6�0 VP-P信號,因為運放電源低�6 V時將會嵌位信�。如果運算放大器能夠采用更高的電壓供�,即可使用DS3903的大信號處理功能�

  電位器抽頭的變化形式(線性或?qū)�?shù))決定了電路截止頻率的線性調(diào)節(jié)�?qū)�?shù)�(diào)節(jié)形式。對于圖l所示音頻范圍的濾波電路,為保證�40�800 Hz之間提供盡可能多的截止頻率設置,采用線性電位器比較合適�

  電位器的分辨�(�128�256抽頭)決定了截止頻率的�(diào)節(jié)精度,抽頭數(shù)越多,截止頻率的�(diào)節(jié)精度也越高。對于音頻應�,不太可能使�64�128抽頭以上的電位器來設置低通濾波器的截止頻�。對于寬帶應用則要求更多的電位器抽頭�

  一些數(shù)字電位器采用非易失存�,能夠在沒有電源供電時保持抽頭位�。這種特性可用于保存校準后的濾波器位置,而在上電時不再調(diào)整濾波器設置。易失電位器總是從一個預置位置啟�,電路在被修改之前將一直保持默認位置�

  �(shù)字電位器的端到端電阻和滑動電阻具有較寬的公差,圖l所示電路中的兩個電�(POTO和POT2)則保持相�,因為這兩個電阻制作在同一硅片�。電位器的實際阻值差別較�,通常端到端電阻的變化范圍是�20�,但它們的相對值基本保持穩(wěn)��

  另外,數(shù)字電位器�(nèi)部也具有一定的寄生電容,這會限制截止頻率。截止頻率大�500 kHz�,不推薦使用10 kΩ的數(shù)字電位器,也不建議將50 kΩ�(shù)字電位器用于100 kHz以上的設計或?qū)?00 kΩ的數(shù)字電位器用于50 kHz以上的設�。對于音頻應�,所選擇的電位器能夠提供足夠的帶寬,但對于寬帶應�,必須慎重考慮這一因素�

  4 運算放大器的選擇

  該電路對于運算放大器的主要設計考慮是最小穩(wěn)定增益和輸入、輸出電壓擺幅。輸入級接收信號并將其偏置在VCC�2直流電平,濾波器本身是單位增益放大器。為保證可靠工作.放大器必須是單位增益穩(wěn)�。另�,還需選擇具有滿擺幅輸入、輸出的運算放大�,以處理接近電路供電電壓的輸入信��

  5 �(jié)�

  �(shù)字電位器可用于構(gòu)建數(shù)控低通濾波器.本文中的雙極點濾波器能夠在音頻應用中提供良好性能,選擇不同的電容、電位器值可以調(diào)整濾波器的截止頻�,可�500 kHz�

維庫電子通,電子知識,一查百��

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