數(shù)字電位器的研究及應(yīng)用

孫耀杰，杜 森，王國君，董津生

（河北工業(yè)大學(xué) 信息學(xué)院，天津 300401）

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[1]。

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1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1 數(shù)字電位器等效電路

圖2 數(shù)字電位器內(nèi)部電路原理

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)脈沖信號停止或片選信號無效后，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[2]。

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1譯碼器、由MOS場效應(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（INC、U/D和CS）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。

圖3 X9313內(nèi)部結(jié)構(gòu)

2個(gè)頂腳引線分別接VH和VL，中間抽頭為VW。INC、U/D和CS為3個(gè)控制端，其中，CS為片選端，CS為低電平時(shí)，X9313被選中。此時(shí)才能接收U/D和INC的信號。INC在下降沿使計(jì)數(shù)器增或減1[3]。如果U/D=1，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U/D=0，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11111，或從11111變成00000，也就是說當(dāng)CS為高電平而INC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。

2.2 典型應(yīng)用

2.2.1 手控調(diào)壓電路

圖4所示為由X9313構(gòu)成的0～+5 V輸出的按鍵式調(diào)壓電路。將VH端接+5 V，VL接地。從VW端輸出0～+5 V的可調(diào)電壓。R1、R2為上拉電阻。只要按動(dòng)開關(guān)S1，輸出電壓就升高，每按一次電壓升高0.05 V，最高可達(dá)5 V。如果按住S2即U/D為低電平，此時(shí)按S1則每按一次電壓降低0.05 V[4]。

圖4 輸出按鍵調(diào)壓電路

2.2.2 X9313與單片機(jī)的接口電路

這里以常用的AT89C2051單片機(jī)為例介紹數(shù)字電位器與單片機(jī)的接口電路。電位器的INC、U/D和CS 3個(gè)控制端分別接 AT89C2051的 P1.7、P1.6和 P1.5。 由 R1、C1構(gòu)成上電復(fù)位電路，C2、C3和石英晶體JT構(gòu)成晶振電路。因?yàn)閱纹瑱C(jī)I/O端口內(nèi)部已有上拉電阻，所以上電時(shí)上述控制端均為高電平，電位器處于待機(jī)狀態(tài)，此時(shí)應(yīng)用[5]和上例相同。

圖5 X9313與單片機(jī)接口電路

相關(guān)程序代碼如下：

上面的程序?qū)崿F(xiàn)了使UD為高電平，此時(shí)給數(shù)字電位器發(fā)送50個(gè)脈沖，增大電阻使高低端之間電壓為2.5 V。通過單片機(jī)傳給數(shù)字電位器脈沖信號來控制數(shù)字電位器的大小，從而方便而精確地改變電阻值。但是在實(shí)際應(yīng)用中，要注意對數(shù)字電位器的誤差進(jìn)行分析和補(bǔ)償[6]。

3 結(jié)束語

數(shù)字電位器是一種頗具發(fā)展前景的新型電子器件，在許多領(lǐng)域可取代傳統(tǒng)的機(jī)械電位器。其優(yōu)點(diǎn)為：調(diào)節(jié)精度高；無噪聲，工作壽命極長；無機(jī)械磨損；數(shù)據(jù)可讀寫；具有配置寄存器及數(shù)據(jù)寄存器；多電平量存儲(chǔ)功能。它廣泛應(yīng)用于儀器儀表、計(jì)算機(jī)及通信設(shè)備、家用電器、醫(yī)療保健產(chǎn)品、工業(yè)控制等領(lǐng)域。任何需要用電阻來進(jìn)行參數(shù)調(diào)整和控制的場合，都可使用數(shù)字電位器構(gòu)成可編程模擬電路。但是在實(shí)際使用中應(yīng)特別注意數(shù)字電位器的電阻調(diào)整誤差，由于不同應(yīng)用場合時(shí)的誤差影響因素有所不同。因此在實(shí)際應(yīng)用時(shí)，最好利用A/D轉(zhuǎn)換電路對其進(jìn)行精確測量，并采用單片機(jī)對其補(bǔ)償。

[1]沙占友.數(shù)字電位器設(shè)計(jì)原理與應(yīng)用[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2007.

[2]沙占友，孟志永，王彥鵬.單片機(jī)外圍電路設(shè)計(jì)[M].北京：電子工業(yè)出版社，2006.

[3]黃法，孔秀華.數(shù)字電位器的應(yīng)用拓展[J].電子元器件應(yīng)用，2009（1）：23-27.

[4]葉淑彬.數(shù)字電位器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及典型應(yīng)用[J].浙江樹人大學(xué)學(xué)報(bào)，2004（4）：17-21.

[5]蔣雙梅，曹立進(jìn)，高敦堂，等.一種按鈕式數(shù)字電位器在視頻數(shù)據(jù)混合器中的應(yīng)用[J].微電子學(xué)，200131（1）：33-38.

[6]SHA Zhan-you.Dust-like object temperature measurement system based on programmable silicon oscillator[C].Shengyang：Northeastern University Press，2006：337-341.