數字電位器的應用特性分析

1 引言　　

soc（片上系統(tǒng)）和模擬數字混合信號處理技術是現代信息技術應用中的兩個重要電子技術基礎?！　?/p>

一般來說，純數字系統(tǒng)的soc實現技術比較成熟，而模擬－數字混合信號處理系統(tǒng)的soc實現起來則比較困難，其主要原因就是模擬部分難以實現高度集成?！　?/p>

對于模擬電子系統(tǒng)，由于信號和參數具有連續(xù)與分散特征，因此在進行系統(tǒng)集成和數字程控時會遇到比較大的困難。特別是當需要通過調整電阻值來連續(xù)調整電路特性時，其困難可能會更大。例如用數字方式調整濾波器截止頻率時，就必須對電阻值進行比較精確的連續(xù)調整?！　?/p>

為了實現模擬電路參數的程控連續(xù)調整，解決混合信號處理中的問題，美國xicor公司研制出程控電位器，利用它可以在一定范圍內實現對電阻阻值的程控調整，從而為模擬－數字混合信號處理系統(tǒng)的集成化提供有利的支持?！　?/p>

數字電位器的技術特性是應用技術中的關鍵。因此本文將對數字電位器的電阻特性和數字控制特性進行分析。

2 x9c系列數字電位器的技術特性　　

從電路結構上看，x9c系列數字電位器由兩大部分組成，圖1所示是其內部結構。從圖中可以看出：
x9c系列數字電位器結構中的一部分是數字控制電路，另一部分是電阻網絡。該器件的基本設計思想是通過開關控制電阻網絡接點的連接方式來改變電阻值?！　?/p>

x9c系列數字電位器的輸入輸出端（參考圖1）的具體功能如下：　

控制計數方向的輸入信號，該腳為高電平時，為加計數，該腳為低電平時為減計數；

計數脈沖輸入，運行時可在脈沖的下降沿觸發(fā)計數

片選信號輸入，該引腳為低電平時，器件中的計數器接收計數脈沖并計數，該引腳為高電平時，器件中的計數器不工作而維持當前輸出，此時電位器被鎖定；　　

rh／vh和rl／vl：電位器的兩個端點，其允許最高外接電壓為5v，最低外接電壓為－5v；

rw／vw：電位器中間抽頭。

在圖1所示的數字電位器中，有一個由99個相同電阻組成的電阻網絡，這些電阻的每兩個之間的連接點上均有一個mos開關管作為開關，開關管導通時就把電位器的中間抽頭連接在該點上。　　

數字電位器的數字控制部分包括加減計數器、譯碼電路、保存與恢復控制電路和不揮發(fā)存儲器等四個數字電路模塊。利用串入、并出的加／減計數器在輸入脈沖和控制信號的控制下可實現加／減計數，計數器把累計的數據直接提供給譯碼電路控制開關陣列，同時也將數據傳送給內部存儲器保存下來。當外部計數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管導通。　　

數字控制部分的存儲器是一種掉電不揮發(fā)存儲器，因此，當電路掉電后再次上電時，數字電位器中仍保存著原有的控制數據，其中間抽頭到兩端點之間的電阻值仍是上一次的調整結果。因此，數字電位器與機械式電位器的使用效果完全相同?！　?

由于開關的工作采用“先連接后斷開”的方式，因此，在輸入計數有效期間，數字電位器的電阻值與希望值可能會有較大的差別。所以，只有在調整結束后才能達到希望值?！?

3. 數字電位器的應用誤差分析

作為數字電位器，應用中通常十分關心電位器的電阻值，特別是調整后的電阻值與理想電阻之間的誤差?！　?

數字電位器的電阻誤差由兩個因素決定，一個是電阻網絡中的電阻，另一個是mos管的導通電阻?！　?

以圖2為例，當調整數字電位器電阻時，根據數字電位器的數據可以得到rh到rw之間的電阻值：

r＝nr　　

其中r是rh到rw之間的實際電阻，n是rh到rw之間的串聯電阻個數，r是電阻網絡中每個電阻的標稱值。 　

考慮到每個電阻的標稱值與實際值之間的誤差以及mos管的導通電阻誤差，則rh到rw之間的實際電阻為：　　

式中：δi是第i個電阻的誤差系數，rmos是mos管的導通電阻。這樣，可得出總的誤差為：

式中： 為數字電位器電阻網絡中所有電阻的平均誤差。由于同一個芯片中的mos管的參數基本相同，所以可以把mos管的導通電阻rmos看成是常數，由此得出的相對誤差隨nr的變化曲線如圖3所示。 　　

從圖3可以看出，隨著rh到rw之間串聯電阻個數的增加，相對誤差將呈下降趨勢。

4 應用電路分析　　

圖4所示是一個利用數字電位器實現量程自動轉換的單片機電路。mc68hc05p9單片機內有一個8位a／d轉換電路，該8位模數轉換電路有vh和vl兩個參考電源輸入端，a／d轉換電路的參考電壓是vh－vl?！?/p>

mc68hc05p9單片機a／d轉換電路的信號電壓分辨率為： 　　

采用數字電位器提供vl參考電壓可以把測試分為幾個不同的量程，這樣便可以保證每個量程中a／d轉換結果都在滿量程的3／2以上，從而大大地提高測試精度?！　?

自動量程轉換的過程是：先利用最大參考電壓測量一個數據，然后根據測量數據的結果確定所屬量程，最后再根據量程來調整數字電位器以使參考電壓滿足所需要的量程?！　?

由于數字電位器都存在有電阻誤差，因此，必須在使用前用單片機對其進行參數校正。

5. 結論　　

在現代應用電子系統(tǒng)中，設計者通?？傁Ｍ軐δM電路的參數特性進行自動調整，其中包括對電阻值的總調整，數字電位器就是適應這一要求的新型電子器件?！　?

從實際應用電路的運行上看，數字電位器與機械式電位器有兩個重要區(qū)別：一個是調整過程中，數字電位器的電阻值不是連續(xù)變化，而是在調整結束后才具有所希望的輸出。這是因為數字電位器采用mos管作為開關電路，并且采用了“先開后關”的控制方法；另一個不同之處是，數字電位器無法實現電阻的連續(xù)調整，而只能按數字電位器中電阻網絡上的最小電阻值進行調整。　　

在實際使用中應當特別注意數字電位器的電阻調整誤差，由于不同應用場合時的誤差影響有所不同。因此在實際應用時，最好能利用a／d轉換電路對其進行精確測量，并采用單片機對其進行補償。