數(shù)字電位器常見問題及應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)總結(jié)

1、.對(duì)于設(shè)計(jì)人員而言，數(shù)字電位器正變得越來越重要，它們具有很多優(yōu)點(diǎn)，但也存在很多限制。下面比較機(jī)械電位器，數(shù)字電位器的共同點(diǎn)和區(qū)別，并由此幫助讀者了解如何使用數(shù)字電位器。電位器的出現(xiàn)有很長的歷史，它以各種方式應(yīng)用在廣泛的領(lǐng)域，如常數(shù)調(diào)整和測(cè)量領(lǐng)域。最常見的莫過于設(shè)定和微調(diào)電阻值來微調(diào)電路，設(shè)置電平和調(diào)整增益等。電位器也被用來設(shè)計(jì)機(jī)器人和工業(yè)設(shè)備中的位置反饋。針對(duì)電位器需要考慮的各個(gè)方面，需針對(duì)特定應(yīng)用的各種需求來設(shè)置。如電位器上的最大電壓，各臂所能提供的最大電流，能允許消耗的最大功率以及最需要考慮的電阻問題。從功率到噪聲的各個(gè)方面。單個(gè)電阻的誤差通常有+/-20%到+/-5%，溫度也會(huì)造成電阻值

2、的漂移，所以需要考慮電位器的精度，線性，單調(diào)性與否，是否考慮設(shè)計(jì)中其它因素。比如人耳對(duì)聲音的頻率響應(yīng)將比較重要。斷電與加電時(shí)電阻的變化，成本和體積，還有可靠性如裝配，潮濕等。在愛迪生一千多項(xiàng)的發(fā)明當(dāng)中,電位器總是為人們所遺忘。它是在十九世紀(jì)七十年代被發(fā)明并應(yīng)用在開關(guān)中。如圖一所示。經(jīng)一百年來，隨著材料及外形的改變，機(jī)械電位器在一些初級(jí)的應(yīng)用中受到極大的關(guān)注。無可置疑機(jī)械電位器和數(shù)字電位器有許多區(qū)別，而它們的共性卻令人驚訝。其中最大相同就是它們都具有可調(diào)性，能提供大范圍的端到端電阻。機(jī)械電位器可耐上千伏的高壓，數(shù)字電位器受制于小體積通常電壓在30伏以內(nèi)。機(jī)械電位器電阻容量也比數(shù)字電位器大。然而我

3、們只要稍加考慮就可以解決上述問題。機(jī)械電位器受振動(dòng)發(fā)生電阻飄移的時(shí)候會(huì)給設(shè)計(jì)造成問題。機(jī)械電位器的接觸點(diǎn)因磨損，老化而造成電阻增大或失效，進(jìn)而使機(jī)械電位器的性能無法預(yù)知。數(shù)字電位器則無因機(jī)械結(jié)構(gòu)造成上述的問題，可以經(jīng)上萬次開關(guān)操作而依然保持一致。數(shù)字電位器通常采用多晶硅或薄膜電阻材料，具有低噪聲，高精度和優(yōu)良的溫度系數(shù)。機(jī)械電位器和數(shù)字電位器尺寸大小比對(duì)如圖二所示。數(shù)字電位器另一個(gè)顯著優(yōu)點(diǎn)是可編程性，它可以象EEPROM一樣電壓編程來調(diào)節(jié)電阻，可以取代電壓跟隨器，還可以象數(shù)模轉(zhuǎn)換器一樣來控制或設(shè)置電壓電流。數(shù)字電位器的主要參數(shù)特性如下圖所示。在使用數(shù)字電位器來設(shè)置電壓時(shí)，如需限定電壓輸出范圍，

4、只需在數(shù)字電位器的供電回路上串聯(lián)電阻即可。下圖給出將輸出電壓范圍從0到15V改變成6+/-1V，其中只需增加電阻R1和R3。用電位器來調(diào)整放大器增益的電路得到廣泛應(yīng)用，如液晶顯示（LCD）中的對(duì)比度調(diào)節(jié)，傳感器校準(zhǔn)和數(shù)字多媒體播放等。機(jī)械電位器因工藝原因，端到端的電阻誤差行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)是+/-20%。當(dāng)電阻值偏大時(shí)，電路分辯率降低。當(dāng)電阻值偏小時(shí)，電路調(diào)節(jié)范圍縮小。如下圖所示。此20%誤差帶來的增益波動(dòng)，在開環(huán)應(yīng)用中因無補(bǔ)償控制將會(huì)引起嚴(yán)重的后果。數(shù)字電位器可以將通道電阻的匹配精度做到1%，從而有效解決了電阻誤差帶來的增益波動(dòng)問題。在數(shù)字音頻應(yīng)用中，數(shù)字電位器大量取代了機(jī)械電位器是因?yàn)閿?shù)字電位器具有

5、高可靠性，數(shù)字控制，易于在線性和對(duì)數(shù)性間轉(zhuǎn)換和更好的穩(wěn)定性。這其中的工程挑戰(zhàn)有：音頻信號(hào)電壓范圍應(yīng)在電路供電范圍內(nèi)，即不能高于Vdd也不能低于Vss。上電順序?yàn)椋菏紫仁请娫吹睾驼?fù)電源，然后是數(shù)字信號(hào)，最后是數(shù)字電位器的內(nèi)置ESD的A，W，B端口。電位器端到端電阻誤差問題?？梢詫㈦娢黄髟陔娐分薪映呻娮璺謮菏?，這樣電位器的輸出取決于游標(biāo)的位置而與電阻誤差無關(guān)。如下圖所示。上電時(shí)電位器游標(biāo)值問題。對(duì)于機(jī)械電位器，只要不改變游標(biāo)位置，斷電再復(fù)電后，游標(biāo)值保持不變。對(duì)于數(shù)字電位器情況則不一樣。有的數(shù)字電位器內(nèi)置EEPROM，將游標(biāo)值記錄下來，復(fù)電后游標(biāo)值保持不變。有的數(shù)字電位器復(fù)電后將游標(biāo)自動(dòng)設(shè)為中值

6、。有的數(shù)字電位器在復(fù)電后將游標(biāo)隨機(jī)設(shè)值。這需要使用者仔細(xì)查閱相關(guān)規(guī)格書，不可一概而論。上電噪聲問題。音頻電路在上電或電路切換瞬間，容易因電壓突變而在喇叭中發(fā)出“砰蓬”聲，對(duì)音質(zhì)而言是一種噪音。有的數(shù)字電位器內(nèi)置過零點(diǎn)電路，使音頻電路上電或電路切換發(fā)生在電壓過零點(diǎn)處，從而避免電壓突變，消除了“砰蓬”聲。音量調(diào)節(jié)均勻性問題。人耳對(duì)音頻實(shí)際上是呈對(duì)數(shù)性反應(yīng)而非線性。絕大部分機(jī)械電位器按線性設(shè)計(jì)，這樣在調(diào)節(jié)音量大小時(shí)，聲音強(qiáng)弱并不均勻增加或減少。數(shù)字電位器可按對(duì)數(shù)性即按dB設(shè)計(jì)，這樣無需額外的電路設(shè)計(jì)而解決音量調(diào)節(jié)均勻性問題。數(shù)字電位器還可以應(yīng)用在數(shù)字濾波器電路中。下圖為Analog Devices

7、公司給出的電路圖和計(jì)算公式。需要特別注意的是數(shù)字電位器本身的帶寬限制跟游標(biāo)值的設(shè)定有關(guān)，詳情請(qǐng)查閱廠家的應(yīng)用手冊(cè)。數(shù)字電位器并不能完全取代機(jī)械電位器，原因有數(shù)字電位器輸入電壓必須在Vdd和Vss間的限定，電流的限定（如1K=5.5mA10K=0.55mA，詳情請(qǐng)查datasheet），上電順序的要求，上電初始化，EEPROM電可擦寫存儲(chǔ)器的考慮，數(shù)字接口的考慮和電阻值不能做得太大,在跟蹤輸入信號(hào)來調(diào)整增益時(shí)需考慮響應(yīng)時(shí)間等。結(jié)論：數(shù)字電位器較機(jī)械電位器最大缺點(diǎn)是目前還不能處理高電壓大電流，但有非常多其它的優(yōu)點(diǎn)可以使電子工程師開發(fā)更多新功能，降低成本。數(shù)字電位器在應(yīng)用中經(jīng)常遇到的問題數(shù)字電位器在

8、我國還是近幾年出現(xiàn)的新型器件，許多人在實(shí)際應(yīng)用中對(duì)其不夠了解，從而出現(xiàn)許多疑問，下面就經(jīng)常出現(xiàn)的三個(gè)問題略作探討。按鈕控制的數(shù)字電位器常出現(xiàn)按鈕按下次數(shù)及輸出值與預(yù)測(cè)值不符。 數(shù)字電位器本身能夠承受的電流和電壓有限，需要擴(kuò)展。在實(shí)際應(yīng)用中數(shù)字電位器的阻值范圍及分辨率不夠，需要擴(kuò)展。3.1 按鈕控制數(shù)字電位器的防抖動(dòng)和重復(fù)觸發(fā)問題上面的第一個(gè)問題所說按鈕控制電位器的按鍵次數(shù)及輸出值與預(yù)測(cè)不符，通常是其中某一檔出現(xiàn)了重復(fù)觸發(fā)動(dòng)作，自然其按鍵次數(shù)和輸出電位就會(huì)與預(yù)測(cè)值不符。出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因常是用了面包板做試驗(yàn)，或是使用了劣質(zhì)按鈕，造成接觸不良，線路噪聲加劇，或是人為按鈕動(dòng)作不規(guī)范引起。美國XICO

9、R公司提供的按鈕式數(shù)字電位器的應(yīng)用電路，直接用按鈕來控制，就會(huì)有可能出現(xiàn)這些問題。X9511/14在其內(nèi)部集成 了40ms延時(shí)的去抖動(dòng)電路，要求輸入控制信號(hào)抖動(dòng)時(shí)間短，信號(hào)有效時(shí)間在40ms250ms之間，且在此期間不能出現(xiàn)干擾電平。但是由于實(shí)際應(yīng)用情況不可預(yù)測(cè)，無法避免輸入信號(hào)的抖動(dòng)而造成輸出的重復(fù)動(dòng)作（按鈕時(shí)間超過250ms也會(huì)造成輸出的重復(fù)動(dòng)作），而這卻是許多人所不愿看到的。為了控制輸入信號(hào)的抖動(dòng)和噪聲影響，在數(shù)字電位器的控制端加上觸發(fā)器，如圖2所示，試驗(yàn)結(jié)果使輸出穩(wěn)定性有了較為明顯的提高，但仍要求按鈕動(dòng)作干脆利落，且線路無干擾，最終表現(xiàn)在輸入信號(hào)干凈無波動(dòng)，否則不能避免重復(fù)觸發(fā)。經(jīng)過多

10、次改進(jìn)，圖3電路則較好地決了以上問題。在按鈕與控制輸入端之間，加上如圖3所示由一片與非門電路構(gòu)成的單穩(wěn)電路，具有成本低，電路簡單，可防止抖動(dòng)，并不會(huì)使輸出重復(fù)動(dòng)作的特點(diǎn)。圖2 加防抖觸發(fā)器圖3中按鈕K未動(dòng)作時(shí)，控制端一定為穩(wěn)定的高電平，一旦按鈕按下，A點(diǎn)電位經(jīng)電容C1通過電阻R1放電，到74HC00的輸入低電平門限值，B點(diǎn)即為邏輯高，同時(shí)通過F點(diǎn)控制E點(diǎn)電平（D點(diǎn)原為高電平）翻轉(zhuǎn)為低，啟動(dòng)X9511動(dòng)作，此時(shí)由于電容C2電位不會(huì)立即變化，使D點(diǎn)保持原高電平不變，電容C2通過R2放電，經(jīng)過一個(gè)暫態(tài)時(shí)間后到達(dá)門電路低電平門限值，使E點(diǎn)恢復(fù)高電平。之后無論按鈕是否保持按下（使D點(diǎn)保持低），還是放開（

11、F點(diǎn)為低），E點(diǎn)都將保持高電平狀態(tài)。在暫態(tài)期間，E點(diǎn)低電平被鎖定，即使電路在A點(diǎn)產(chǎn)生較強(qiáng)的電平抖動(dòng)，也不會(huì)對(duì)輸出有任何影響。由于電路在暫態(tài)時(shí)間內(nèi)對(duì)噪聲具有的屏蔽作用，而控制端低電平時(shí)圖3 加防抖單穩(wěn)態(tài)電路間超過250ms，X9511/14的輸出將會(huì)有連續(xù)跳變。因此可以將R2值調(diào)整到使暫態(tài)時(shí)間控制在X9511不重復(fù)動(dòng)作時(shí)間盡量長些的范圍內(nèi)（例如暫態(tài)時(shí)間可以在150ms220ms之間），以屏蔽掉此期間可能有的噪聲干擾。R2、C2的值可按暫態(tài)時(shí)間T的公式得到。T=(R2+R0)C2Ln(VolVoh) / (VolVth)式中R0為74HC00的輸出電阻；Vol為74HC00的低電平輸出電壓；Voh

12、為74HC00的高電平輸出電壓；Vth為74HC00的高電平翻轉(zhuǎn)門限電壓。此電路經(jīng)反復(fù)驗(yàn)證效果良好，X9511之前控制線長可達(dá)200米。實(shí)際上此時(shí)的數(shù)字電位器可以是接口控制的其他型號(hào)，而不限制為按鈕控制的X9511/14了。（R2電阻值可以調(diào)整到該型號(hào)器件輸入脈寬允許時(shí)間）另一個(gè)可靠的解決辦法是采用廉價(jià)的微處理器，如GMS97C1051來作為數(shù)字電位器的控制，按鈕信號(hào)送到MCU，利用軟件去抖，同時(shí)還可用LED顯示控制動(dòng)作，并能完成較復(fù)雜的多路混合控制。缺點(diǎn)是會(huì)使開發(fā)周期加長。3.2 數(shù)字電位器端點(diǎn)電流、電壓的擴(kuò)展目前所有的數(shù)字電位器的端點(diǎn)能夠承受的電流都不會(huì)很大，只有13mA。能承受的電壓也不

13、高，5V+5V，或是015V之間。圖4、圖5是XICOR公司提供的兩種擴(kuò)展方案，適用于各種型號(hào)的數(shù)字電位器。圖4 輸出端電流擴(kuò)大的一個(gè)例子圖5 輸出端電壓增大的一個(gè)例子3.3 利用數(shù)字電位器的級(jí)聯(lián)擴(kuò)展分辨率和阻值范圍（1）數(shù)字電位器的串聯(lián)級(jí)聯(lián)如圖6（a），將電位器W1、W2串聯(lián)，W1滑動(dòng)端與其一端短接，W2的滑動(dòng)端作為輸出。W1的滑動(dòng)端將其分為兩部分，設(shè)為R1，R2，而W2的滑動(dòng)端將W2分為R3，R4兩個(gè)部分。設(shè)輸入電壓信號(hào)Ui,輸出為Uo，則：作為可變電阻器時(shí)，如圖6（b），阻值為：R0=R1+R3若原W1、W2抽頭數(shù)分別為P1、P2，則串聯(lián)后的抽頭數(shù)為P1+P21。此時(shí)控制按鈕數(shù)目也相應(yīng)增

14、加，同時(shí)阻值范圍相應(yīng)增大。（2）數(shù)字電位器的并聯(lián)級(jí)聯(lián)用并聯(lián)級(jí)聯(lián)可以更大范圍地將分辨率提高，若有兩只數(shù)字電位器并聯(lián)級(jí)聯(lián)如圖（a），則其輸出為：作可變電阻時(shí),如圖（b），阻值為：R0 = （R2R3）/（R2 + R3）在實(shí)際應(yīng)用中，可將W1作為粗調(diào)，W2作圖6 串聯(lián)級(jí)聯(lián)圖 并聯(lián)級(jí)聯(lián)為微調(diào)使用。設(shè)W1抽頭數(shù)為P1，W2抽頭數(shù)為P2，如圖7級(jí)聯(lián)后其調(diào)整級(jí)數(shù)為（P1）P2。將三個(gè)X9511電位器如圖8串并連接時(shí)，將有31744個(gè)不同的輸出。對(duì)于其他數(shù)字電位器，有（P11）P2P3個(gè)不同的輸出，其中P1，P2，P3分別為W1，W2，W3的抽頭數(shù)。圖8（a）輸出為：作可變電阻如圖8（b）接法其阻值為：R0 = R1 +（R2 + R5）/ R3 + R6 此種情況更適于配合微處理器做運(yùn)算后控制輸圖 串并級(jí)聯(lián)出。注意在并聯(lián)級(jí)聯(lián)過程中電位器所承受的電流電壓必須控制在允許范圍內(nèi)，同時(shí)要注意此時(shí)的輸出已不呈線