數(shù)字電位器說明

1、數(shù)字電位器 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)機械電位器(模擬電位器)的新型CMOS數(shù)字、模擬混合信號處理的集成電路。數(shù)字電位器采用數(shù)控方式調節(jié)電阻值的，具有使用靈活、調節(jié)精度高、無觸點、低噪聲、不易污損、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器。數(shù)字電位器的特點 數(shù)字電位器的特點是:壽命長(因無機械觸點)、工作可靠、性能穩(wěn)定、耐振動、體積小，能和數(shù)字電路或單片機靈活地結合在一起。數(shù)字電位器工作原理 由于數(shù)字電位器可代替機械式電位器，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

2、，如圖1所示。當數(shù)字電位器用作分壓器時，其高端、低端、滑動端分別用VH、VL、VW表示；而用作可調電阻器時，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個阻值相同的電阻串聯(lián)，每只電阻的兩端經(jīng)過一個由MOS管構成的模擬開關相連，作為數(shù)字電位器的抽頭。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)字電位器的數(shù)字控制部分包括加減計數(shù)器、譯碼電路、保存和恢復控制電路和不揮發(fā)存儲器等4個數(shù)字電路模塊。利用串入、并出的加減計數(shù)器在輸入脈沖和控制信號的控制下可實現(xiàn)加減計數(shù)，計數(shù)器把累計的數(shù)據(jù)直接提供給譯碼電路

3、控制開關陣列，同時也將數(shù)據(jù)傳送給內(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管導通。數(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時，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之間的電阻值仍是上一次的調整結果。因此，數(shù)字電位器和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)字電位器的電阻值和期望值可能會有一定的差別，只有在調整結束后才能達到期望值。從圖2可以看出，數(shù)字電位器和機械式電位器有2個重要區(qū)別：1)調整過程中，數(shù)字電位器的電阻值不是連續(xù)變

4、化的，而是在調整結束后才具有所希望的輸出。這是因為數(shù)字電位器采用MOS管作為開關電路，并且采用“先開后關”的控制方法：2)數(shù)字電位器無法實現(xiàn)電阻的連續(xù)調整，而只能按數(shù)字電位器中電阻網(wǎng)絡上的最小電阻值進行調整。數(shù)字電位器和數(shù)模轉換器的區(qū)別 1 引言利用數(shù)字輸入控制微調模擬輸出有兩種選擇：數(shù)字電位器和數(shù)/模轉換器(DAC)，兩者均采用數(shù)字輸入控制模擬輸出。通過數(shù)字電位器可以調整模擬電壓;通過DAC既可以調整電流，也可以調整電壓。電位器有三個模擬連接端：高端、抽頭端(或模擬輸出)和低端(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

5、電壓端(見圖1b)。DAC和數(shù)字電位器存在一些明顯區(qū)別，最明顯的差異是DAC通常包括一個輸出放大器/緩沖器，而數(shù)字電位器卻沒有。大部分數(shù)字電位器需要借助外部緩沖器驅動低阻負載。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求。本文對DAC和數(shù)字電位器進行了比較，便于用戶做出最恰當?shù)倪x擇。2 數(shù)/模轉換器DAC通常采用電阻串結構或R-2R階梯架構，使用電阻串時，DAC輸入控制著一組開關，這些開關通過匹配的一系列電阻對基準電壓分壓。對于R-2R階梯架構，通過切換每個電阻對正基準電壓進行分壓，從而產(chǎn)生受控電流。該電流送入輸出放大器，電壓輸出DAC將此電流轉換成

6、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、輸入通道數(shù)、電流/電壓輸出、成本等。對于注重速度的系統(tǒng)，可以選用并行接口;如果注重成本和尺寸，則可選用3線或2線串口，這種器件引腳數(shù)較少，可顯著降低成本，而且，有些3線接口能達到26 MHz的通信速率，2線接口能夠達到3.4 MHz的速率。DAC的另一個指標是分辨率，16位或18位DAC可以提供微伏級控制。例如，一個18位、2.5V基準的DAC，每個LSB對應于9.54V，高分辨率對于工業(yè)控制(如機器人、發(fā)動機)產(chǎn)品極為重要。目前，數(shù)字電位器能夠提供的最高分辨率是10位或1

7、 024抽頭。數(shù)/模轉換器的另一個優(yōu)勢是能夠在單芯片內(nèi)集成多路轉換器，例如，MAX5733內(nèi)置32路DAC，每路都能提供16位的分辨率。當前的數(shù)字電位器最多只能提供6個通道，如DS3930。DAC能夠源出或吸入電流，為設計者提供更大的靈活性。例如，MAX5550 10位DAC通過內(nèi)部放大器、P溝道MOSFET和上拉電阻能夠提供高達30mA的輸出驅動。而MAX5547 10位DAC結合放大器、N溝道MOSFET和下拉電阻可以提供3.6 mA的吸電流。除電流輸出外，一些DAC還可以和外部放大器連接提供額外的輸出控制。因為數(shù)/模轉換器通常內(nèi)置放大器，成本要高于數(shù)字電位器。但隨著新型DAC尺寸的縮小，

8、成本差異也越來越小。3 數(shù)字電位器前面已談到數(shù)字電位器可以通過數(shù)字輸入控制電阻。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調電阻分壓器。通過將電位器中心抽頭和高端或低端相連，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。和數(shù)/模轉換器不同，數(shù)字電位器能將H端接最高電壓或最低電壓端。選用數(shù)字電位器時，用戶也需考慮具體的指標：線性或對數(shù)調節(jié)、抽頭數(shù)、抽頭級數(shù)、非易失存儲器、成本等。控制接口有遞增/遞減、按鈕、SPI和I2C。和數(shù)/模轉換器一樣，數(shù)字電位器通過串口通信，包括I2C和SPI。此外，數(shù)字電位器還提供了2線的遞增、遞減接口控制。通常，DAC和數(shù)字電位器的顯著區(qū)別在于數(shù)/模

9、轉換器內(nèi)部帶有輸出放大器。通過該輸出放大器可以驅動低阻負載。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。另外，高速應用中，例如基站、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現(xiàn)放大器反饋網(wǎng)絡。相對于數(shù)/模轉換器，對數(shù)電位器更適合音量調節(jié)。但在當前的許多應用中，DAC和數(shù)字電位器之間選擇的界限比較模糊，圖2中的DAC和數(shù)字電位器都可用于控制MAXl553 LED驅動器。MAXll53亮度(BRT)輸入的直流電壓和檢流電阻決定了LED的電流。區(qū)分數(shù)字電位器的性能 介

10、紹數(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)字控制和調整。數(shù)字電位器通常用于電源校準、音量控制、亮度控制、增益調節(jié)以及光模塊的偏置/調制電流調節(jié)。數(shù)字電位器除基本作用外，還提供許多其它作用，以增強系統(tǒng)性能，簡化設計。這些作用包括：不同類型的非易失存儲器、過零檢測、去抖動按鍵接口、溫度補償和寫保護。這些作用針對不同的應用而設計?；镜臄?shù)字電位器設計電位器實際上是一個三端元件(見圖1a)。低端VL在內(nèi)部連接至器件地或作為引腳輸出，便于設計。三端數(shù)字電位器的結構實質上是一個具有固定端到端電阻的可調節(jié)分壓電阻?？勺冸娮枋请p端電位器，抽頭和一個電阻串端點的阻值可變(參考圖1b)

11、。調節(jié)可變電阻數(shù)字電位器的抽頭位置，可以改變數(shù)字電位器的端到端電阻。圖1. (a) 三端數(shù)字電位器的結構實質上是一個具有固定端到端電阻的可調節(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端。簡單地說，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動低阻負載。對于數(shù)字電位器，最大抽頭電流范圍為幾百微安到毫安級。當數(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?/p>

12、電阻的最差負載發(fā)生在VW接近VH時。在這個點上，電路中除抽頭電阻以外可能沒有其它電阻限制電流。但是，有些應用中可能要求很大的抽頭電流，這種情況下，需要重點考慮電位器抽頭的壓降，這個壓降限制了數(shù)字電位器的輸出動態(tài)范圍。根據(jù)應用需求改進設計數(shù)字電位器的應用范圍很廣，一些設計中可能需要外加器件，以滿足對數(shù)字電位器的“精密調節(jié)”要求。例如，數(shù)字電位器的端到端電阻范圍為10k和200k，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，該芯片和105的固定電阻并聯(lián)使用，可提供70至102的等效電阻。這種配置下可以獲得0.5的步進調節(jié)，精確調節(jié)LED亮度。另一個解決方案是多通道數(shù)字電位器

13、，如MAX5477或MAX5487，可以多個通道相互組合得到不同的調節(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)字電位器作用，對于需要溫度補償?shù)碾妷夯螂娏髡{節(jié)，如光模塊的光驅動器偏置，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 (用于存儲溫度變化時的校準數(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應的數(shù)值，調整可變電阻?；跍囟炔檎冶淼臄?shù)字電位器通常用來修正電路元件的非線性溫度響應，如激光二極管或光電二極管；也可以根據(jù)應用需要，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作用

14、電路，標準的基于EEPROM的非易失(NV)數(shù)字電位器在上電復位(POR)期間進入一個已知狀態(tài)。EEPROM能夠確保50,000次的重復寫次數(shù)，相對于機械電位器，大大提高了系統(tǒng)的可靠性。一次性編程(OTP)數(shù)字電位器，如MAX5427/MAX5428/MAX5429，采用熔絲設置，永久保存默認的抽頭位置。和基于EEPROM的數(shù)字電位器一樣，POR后OTP數(shù)字電位器初始化到已知狀態(tài)。然而，OTP數(shù)字電位器的POR狀態(tài)一旦編程后不能重寫。所以，OTP很適合工廠編程或產(chǎn)品校準。熔絲永久性地設置OTP數(shù)字電位器的POR抽頭位置，無需鎖定抽頭位置。有些OTP數(shù)字電位器的抽頭在熔絲編程后可以調節(jié)；有些OT

15、P數(shù)字電位器的抽頭位置則被永久性地設置，得到一個精確的、經(jīng)過校準的電阻分壓器。一些數(shù)字電位器提供鎖定寄存器，或數(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^調整。EEPROM數(shù)字電位器的寫保護作用還降低了功耗。數(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。和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產(chǎn)能力，改善校準精度和重復性指標。另外，數(shù)控電位器便于遠程調試和重新校準。需要校準多個電壓和/或電流時，使用DS3904/DS3905等三路NV數(shù)字電位器非常理想(圖2)。這種情況下，一個小體積數(shù)字電位器可以代替三個機械電位器。用數(shù)

16、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，因為數(shù)字電位器不需要在安裝或維護期間進行機械調整。校準是OTP或EEPROM寫保護作用的典型應用，其中EEPROM寫保護更有利于設計。圖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壓/電流的系統(tǒng)。這款小尺寸IC可以替代3個機械電位器。雖然不是數(shù)字電位器，DS4303等具有簡單的單線數(shù)字控制接口的采樣/保持電壓基準也能用于產(chǎn)品校準(圖3)。緊湊的設計非常符合校準的需求，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，否則輸出將不再發(fā)生變化，和輸入電壓無關。最新產(chǎn)品把鎖定后的輸出電

17、壓存儲在EEPROM中，電源上電后可重新恢復。圖3. 非易失采樣/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)品校準。校準時，在被控制信號(ADJ)鎖定之前，DS4303輸出(VOUT)取決于輸入電壓(VIN)。改進后的按鍵接口是傳統(tǒng)接口(如SPI?、I?C、增/減和旋轉控制)的補充。帶有緩沖輸出的數(shù)字電位器MAX5486使用了這種接口。這種經(jīng)過去抖的按鍵接口基于按鍵按下的時間，用變化的速度控制抽頭動作。按鍵接口不需要微控制器，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

18、位置時的可聞噪聲。該作用使能后，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最大抽頭變化的延遲，方便直流調節(jié)及其它特定電路。結論簡單的易失性數(shù)字電位器在系統(tǒng)設計中仍然實用，而針對特殊應用設計的數(shù)字電位器和可變電阻提供了更多的作用。目前，很多設計者希望替換機械電位器，提高系統(tǒng)的可靠性和在整個工作溫度范圍內(nèi)的性能，省去系統(tǒng)微處理器，或抑制咔嗒/噼噗聲。對于這些需求，數(shù)字電位器充分展現(xiàn)它的優(yōu)勢，數(shù)字電位器的應用越來越普遍。利用數(shù)字電位器實現(xiàn)數(shù)控低通濾波器 數(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)字電位器構建一個可調帶寬的低通濾波器。2 一種簡單的低通濾波器由DS390

19、3構成的音頻低通濾波器如圖1所示。該電路采用單電源供電，電源電壓范圍為2755 V。包含一級前置衰減，50 V供電時可處理50 VP-P(177VRMS)輸入。為了產(chǎn)生一個雙極點(極點在同一頻點)低通濾波器(每10倍頻程衰減12 dB)，電容C3必須是C2的2倍以上，可變電阻POTO和POTl設置相同值，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。該電路的輸入部分(Cl、U1一POTl、U2A、Rl和R2)是音量控制電路，還可將音頻信號的直流偏置到VCC2，使信號在未嵌位的條件下通過數(shù)字電位器和運放器，在任何供電電源下，電路都能夠處理最大信號擺幅。因

20、此，該設計在27 V至50 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號，而輸入信號的直流分量則直接旁路到輸出端。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為500 kHz。用于計算RPOT的數(shù)字電阻模型如圖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路。電位器每遞增一個單元位置，電阻將相應增加LSB(對DS3903，10 k128=78)，最高抽頭位置除外

21、，最高抽頭位置為電位器電阻的并聯(lián)組合，則引起非線性。通過下式計算RPOT：其中：RLSB是端到端電阻除以抽頭數(shù)；RW是滑動端、電阻；n是電位器的編程位置；a是數(shù)字電位器的總抽頭數(shù)。圖3所示給出了DS3903 10 k電位器的RPOT電阻值和抽頭位置之間的關系圖，假定端到端電阻為10 k，滑動端電阻最小值是500。這兩個參數(shù)都會對濾波特性產(chǎn)生顯著影響，但主要影響的是截止頻率的最小值和最大值，實際截止頻率可以在其最小值和最大值之間調節(jié)，選擇適當?shù)碾娙葜导纯蓪⒔刂诡l率設置在可調范圍內(nèi)所要求的頻點。3 數(shù)字電位器設計考慮濾波電路選擇數(shù)字電位器時需要考慮以下幾個因素。使用數(shù)字電位器的最大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結構內(nèi)部的二極管將音頻信號嵌位。當VCC在規(guī)定的范圍(2755 V)內(nèi)時，DS3903的ESD結構允許輸入信號處于6 V和GND之間，這一特性對于要求輸入信號大于VCC的應用非常靈活。但是，在圖l所示電路中并未處理60 VP-P信號，因為運放電源低于6 V時將會嵌位信號。如果運算放大器能夠采用更高的電壓供電，即可使用DS3903的大信號處理作用。電位器抽頭的變化形式(線性或對數(shù))決定了電路截止頻率的線性調節(jié)或對數(shù)調節(jié)形式。對于圖l所示音頻范圍的濾波電路，為保證在40800 Hz之間提供盡可能