数字电位器常见问题及应用经验总结

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        对于设计人员而言，数字电位器正变得越来越重要，它们具有很多优点，但也存在很多限制。下面比较机械电位器，数字电位器的共同点和区别，并由此帮助读者了解如何使用数字电位器。
        电位器的出现有很长的历史，它以各种方式应用在广泛的领域，如常数调整和测量领域。最常见的莫过于设定和微调电阻值来微调电路，设置电平和调整增益等。电位器也被用来设计机器人和工业设备中的位置反馈。针对电位器需要考虑的各个方面，需针对特定应用的各种需求来设置。如电位器上的最大电压，各臂所能提供的最大电流，能允许消耗的最大功率以及最需要考虑的电阻问题。从功率到噪声的各个方面。单个电阻的误差通常有+/-20%到+/-5%，温度也会造成电阻值的漂移，所以需要考虑电位器的精度，线性，单调性与否，是否考虑设计中其它因素。比如人耳对声音的频率响应将比较重要。断电与加电时电阻的变化，成本和体积，还有可靠性如装配，潮湿等。
        在爱迪生一千多项的发明当中,电位器总是为人们所遗忘。它是在十九世纪七十年代被发明并应用在开关中。如图一所示。
       
        经一百年来，随着材料及外形的改变，机械电位器在一些初级的应用中受到极大的关注。无可置疑机械电位器和数字电位器有许多区别，而它们的共性却令人惊讶。其中最大相同就是它们都具有可调性，能提供大范围的端到端电阻。
        机械电位器可耐上千伏的高压，数字电位器受制于小体积通常电压在30伏以内。机械电位器电阻容量也比数字电位器大。然而我们只要稍加考虑就可以解决上述问题。
        机械电位器受振动发生电阻飘移的时候会给设计造成问题。机械电位器的接触点因磨损，老化而造成电阻增大或失效，进而使机械电位器的性能无法预知。数字电位器则无因机械结构造成上述的问题，可以经上万次开关操作而依然保持一致。
        数字电位器通常采用多晶硅或薄膜电阻材料，具有低噪声，高精度和优良的温度系数。
        机械电位器和数字电位器尺寸大小比对如图二所示。
       
        数字电位器另一个显著优点是可编程性，它可以象EEPROM一样电压编程来调节电阻，可以取代电压跟随器，还可以象数模转换器一样来控制或设置电压电流。数字电位器的主要参数特性如下图所示。
       
        在使用数字电位器来设置电压时，如需限定电压输出范围，只需在数字电位器的供电回路上串联电阻即可。下图给出将输出电压范围从0到15V改变成6+/-1V，其中只需增加电阻R1和R3。
       
        用电位器来调整放大器增益的电路得到广泛应用，如液晶显示（LCD）中的对比度调节，传感器校准和数字多媒体播放等。机械电位器因工艺原因，端到端的电阻误差行业标准是+/-20%。当电阻值偏大时，电路分辩率降低。当电阻值偏小时，电路调节范围缩小。如下图所示。此20%误差带来的增益波动，在开环应用中因无补偿控制将会引起严重的后果。数字电位器可以将通道电阻的匹配精度做到1%，从而有效解决了电阻误差带来的增益波动问题。
       
        在数字音频应用中，数字电位器大量取代了机械电位器是因为数字电位器具有高可靠性，数字控制，易于在线性和对数性间转换和更好的稳定性。这其中的工程挑战有：
        音频信号电压范围应在电路供电范围内，即不能高于Vdd也不能低于Vss。
        上电顺序为：首先是电源地和正负电源，然后是数字信号，最后是数字电位器的内置ESD的A，W，B端口。
        电位器端到端电阻误差问题。可以将电位器在电路中接成电阻分压式，这样电位器的输出取决于游标的位置而与电阻误差无关。如下图所示。
       
        上电时电位器游标值问题。对于机械电位器，只要不改变游标位置，断电再复电后，游标值保持不变。对于数字电位器情况则不一样。有的数字电位器内置EEPROM，将游标值记录下来，复电后游标值保持不变。有的数字电位器复电后将游标自动设为中值。有的数字电位器在复电后将游标随机设值。这需要使用者仔细查阅相关规格书，不可一概而论。
        上电噪声问题。音频电路在上电或电路切换瞬间，容易因电压突变而在喇叭中发出“砰蓬”声，对音质而言是一种噪音。有的数字电位器内置过零点电路，使音频电路上电或电路切换发生在电压过零点处，从而避免电压突变，消除了“砰蓬”声。
        音量调节均匀性问题。人耳对音频实际上是呈对数性反应而非线性。绝大部分机械电位器按线性设计，这样在调节音量大小时，声音强弱并不均匀增加或减少。数字电位器可按对数性即按dB设计，这样无需额外的电路设计而解决音量调节均匀性问题。
        数字电位器还可以应用在数字滤波器电路中。下图为Analog Devices 公司给出的电路图和计算公式。需要特别注意的是数字电位器本身的带宽限制跟游标值的设定有关，详情请查阅厂家的应用手册。
       
        数字电位器并不能完全取代机械电位器，原因有数字电位器输入电压必须在Vdd和Vss间的限定，电流的限定（如@1K=5.5mA@10K=0.55mA，详情请查datasheet），上电顺序的要求，上电初始化，EEPROM电可擦写存储器的考虑，数字接口的考虑和电阻值不能做得太大,在跟踪输入信号来调整增益时需考虑响应时间等。
        结论：数字电位器较机械电位器最大缺点是目前还不能处理高电压大电流，但有非常多其它的优点可以使电子工程师开发更多新功能，降低成本。
         
         
        数字电位器在应用中经常遇到的问题
         
        数字电位器在我国还是近几年出现的新型器件，许多人在实际应用中对其不够了解，从而出现许多疑问，下面就经常出现的三个问题略作探讨。
        按钮控制的数字电位器常出现按钮按下次数及输出值与预测值不符。 数字电位器本身能够承受的电流和电压有限，需要扩展。
        在实际应用中数字电位器的阻值范围及分辨率不够，需要扩展。
        3.1 按钮控制数字电位器的防抖动和重复触发问题
        上面的第一个问题所说按钮控制电位器的按键次数及输出值与预测不符，通常是其中某一档出现了重复触发动作，自然其按键次数和输出电位就会与预测值不符。出现这种现象的原因常是用了面包板做试验，或是使用了劣质按钮，造成接触不良，线路噪声加剧，或是人为按钮动作不规范引起。
        美国XICOR公司提供的按钮式数字电位器的应用电路，直接用按钮来控制，就会有可能出现这些问题。X9511/14在其内部集成 了40ms延时的去抖动电路，
       
        要求输入控制信号抖动时间短，信号有效时间在40ms～250ms之间，且在此期间不能出现干扰电平。但是由于实际应用情况不可预测，无法避免输入信号的抖动而造成输出的重复动作（按钮时间超过250ms也会造成输出的重复动作），而这却是许多人所不愿看到的。
        为了控制输入信号的抖动和噪声影响，在数字电位器的控制端加上触发器，如图2所示，试验结果使输出稳定性有了较为明显的提高，但仍要求按钮动作干脆利落，且线路无干扰，最终表现在输入信号干净无波动，否则不能避免重复触发。
        经过多次改进，图3电路则较好地决了以上问题。在按钮与控制输入端之间，加上如图3所示由一片与非门电路构成的单稳电路，具有成本低，电路简单，可防止抖动，并不会使输出重复动作的特点。
         
       
        图2 加防抖触发器
       
        图3中按钮K未动作时，控制端一定为稳定的高电平，一旦按钮按下，A点电位经电容C1通过电阻R1放电，到74HC00的输入低电平门限值，B点即为逻辑高，同时通过F点控制E点电平（D点原为高电平）翻转为低，启动X9511动作，此时由于电容C2电位不会立即变化，使D点保持原高电平不变，电容C2通过R2放电，经过一个暂态时间后到达门电路低电平门限值，使E点恢复高电平。之后无论按钮是否保持按下（使D点保持低），还是放开（F点为低），E点都将保持高电平状态。在暂态期间，E点低电平被锁定，即使电路在A点产生较强的电平抖动，也不会对输出有任何影响。由于电路在暂态时间内对噪声具有的屏蔽作用，而控制端低电平时
         
       
       
        图3 加防抖单稳态电路
       
        间超过250ms，X9511/14的输出将会有连续跳变。因此可以将R2值调整到使暂态时间控制在X9511不重复动作时间尽量长些的范围内（例如暂态时间可以在150ms～220ms之间），以屏蔽掉此期间可能有的噪声干扰。R2、C2的值可按暂态时间T的公式得到。
        T=(R2+R0)·C2·Ln[(Vol－Voh) / (Vol－Vth)]
        式中R0为74HC00的输出电阻；
        Vol为74HC00的低电平输出电压；
        Voh为74HC00的高电平输出电压；
        Vth为74HC00的高电平翻转门限电压。
        此电路经反复验证效果良好，X9511之前控制线长可达200米。
        实际上此时的数字电位器可以是接口控制的其他型号，而不限制为按钮控制的X9511/14了。（R2电阻值可以调整到该型号器件输入脉宽允许时间）
        另一个可靠的解决办法是采用廉价的微处理器，如GMS97C1051来作为数字电位器的控制，按钮信号送到MCU，利用软件去抖，同时还可用LED显示控制动作，并能完成较复杂的多路混合控制。缺点是会使开发周期加长。
       
        3.2 数字电位器端点电流、电压的扩展
        目前所有的数字电位器的端点能够承受的电流都不会很大，只有1～3mA。能承受的电压也不高，－5V～+5V，或是0～15V之间。图4、图5是XICOR公司提供的两种扩展方案，适用于各种型号的数字电位器。
         
         
       
        图4 输出端电流扩大的一个例子
         
       
        图5 输出端电压增大的一个例子
       
        3.3 利用数字电位器的级联扩展分辨率和阻值范围
         
        （1）数字电位器的串联级联
        如图6（a），将电位器W1、W2串联，W1滑动端与其一端短接，W2的滑动端作为输出。W1的滑动端将其分为两部分，设为R1，R2，而W2的滑动端将W2分为R3，R4两个部分。设输入电压信号Ui,输出为Uo，则：作为可变电阻器时，如图6（b），阻值为：R0=R1+R3
        若原W1、W2抽头数分别为P1、P2，则串联后的抽头数为P1+P2－1。此时控制按钮数目也相应增加，同时阻值范围相应增大。
        （2）数字电位器的并联级联
        用并联级联可以更大范围地将分辨率提高，若有两只数字电位器并联级联如图７（a），则其输出为：
        作可变电阻时,如图７（b），阻值为：R0 = （R2·R3）/（R2 + R3）在实际应用中，可将W1作为粗调，W2作
         
         
       
         
        图6 串联级联
         
         
       
        图７ 并联级联
       
        为微调使用。设W1抽头数为P1，W2抽头数为P2，如图7级联后其调整级数为（P1－１）·P2。将三个X9511电位器如图8串并连接时，将有31744个不同的输出。对于其他数字电位器，有（P1－1）·P2·P3个不同的输出，其中P1，P2，P3分别为W1，W2，W3的抽头数。图8（a）输出为：作可变电阻如图8（b）接法其阻值为：
        R0 = R1 +（R2 + R5）// R3 + R6 此种情况更适于配合微处理器做运算后控制输
       
         
        图８ 串并级联
       
        出。注意在并联级联过程中电位器所承受的电流电压必须控制在允许范围内，同时要注意此时的输出已不呈线性。
        对以上算式的补充说明：在微处理器接口控制应用中，数字电位器并不限于X9511/14。在控制运算过程中，若W1抽头数为P1，可设调整步为N1，（N1∈[0，P1－１]），例如X9511的P1为3２，N1∈[0，31]，则：
        R1=W1·[N1/（P1－1）]
        R2=W1·[（P1－N1－1）/（P1－1）]
        计算出调整变量N１可控制输出变量和阻值，在此不作详述。
        了解了数字电位器的使用特性后，会发现数字电位器在一些电路中会有许多新奇的应用，而灵活运用的基础就是对数字电位器基本使用技巧的了解。