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(jī)械電位器(模擬電位器)的新型CMOS數(shù)字、模擬混合信號(hào)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(diǎn)、低噪聲、不易污損、抗振動(dòng)、抗干擾、體積小、壽命長等顯著優(yōu)點(diǎn)，可在許多領(lǐng)域取代機(jī)械電位器。
數(shù)字電位器一般帶有總線接口，可通過單片機(jī)或邏輯電路進(jìn)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(shí)現(xiàn)了“把模擬器件放到總線上”(即單片機(jī)通過總線控制系統(tǒng)的模擬功能塊)這一全新設(shè)計(jì)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(cè)儀器、PC、手機(jī)、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(jī)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(shí)，其高端、低端、滑動(dòng)端分別用VH、VL、VW表示；而用作可調(diào)電阻器時(shí)，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(gè)阻值相同的電阻串聯(lián)，每只電阻的兩端經(jīng)過一個(gè)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(hào)的控制下每次只能有一個(gè)模擬開關(guān)閉合，從而將串聯(lián)電阻的每一個(gè)節(jié)點(diǎn)連接到滑動(dòng)端。
數(shù)字電位器的數(shù)字控制部分包括加減計(jì)數(shù)器、譯碼電路、保存與恢復(fù)控制電路和不揮發(fā)存儲(chǔ)器等4個(gè)數(shù)字電路模塊。利用串入、并出的加／減計(jì)數(shù)器在輸入脈沖和控制信號(hào)的控制下可實(shí)現(xiàn)加／減計(jì)數(shù)，計(jì)數(shù)器把累計(jì)的數(shù)據(jù)直接提供給譯碼電路控制開關(guān)陣列，同時(shí)也將數(shù)據(jù)傳送給內(nèi)部存儲(chǔ)器保存。當(dāng)外部計(jì)數(shù)脈沖信號(hào)停止或片選信號(hào)無效后，譯碼電路的輸出端只有一個(gè)有效，于是只選擇一個(gè)MOS管導(dǎo)通。
數(shù)字控制部分的存儲(chǔ)器是一種掉電不揮發(fā)存儲(chǔ)器，當(dāng)電路掉電后再次上電時(shí)，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(diǎn)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(jī)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(jì)數(shù)有效期間，數(shù)字電位器的電阻值與期望值可能會(huì)有一定的差別，只有在調(diào)整結(jié)束后才能達(dá)到期望值。
從圖2可以看出，數(shù)字電位器與機(jī)械式電位器有2個(gè)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?yàn)閿?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(shí)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(jìn)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(jí)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(chǔ)和調(diào)用電路、32選l譯碼器、由MOS場(chǎng)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(jì)數(shù)器經(jīng)過三線加／減式接口()與單片機(jī)相連，其工作像一個(gè)升／降計(jì)數(shù)器，輸出經(jīng)譯碼，控制接通某個(gè)電子開關(guān)，這樣就把電阻陣列上的一個(gè)點(diǎn)連接到滑動(dòng)輸出端。電阻陣列由32個(gè)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(jì)數(shù)器的內(nèi)容還可以儲(chǔ)存到非易失存儲(chǔ)器中以便后續(xù)使用。

2個(gè)頂腳引線分別接VH和VL，中間抽頭為VW。為3個(gè)控制端，其中，為片選端，為低電平時(shí)，X9313被選中。此時(shí)才能接收的信號(hào)。在下降沿使計(jì)數(shù)器增或減1。如果，滑動(dòng)端向VH方向滑動(dòng)，VW與VH之間的電阻減小一個(gè)階值。反之，如果，滑動(dòng)端向VL方向滑動(dòng)。計(jì)數(shù)器輸出譯碼后，經(jīng)過32選1，使滑動(dòng)端的位置沿電阻陣列移動(dòng)。當(dāng)計(jì)數(shù)器達(dá)到某個(gè)極端(00000或11111)時(shí)，不會(huì)循環(huán)回復(fù)，從00000自動(dòng)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(shí)，計(jì)數(shù)器的值存儲(chǔ)到非易失存儲(chǔ)器中，系統(tǒng)上電時(shí)，器件自動(dòng)將非易失性存儲(chǔ)器中的值送到計(jì)數(shù)器，作為計(jì)數(shù)器的輸出。