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數(shù)字電位器
來源：作者：日期：2017-12-20 15:04:36點(diǎn)擊：9385次
數(shù)字電位器WDH22也稱為非接觸式電位器，是一種用數(shù)字傳感器檢測轉(zhuǎn)軸的角度變化，并將這個(gè)角度變化用多種信號(hào)類型反饋輸出的器件。
| 中文名 | 外文名 | 規(guī)格種類 |
| 數(shù)字電位器 | DigitalPotenTIometer | 單路數(shù)字電位器多路數(shù)字電位器 |
目錄
1、數(shù)字電位器的簡介
2、數(shù)字電位器的作用
3、數(shù)字電位器工作原理
4、數(shù)字電位器的優(yōu)點(diǎn)
5、數(shù)字電位器的選型
6、數(shù)字電位器設(shè)計(jì)考慮
7、區(qū)分?jǐn)?shù)字電位器的性能
8、數(shù)字電位器的應(yīng)用
9、數(shù)字電位器缺點(diǎn)的解決方法
數(shù)字電位器的簡介：
數(shù)字電位器（DigitalPotenTIometer）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)字電位器由數(shù)字輸入控制，產(chǎn)生一個(gè)模擬量的輸出。依據(jù)數(shù)字電位器的不同，抽頭電流最大值可以從幾百微安到幾個(gè)毫安。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)字電位器的作用：
數(shù)字電位器是由數(shù)字輸入控制的模擬輸出，類似于數(shù)/模轉(zhuǎn)換器(DAC)的定義。和DAC不同的是，DAC提供經(jīng)過緩沖的輸出，而絕大多數(shù)數(shù)字電位器在沒有外部緩沖器的情況下不能驅(qū)動(dòng)低阻負(fù)載。
對(duì)于數(shù)字電位器，最大抽頭電流范圍為幾百微安到毫安級(jí)。當(dāng)數(shù)字電位器的抽頭連接到低阻負(fù)載時(shí)，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。
可變電阻的最差負(fù)載發(fā)生在VW接近VH時(shí)。在這個(gè)點(diǎn)上，電路中除抽頭電阻以外可能沒有其它電阻限制電流。但是，有些應(yīng)用中可能要求很大的抽頭電流，這種情況下，需要重點(diǎn)考慮電位器抽頭的壓降，這個(gè)壓降限制了數(shù)字電位器的輸出動(dòng)態(tài)范圍。
對(duì)于需要溫度補(bǔ)償?shù)碾妷夯螂娏髡{(diào)節(jié)，如光模塊的光驅(qū)動(dòng)器偏置，可以選擇基于查找表的可變電阻。一些數(shù)字電位器集成了EEPROM (用于存儲(chǔ)溫度變化時(shí)的校準(zhǔn)數(shù)據(jù))和內(nèi)部溫度傳感器(用于測量環(huán)境溫度)。
數(shù)字電位器按照測量溫度在查找表中檢索到對(duì)應(yīng)的數(shù)值，調(diào)整可變電阻。基于溫度查找表的數(shù)字電位器通常用來修正電路元件的非線性溫度響應(yīng)，如激光二極管或光電二極管;也可以根據(jù)應(yīng)用需要，有意建立一個(gè)非線性電阻的溫度響應(yīng)。
數(shù)字電位器工作原理：
如圖所示為數(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、保存和恢復(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。
數(shù)字電位器的優(yōu)點(diǎn)：
數(shù)字電位器的最大的優(yōu)點(diǎn)在于數(shù)字電位器的使用壽命。一般的機(jī)械電位器使用壽命較低，很多使用數(shù)千次后就出現(xiàn)磨損，失效等異常。而數(shù)字電位器一般以百萬次為單位。
通過將電位器中心抽頭與高端或低端相連，或使高端或低端浮空，數(shù)字電位器能配置成2端可變電阻。與數(shù)/模轉(zhuǎn)換器不同，數(shù)字電位器能將H端接最高電壓或最低電壓端。
數(shù)字電位器的選型：
如果你的系統(tǒng)中如果需要多個(gè)數(shù)字電位器的話，可以考慮選型集成多個(gè)數(shù)字電位器的芯片，如CAT5221，CAT5241等;
如果你的系統(tǒng)要求電位器的分辨率要求比較高的話，可以選擇滑片數(shù)目多一些的電位器，比如CAT5251等，當(dāng)然，也可以使用兩個(gè)數(shù)字電位器串聯(lián)達(dá)到這個(gè)目的;
對(duì)于帶緩沖器輸出的電位器，輸出是一個(gè)電壓值，而不是一個(gè)電阻值，所以如果用于運(yùn)放反饋回路上的電阻的話，是不合適的，這個(gè)時(shí)候應(yīng)該選擇不帶緩沖器的;
如果你的系統(tǒng)重新上電時(shí)，希望能阻值能夠恢復(fù)上一次掉電時(shí)的阻值，則要選擇非易失性的數(shù)字電位器;
對(duì)于變化的信號(hào)，還要考慮器件的頻率響應(yīng)相關(guān)參數(shù)。
數(shù)字電位器設(shè)計(jì)考慮：
使用數(shù)字電位器的最大限制是電位器端點(diǎn)的電壓，通常該電壓必須保持在VCC和GND之間，以避免ESD結(jié)構(gòu)內(nèi)部的二極管將音頻信號(hào)嵌位。當(dāng)VCC在規(guī)定的范圍(2．7~5．5 V)內(nèi)時(shí)，DS3903的ESD結(jié)構(gòu)允許輸入信號(hào)處于6 V與GND之間，這一特性對(duì)于要求輸入信號(hào)大于VCC的應(yīng)用非常靈活。但是，在圖l所示電路中并未處理6．0 VP-P信號(hào)，因?yàn)檫\(yùn)放電源低于6 V時(shí)將會(huì)嵌位信號(hào)。如果運(yùn)算放大器能夠采用更高的電壓供電，即可使用DS3903的大信號(hào)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)或?qū)?shù)調(diào)節(jié)形式。對(duì)于圖l所示音頻范圍的濾波電路，為保證在40～800 Hz之間提供盡可能多的截止頻率設(shè)置，采用線性電位器比較合適。
電位器的分辨率(如128或256抽頭)決定了截止頻率的調(diào)節(jié)精度，抽頭數(shù)越多，截止頻率的調(diào)節(jié)精度也越高。對(duì)于音頻應(yīng)用，不太可能使用64或128抽頭以上的電位器來設(shè)置低通濾波器的截止頻率。對(duì)于寬帶應(yīng)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儲(chǔ)，能夠在沒有電源供電時(shí)保持抽頭位置。這種特性可用于保存校準(zhǔn)后的濾波器位置，而在上電時(shí)不再調(diào)整濾波器設(shè)置。易失電位器總是從一個(gè)預(yù)置位置啟動(dòng)，電路在被修改之前將一直保持默認(rèn)位置。
數(shù)字電位器的端到端電阻和滑動(dòng)電阻具有較寬的公差，圖l所示電路中的兩個(gè)電阻(POTO和POT2)則保持相等，因?yàn)檫@兩個(gè)電阻制作在同一硅片上。電位器的實(shí)際阻值差別較大，通常端到端電阻的變化范圍是±20％，但它們的相對(duì)值基本保持穩(wěn)定。
另外，數(shù)字電位器內(nèi)部也具有一定的寄生電容，這會(huì)限制最大截止頻率。截止頻率大于500 kHz時(shí)，不推薦使用10 kΩ的數(shù)字電位器，也不建議將50 kΩ數(shù)字電位器用于100 kHz以上的設(shè)計(jì)或?qū)?00 kΩ的數(shù)字電位器用于50 kHz以上的設(shè)計(jì)。對(duì)于音頻應(yīng)用，所選擇的電位器能夠提供足夠的帶寬，但對(duì)于寬帶應(yīng)用，必須慎重考慮這一因素。
區(qū)分?jǐn)?shù)字電位器的性能：
數(shù)字電位器，或digipot，方便了模擬電路的電阻、電壓以及電流的數(shù)字控制和調(diào)整。數(shù)字電位器通常用于電源校準(zhǔn)、音量控制、亮度控制、增益調(diào)節(jié)以及光模塊的偏置/調(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(qiáng)系統(tǒng)性能，簡化設(shè)計(jì)。這些功能包括：不同類型的非易失存儲(chǔ)器、過零檢測、去抖動(dòng)按鍵接口、溫度補(bǔ)償和寫保護(hù)。這些功能針對(duì)不同的應(yīng)用而設(shè)計(jì)。
數(shù)字電位器的應(yīng)用：
與機(jī)械式電位器相比，數(shù)字電位器的另一優(yōu)勢是可以直接安裝在電路板的信號(hào)通道上，而不需要復(fù)雜、昂貴的機(jī)械與電控的整合方案。數(shù)字電位器可提高電子噪聲抑制能力，不存在機(jī)械電位器連線拾取的干擾信號(hào)。傳統(tǒng)的數(shù)字電位器只是簡單地直接取代機(jī)械式電位器，它們具有相同的使用方法，因而無需做過多的說明。然而，對(duì)于特殊用途的器件，（如低成本立體聲音量控制），使用時(shí)可能會(huì)出現(xiàn)一些特殊問題。
數(shù)字電位器可以提供對(duì)數(shù)和線性變化函數(shù)，對(duì)數(shù)變化的數(shù)字電位器常用于Ｈｉ－Ｆｉ音頻設(shè)備中的音量調(diào)節(jié)，可為具有非線性響應(yīng)特性的人耳建立一個(gè)線性變化的音量控制。目前，高度集成的數(shù)字電位器可以在單芯片內(nèi)提供六個(gè)獨(dú)立的電位器，并支持多聲道音頻設(shè)備，如立體聲、環(huán)繞杜比系統(tǒng)等。對(duì)于音頻設(shè)備，需要注意每一級(jí)抽頭位置的瞬變過程，如果抽頭位置沒有精確地切換到０Ｖ，音頻信號(hào)會(huì)帶有噼啪聲和砰然聲。幸運(yùn)的是，新一代數(shù)字電位器包含的過零檢測功能（如ＤＳ１８０２）可確保在檢測到過零（０Ｖ）或５０ｍｓ延遲時(shí)改變抽頭位置，從而可降低抽頭位置瞬變時(shí)的音頻噪聲。
新一代的ＤＳ１８０２音頻電位器包含了兩個(gè)數(shù)控電位器，對(duì)數(shù)抽頭，每級(jí)變化１ｄＢ。最大衰減量為６３ｄＢ。此外，它還帶有靜音功能，可將信號(hào)衰減９０ｄＢ。ＤＳ１８０２有四個(gè)按鍵輸入，可用于音量／平衡控制。合理利用其過零檢測器，能夠?qū)崿F(xiàn)音量的無縫調(diào)節(jié)，以得到純凈的音頻信號(hào)。圖２提供了一個(gè)前置放大器方案，可通過按鍵控制兩個(gè)立體聲聲道。用ＤＳ１８０２構(gòu)成音量控制電路時(shí)，需要將交流信號(hào)偏置在直流電源范圍內(nèi)，否則，ＤＳ１８０２會(huì)將低于ＧＮＤ、高于ＶＣＣ的音頻信號(hào)鉗位掉，ＤＳ１８０２可以采用３Ｖ或５Ｖ電源。由于音頻信號(hào)通常是對(duì)稱的，所以，最好將直流偏置設(shè)置在ＶＣＣ／２，以獲得最大的音頻信號(hào)擺幅。圖２（ａ）是一個(gè)惠斯通橋電路，可用來將輸入信號(hào)偏置在ＶＣＣ／２。該電路允許交流信號(hào)通過位于中間位置的電阻（電位器），來對(duì)電阻兩端進(jìn)行相同的直流偏置。這一點(diǎn)對(duì)于數(shù)字電位器非常關(guān)鍵，因?yàn)檫^零檢測器是在電位器兩端電壓為零時(shí)切換電位器的位置，因而，可以消除由于數(shù)字電位器的非連續(xù)切換所造成的噼啪聲和砰然聲。圖２（ｂ）是在圖（ａ）基礎(chǔ)上構(gòu)建的電路，該電路的輸入阻抗為１３．７ｋΩ，橋電路和輸入電容造成的信號(hào)衰減為１．２ｄＢ（２０Ｈｚ）。此外，還需要在靠近DS1802和MAX4167的VCC引腳加旁路電容。
數(shù)字電位器缺點(diǎn)的解決方法：
數(shù)字電位器的額定阻值差大，一般在(20-30)%，主要是由P型硅擴(kuò)散層的表面電阻率及內(nèi)部開關(guān)的導(dǎo)通電阻等工藝方面的差異引起的。
數(shù)字電位器的溫度系數(shù)大，選擇雙數(shù)字電位器將可變增益差分放大器設(shè)計(jì)，則可始終保持集成運(yùn)放的同相端和反相端對(duì)外的電阻相等，從而始終保持很高的CMRR，抑制了溫漂誤差。
數(shù)字電位器的通頻帶一般較窄，主要是由于數(shù)字電位器內(nèi)存在雜散電容，頻率響應(yīng)受RC時(shí)間常數(shù)的限制。
數(shù)字電位器受CMOS工藝的限制，數(shù)字電位器的滑動(dòng)段允許通過電流較小，一般不超過3ma，電流過大會(huì)使、器件過早失效。
數(shù)字電位器一般不能直接接負(fù)電源，但在構(gòu)成分壓器時(shí)，有時(shí)候需要輸出正負(fù)電壓，可以得到一定范圍可正可負(fù)的分壓輸出。
