數(shù)控電位器原理與應(yīng)用非常完整的畢業(yè)設(shè)計論文

./WORD格式整理版本科畢業(yè)論文〔設(shè)計論文〔設(shè)計題目：數(shù)控電位器原理及應(yīng)用學(xué)院：職業(yè)技術(shù)學(xué)院專業(yè)：自動化班級：2004學(xué)號：PB041357022學(xué)生姓名：馬磊指導(dǎo)教師：李疆20XX月日前言電位器是一種應(yīng)用最廣的電子元件之一。傳統(tǒng)的電位器是通過機械結(jié)構(gòu)帶動滑片改變電阻值,因此可以稱作機械式電位器,其結(jié)構(gòu)簡單、價格低,但由于受到材料和工藝的限制,最容易產(chǎn)生滑動片磨損,導(dǎo)致接觸不良、系統(tǒng)噪聲大甚至工作失靈。隨著科技的發(fā)展,國外多家公司推出一種采用集成電路工藝生產(chǎn)的電位器,其外形像一只集成塊,這種電位器采用數(shù)字信號控制,故稱為數(shù)電位器,亦稱數(shù)控電位器。數(shù)控電位器自20世紀(jì)90年代問世以來,就顯示出強大的生命力,它是采用數(shù)控方式調(diào)節(jié)電阻的。具有使用靈活、調(diào)節(jié)精度高、無觸電、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。相對于機械式電位器,使用數(shù)控電位器的主要優(yōu)勢是定位精度高,提高系統(tǒng)的可靠性或者提供寬溫度范圍的性能,消除系統(tǒng)微控制器,提高電子噪聲抑制能力；不受機械震動影響,可以簡化生產(chǎn)流程,還占用空間較小,提高校準(zhǔn)精度和可重復(fù)性,并可以通過程控來實現(xiàn)半自動化調(diào)節(jié)；數(shù)控電位器也增加了電路板布線的靈活性。非易失數(shù)控電位器的可靠性更高。一次性編程<OTP>數(shù)控電位器〔如MAX5427-MAX5429,可以在編程后永久保存缺省的抽頭位置。另外,由于減小了寄生參數(shù),因而具有較強的抗干擾能力。數(shù)控電位器幾乎可以在所有應(yīng)用中替代機械式電位器,以減輕設(shè)計人員和最終用戶的負(fù)擔(dān)。相信使用過單片機的人不能不被它強大的功能所折服,我們越來越不敢忽視單片機在電子領(lǐng)域中的作用。數(shù)控電位器一般帶總線接口,可通過單片機或邏輯電路進(jìn)行編程。它適合構(gòu)成各種可編程模擬器件,例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,是連接數(shù)字電路和模擬電路的橋梁,真正實現(xiàn)了"把模擬器件放到總線上"。目前,數(shù)控電位器正在國內(nèi)外迅速推廣,并被大量用到PC、手機、閉環(huán)伺服控制、音頻設(shè)備、儀器偏移調(diào)整及信號調(diào)理、智能式儀表、復(fù)印機、打印機等辦公設(shè)備、電動機控制、全球定位系統(tǒng)、DSP系統(tǒng)中、家用電器、電力監(jiān)控設(shè)備、工業(yè)控制、醫(yī)療設(shè)備等領(lǐng)域。任何需要用電阻來進(jìn)行參數(shù)調(diào)整、校準(zhǔn)或控制的場合,都可使用數(shù)控電位器構(gòu)成可編程模擬電路。在我國還是近幾年出現(xiàn)的新型器件,雖然許多人在實際應(yīng)用中對其不夠了解,但正在國內(nèi)正迅速崛起。在國外,數(shù)控電位器被應(yīng)用于許多高科技領(lǐng)域,且被給予很大的重視。數(shù)控電位器的原理與應(yīng)用——基于三線加/減式接口的數(shù)控電位器原理與應(yīng)用第一章數(shù)控電位器的概述1.1數(shù)控電位器的名詞術(shù)語1.數(shù)控電位器的概念數(shù)控電位器是一種專門用來代替?zhèn)鹘y(tǒng)的機械電位器的新型CMOS數(shù)字、模擬混合信號處理集成電路。美國ADI〔AnalogDevicesInc.模擬器件公司就是用"DigitallyPotentiometer"來表示數(shù)控電位器的。2.數(shù)控電位器常用的英文縮寫如下：DCP〔DigitallyControlPotentiometer：數(shù)控電位器。美國Xicor公司是世界上最早生產(chǎn)數(shù)控電位器的廠家,該公司將數(shù)控電位器簡稱為DCP。RDAC〔ResistanceDigitaltoAnalogConverter：電阻式數(shù)/模轉(zhuǎn)換器。因數(shù)控電位器的輸入為數(shù)字量,輸出為模擬量,是一種特殊的數(shù)/模轉(zhuǎn)換器〔DAC,故稱之為電阻式數(shù)/模轉(zhuǎn)換器。DPP〔DigitallyProgrammablePotentiometer：數(shù)控可編程電位器。這是美國CaTalyst公司對數(shù)控電位器的簡稱。DigitalPot〔DigitalPotentiometer：數(shù)控電位器。這是美國ADI對數(shù)控電位器的一種簡稱。DigiPOT〔DigitalPotentiometer：數(shù)控電位器。這是美國MAXIM對數(shù)控電位器的一種簡稱。DVR〔DigitalVariableResistor：數(shù)字式可變電阻器。DR〔DigitalResistor：可變〔指可編程電阻器。1.2數(shù)控電位器的主要特點及產(chǎn)品分類數(shù)控電位器與機械電位器的性能比較1．機械電位器的缺點傳統(tǒng)的機械電位器屬于模擬式分立元件,其特點是在標(biāo)稱電阻范圍內(nèi),通過改變滑動端的位置來獲得所需要的任意電阻值。機械電位器的主要缺點如下：〔1性差、噪聲大、易污染、怕潮濕、抗振動性差,容易受環(huán)境因素的影響。〔2體積大、使用壽命短?！?需要手動調(diào)節(jié),不僅耗時、費力,而且調(diào)節(jié)方法及調(diào)節(jié)效果因人而異,存在人為誤差,至使調(diào)節(jié)精度低,重復(fù)性差?！?當(dāng)觸點接觸不良時會產(chǎn)生電噪音〔即"咔啦"聲。2．?dāng)?shù)控電位器的優(yōu)點近年來問世的數(shù)控電位器可圓滿解決上述問題。數(shù)控電位器亦稱數(shù)控可編程電阻器,簡稱數(shù)控電位器〔DCP,是采用CMOS工藝制成的數(shù)字-模擬混合信號處理集成電路,能在數(shù)字信號的控制下自動改變滑動端位置,從而獲得所需要的電阻值。數(shù)控電位器本身就是一個包括控制接口、存儲器和電阻的系統(tǒng),它是通過軟件和控制接口進(jìn)行編程的,因此在調(diào)節(jié)過程中不會產(chǎn)生電噪音。與機械電位器相比較,數(shù)控電位器具有以下優(yōu)點：〔1采用集成電路工藝制成的,沒有機械電位器特有的滑片,徹底解決了因滑片磨損而造成接觸不良的問題。〔2很容易與單片機或計算機接口,通過程序自動調(diào)節(jié)電阻值,能自動操作,為實現(xiàn)批量產(chǎn)品的自動調(diào)節(jié)創(chuàng)造了條件。〔3具有存儲設(shè)置或數(shù)據(jù)的記憶功能。用戶可記憶或不記憶方式。選擇記憶方式時將電位器當(dāng)前的調(diào)節(jié)位置保存在非易失存儲器中,下次通電時自動恢復(fù)這一位置；選擇不記憶方式時,當(dāng)系統(tǒng)通電時數(shù)控電位器就自動復(fù)位,恢復(fù)到出廠時默認(rèn)的零位或其他位置上,這一特性是機械電位器無法比擬的?！?重復(fù)性好,可靠性高,密封性好,低噪聲,不容易受污染,防潮濕,抗振動、抗沖擊,基本不受溫度、濕度、壓力等環(huán)境因素的影響、使用壽命長,能提高系統(tǒng)的可靠性?！?體積小,可直接安裝在印刷板上,能簡化生產(chǎn)流程,提高裝配速度,降低系統(tǒng)的成本及維修費用。3．?dāng)?shù)控電位器與機械電位器的性能比較數(shù)控電位器與機械電位器典型產(chǎn)品的外形比較如圖所示。小型機械電位器〔含精密多圈電位器一般要用小螺釘旋具來調(diào)整,數(shù)控電位器則用數(shù)字信號來調(diào)整。圖數(shù)控電位器與機械電位器典型產(chǎn)品的外形比較數(shù)控電位器與機械電位器的性能比較見表~表1.2.3。從表1.2.3可見,數(shù)控電位器具有極高的可靠性能指標(biāo)〔大于99.999%。表數(shù)控電位器與機械電位器性能比較之一名稱特性電阻變化規(guī)律調(diào)節(jié)方法位置記憶自動恢復(fù)使用壽命體積數(shù)控電位器集成化有源器件階梯變化數(shù)字控制記憶/不記憶任選有長小機械電位器分立式無源元件連續(xù)變化手動控制有無短大數(shù)控電位器與機械電位器性能比較之二特性數(shù)控電位器機械電位器分辨率分辨率高。分辨率是生產(chǎn)廠家的測試指標(biāo),因此非?？煽?能夠保證從理論上講,可提供無限高的分辨率,但實際上還要取決于調(diào)節(jié)人員的熟練程度使用靈活性使用靈活,將多個數(shù)字電位器進(jìn)行級聯(lián),可提高其電阻值和分辨率使用不靈活工作條件限制受電源電壓的限制主要受滑動片與電介質(zhì)之間擊穿電壓的限制電源需要電源供電不需要電源供電機械磨損無機械磨損有機械磨損耐久性調(diào)整次數(shù)幾乎是無限的調(diào)整次數(shù)有限環(huán)境影響一般情況下,不受環(huán)境因素的影響容易受振動、沖擊、濕度和壓力的影響滑的端位置保存設(shè)置好的滑動端位置可通過內(nèi)部〔或外部E2PROM長期保存調(diào)節(jié)滑動端位置時不需要電源?；瑒佣宋恢每捎檬灮蚰z水固定,但以后調(diào)整時就很難移動調(diào)整通常采用二線或三線串行接口,由微控制器〔MCU進(jìn)行自動調(diào)整。也有的數(shù)控電位器是通過按鍵來調(diào)整的,不需要配微控制器。調(diào)整時間短需要手動旋鈕或用螺釘旋具〔螺絲刀來調(diào)整觸頭,直到歐姆表或電壓表上顯示出所需要的讀數(shù)。調(diào)整時間長定標(biāo)線性、對數(shù)、指數(shù)〔一般稱作"偽"對數(shù)線性、對數(shù)、指數(shù)控制距離可實現(xiàn)遠(yuǎn)程控制,容易實現(xiàn)自動控制不能遠(yuǎn)程控制,無法實現(xiàn)自動控制噪聲無調(diào)節(jié)噪聲當(dāng)接觸不良時會產(chǎn)生噪聲溫度補償某些數(shù)控電位器中包含溫度傳感器和非易失存儲器,當(dāng)環(huán)境溫度發(fā)生變化時,可提供查找表來調(diào)整電位器輸出,實現(xiàn)溫度自動補償不能進(jìn)行溫度補償成本本身價格稍高,但使用壽命很長,還能節(jié)省維修費用,從而降低了總成本本身價格較低,但使用壽命較短,維修費用較高,進(jìn)行人工調(diào)整時還容易出現(xiàn)調(diào)整錯誤,可靠性差,從而大大增加了成本表數(shù)控電位器與機械電位器性能比較之三對比項目數(shù)控電位器機械電位器生產(chǎn)廠家美國Catalyst公司BeyschlagCentralab公司產(chǎn)品型號CAT5114ST3電阻規(guī)格/kΩ1010允許偏差〔%1520結(jié)構(gòu)〔分辨力32抽頭單一方向210o轉(zhuǎn)角封裝形式SOIC-8〔小型IC3L單價〔數(shù)量>100片/美元0.751.35安裝費用/美元0.04~0.080.04~0.08調(diào)試費用/美元?0.01〔自動調(diào)節(jié)0.12〔人工調(diào)節(jié)使用壽命無限長200個使用周期可靠性指標(biāo)>99.999%〔即<100FIT——綜上所述,利用數(shù)控電位器代替機械電位器,不僅能改進(jìn)產(chǎn)品、降低成本、提高可靠性和穩(wěn)定性,還能利用軟件實現(xiàn)系統(tǒng)的自動調(diào)節(jié)、設(shè)置,使系統(tǒng)功能更加強大、使用更靈活。數(shù)控電位器的主要特點數(shù)控電位器具有以下特點：〔1數(shù)控電位器屬于模擬-數(shù)字混合信號產(chǎn)品,是一種步進(jìn)可調(diào)電阻。其輸入為數(shù)字量,輸出為模擬量,是一種特殊的數(shù)/模轉(zhuǎn)換器〔DAC。但其輸出量并非電壓或電流,而是電阻值或電阻比率。〔2分辨率與內(nèi)部RDAC的位數(shù)有關(guān),RDAC的位數(shù)愈多,分辨率愈高。分辨率、抽頭數(shù)與RDAC位數(shù)的對應(yīng)關(guān)系見表。數(shù)控電位器內(nèi)部單元電阻的個數(shù)等于抽頭數(shù)減去1。采用4位RDAC的分辨率僅為6.7%,而采用10位RDAC的分辨率達(dá)到0.098%。因此,采用10位RDAC的數(shù)控電位器調(diào)節(jié)精度優(yōu)于0.1%。由MAX5490、MAX5491、MAX5493型數(shù)控電位器,適合構(gòu)成精密分壓器,其最大的比例誤差僅為0.035%,在-55~+125℃溫度范圍內(nèi),溫漂僅為2×10-6/℃表分辨率、抽頭數(shù)與RDAC位數(shù)的對應(yīng)關(guān)系RDAC的位數(shù)45678910抽頭數(shù)24=1625=3226=6427=12828=25629=512210=1024單元電阻的個數(shù)1531631272555111023分辨率〔%6.73.21.60.790.390.1960.098〔3不受環(huán)境影響,抗振動,不易污損。分布參數(shù)小,因此具有較強的抗干擾能力?！?體積小,能節(jié)省印制電路板〔PCB的空間,易于安裝。使用壽命長。〔5適配微控制器進(jìn)行編程。MCU可通過串行總線來控制滑動端的位置,對數(shù)控電位器的電阻值進(jìn)行自動調(diào)整?！?內(nèi)部有非易失性存儲器〔E2PROM,用戶可對其進(jìn)行讀、寫操作,通過軟件和控制接口對數(shù)控電位器的電阻值進(jìn)行編程。掉電后能長期保存原有控制數(shù)據(jù)及滑動端位置不變,保存期可達(dá)100年,讀、寫次數(shù)一般可達(dá)5~20萬次。〔7利用數(shù)控電位器可實現(xiàn)模擬電路中對電阻、電壓或電流的數(shù)字控制及調(diào)整。除具有可變電阻特性外,數(shù)控電位器還能提供過零檢測、按鍵去抖動接口、溫度補償、寫保護(hù)等功能?！?允許將幾個數(shù)控電位器進(jìn)行串聯(lián)、并聯(lián)或混聯(lián),以提高電阻值或分辨率；亦可組成同軸電位器、精密電阻分壓器等。〔9受芯片制作工藝的影響,數(shù)控電位器的總阻值一致性較差,一般有15%~30%的偏差。但目前一種精密型數(shù)控電位器已經(jīng)問世?！?0使用靈活,用途廣泛。數(shù)控電位器還能構(gòu)成各種可編程模擬器件,例如可編程LED、可編程濾波器、可編程振蕩器,可編程增益放大器〔PGA、可編程儀表放大器〔PIA、可編程比較器、可編程基準(zhǔn)電壓源、可編程穩(wěn)壓電源、頻率補償網(wǎng)路、自動音量/音調(diào)控制電路等?！?1低電壓,低功耗,超小型化,工作溫度范圍寬〔商業(yè)級產(chǎn)品一般為0~70℃,工業(yè)級產(chǎn)品為-40~+85數(shù)控電位器的分類數(shù)控電位器的種類繁多,功能各異,大致有以下九種分類方法：〔1按照數(shù)控電位器的抽頭數(shù)來分類數(shù)控電位器的抽頭數(shù)就等于內(nèi)部模擬開關(guān)的數(shù)量,而單元電阻的個數(shù)等于抽頭數(shù)減去1。若按抽頭數(shù)來劃分,數(shù)控電位器主要有以下7種：16抽頭,32抽頭,64抽頭,128抽頭,256抽頭,512抽頭,1024抽頭。抽頭數(shù)量愈多,調(diào)節(jié)精度愈高,輸出電阻的誤差愈小。對于同一型號的數(shù)控電位器也多種規(guī)格,例如X9113型數(shù)控電位器就有4種規(guī)格：X9313Z〔總電阻值R=1kΩ,X9313W〔10kΩ,X9313U〔50kΩ,X9313T〔100kΩ。〔2按照數(shù)控電位器的滑動端個數(shù)來分類普通單路數(shù)控電位器〔含多路數(shù)控電位器中的某一路只有一個滑動端,極少數(shù)產(chǎn)品有兩個滑動端。例如,由Xicor公司開發(fā)的X9455型雙路雙滑動端數(shù)控電位器,內(nèi)部包含兩個獨立的數(shù)控電位器,而每個數(shù)控電位器有兩個滑動端?！?按照總電阻值分類數(shù)控電位器的總電阻值主要有1kΩ、10kΩ、50kΩ、100kΩ、200kΩ、1MΩ等。〔4按照芯片內(nèi)部所包含數(shù)控電位器的個數(shù)來分類主要有單路、雙路、四路和六路數(shù)控電位器。〔5按照電阻值的變化特性來分類分為：①直線型電位器〔X。這種電位器適合構(gòu)成線性調(diào)節(jié)電路,例如可編程增益放大器、分壓器等。②對數(shù)型電位器〔D。廣泛用于音量控制中。③指數(shù)型電位器〔Z。圖電阻變化率與滑動端它們的電阻變化率與滑動端位置變化率的關(guān)位置變化率的三種關(guān)系曲線系曲線如圖1.2.2數(shù)控電位器以直線型居多,也有對數(shù)型和指數(shù)型。通過其他手段可以實現(xiàn)線性數(shù)控電位器、對數(shù)或指數(shù)數(shù)控電位器的互相轉(zhuǎn)換。例如：通過軟件控制滑動端位置的跳變,可以將線性數(shù)控電位器實現(xiàn)指數(shù)或?qū)?shù)規(guī)律的變化；只要改變對數(shù)型數(shù)控電位器的接線方式并對位置數(shù)據(jù)取補碼,也可將對數(shù)型數(shù)控電位器改作指數(shù)型電位器使用。〔6按照片內(nèi)是否包含非易失性存儲器來分類①非易失性數(shù)控電位器；掉電后滑動端位置可自動保存。②易失性數(shù)控電位器；掉電后滑動端位置不能保存。③一次性可編程數(shù)控電位器；滑動端位置一旦設(shè)定好了,就不可再更改?！?按照數(shù)控電位器的接口來分類目前國外生產(chǎn)的數(shù)控電位器主要有以下8種接口電路：①按鍵式接口；②單線接口；③I2C總線接口；④三線加/減式串行接口；⑤二線加/減式串行接口；⑥SPI；⑦M(jìn)icrowire總線接口；⑧二線并行接口。其中,①～⑦為串行接口,⑧〔8按照電源電壓來分類①低壓數(shù)控電位器。普通數(shù)控電位器大多采用低壓單電源供電,電源電壓范圍一般為+2.7～+5.5V,典型值可選+3.3V或+5V。但也有的數(shù)控電位器采用雙電源供電。②高壓數(shù)控電位器采用+30V單電源或±15V雙電源供電。例如,MAX5436～MAX5439均屬于高壓數(shù)控電位器。〔9按照用途及擴(kuò)展功能分類①光纖數(shù)控電位器光纖數(shù)控電位器適用于光纖監(jiān)測及控制領(lǐng)域,其內(nèi)部帶溫度傳感器或溫度傳感器接口,典型產(chǎn)品有DS1859〔內(nèi)置溫度傳感器、DS1857〔帶溫度傳感器接口。②特種數(shù)控電位器某些數(shù)控電位器帶基準(zhǔn)電壓源及溫度補償電路。X4023X型數(shù)控電位器增加了上電復(fù)位、手動復(fù)位、三路電壓監(jiān)測等功能,該數(shù)控電位器內(nèi)部還包含2KB的E2PROM,可用來存儲產(chǎn)品的序列號〔ID號及自定義數(shù)據(jù)。③帶緩沖器或放大器的數(shù)控電位器X9438、DS1667型數(shù)控電位器內(nèi)部包含緩沖器。在MAX5437/MAX5439型數(shù)控電位器中,均帶一個高電源電壓的通用放大器。④帶過零檢測器的數(shù)控電位器典型產(chǎn)品有DS1802。在滑動端位置發(fā)生變化的瞬間,利用過零檢測功能可消除音頻干擾,這對于高保真音響十分重要。⑤適合構(gòu)成可編程增益放大器〔PGA的數(shù)控電位器典型產(chǎn)品有MAX5431,內(nèi)部包含用于補償運放輸入偏置電流的匹配電阻,適合作為PGA的精密分壓器；可提供1、2、4和8倍的同相增益,增益精確度為0.025%。⑥帶其他功能的數(shù)控電位器在DS1854、DS1857和DS1858型數(shù)控電位器內(nèi)部,還包含12位ADC、智能溫度傳感器、溫度補償電阻和256BE2PROM,其功能更加完善,適用于射頻功放及光電發(fā)射機應(yīng)答設(shè)備。〔10按照封裝外形來分類分為直插式和貼片式。圖為兩種數(shù)控電位器的外形比較第二章數(shù)控電位器的基本原理及基本應(yīng)用2.1數(shù)控電位器的基本原理數(shù)控電位器的數(shù)學(xué)模型數(shù)控電位器〔DCP的數(shù)學(xué)模型如圖2.1.1a、b、c、所示。圖2.1.1a圖數(shù)控電位器的數(shù)學(xué)模型a數(shù)控電位器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)b數(shù)控電位器的等效電路cSPICE模型圖b為數(shù)控電位器的等效電路,它等效于由兩只可調(diào)電阻串聯(lián)而成、能同步調(diào)節(jié)的電阻。假定數(shù)控電位器的總抽頭數(shù)為n,所用抽頭序號為n1,數(shù)控電位器滑動端的比例位置為k,則有關(guān)系式〔式中,0≤k≤1。因此,數(shù)控電位器的總電阻R就被滑動端劃分成兩個互補電阻：kR,〔1-kR。二者呈互補關(guān)系,具體電阻值取決于由輸入代碼所確定的滑動端的位置。圖2.1.1c對數(shù)控電位器集成電路進(jìn)行計算機仿真的SPICE〔SimulationProgramWithIntegratedCircuitEmphasis,集成電路專用模擬程序模型,圖中,R為數(shù)控電位器的總電阻,RW為滑動端電阻,CW為滑動端對地電容,CH和CL分別為數(shù)控電位器高端、低端對地的電容。通常,R=1kΩ~1MΩ,RW=40~400Ω,CW=3~80pF,CH、CL=7.5~20pF。例如對X9221W型數(shù)控電位器而言,R=10kΩ,RW=40Ω,CW=25pF,CH、CL=10pF。通常CW>CH、C綜上所述,可歸納出數(shù)控電位器有以下特點：數(shù)控電位器可等效為三端可編程電阻?；パa電阻kR和〔1-kR是輸入代碼的函數(shù)。數(shù)控電位器可視為能輸出電阻值的一種特殊的數(shù)/模轉(zhuǎn)換器。數(shù)控電位器的輸出電阻可轉(zhuǎn)換成電壓或電流輸出。數(shù)控電位器的兩種基本配置模式數(shù)控電位器有兩種基本配置模式,一種為可調(diào)電阻器模式,另一種為分壓器模式,分別如圖2.1.2a1.配置成可調(diào)電阻器將數(shù)控電位器配置成可調(diào)電阻器時,必須考慮數(shù)控電位器的滑動端電阻,圖2.1.2aH、L分別為數(shù)控電位器的高端、低端,W為滑動端的引出端。設(shè)H、L端的總電阻為R,滑動端電阻為RW,W-H端的電阻為RWH,W-L端的電阻為RWL。再假設(shè)數(shù)控電位器的位數(shù)為m,對數(shù)控電位器進(jìn)行編程的十進(jìn)制代碼為Dn,圖數(shù)控電位器的兩種配置模式Dn的范圍是0~〔2m-1。計算RWH、RWL的公式如下：〔〔在設(shè)置數(shù)控電位器時,可用式〔、式〔2.1.3計算電阻值。當(dāng)代碼為00H〔十六進(jìn)制時,可將滑動端置于低端L,此時RWL=RW。將代碼設(shè)置為較高值時,會使滑動端向數(shù)控電位器的高端H移動。2.配置成分壓器將數(shù)控電位器配置成分壓器時,因抽頭后面接的是高阻抗電路,故不必考慮滑動端電阻的影響,此時RWH、RWL分別可用RH、RL代替。圖b中,UH、UL分別為H、L兩端對地的電壓,UW為輸出端的對地電壓。計算RH、RL的公式如下：〔〔數(shù)控電位器的基本工作原理數(shù)控電位器屬于集成化的三端可變電阻器件,其等效電路圖如圖2.1.3控電位器作為分壓器使用時,其高端、低端、滑動端分別用UH、UL、UW表示；作可調(diào)電阻器使用時,分別用RH、RL、RW〔或H、L、W來表示。數(shù)控電位器的內(nèi)部簡化電路如圖2.1.4數(shù)控所示。將n只阻值相同或不同的電阻串聯(lián)在UH、UL〔亦稱作RH、RL端之間,每只電阻的兩端分別經(jīng)過一個由CMOS管或NMOS管構(gòu)成的模擬開關(guān)連在一起,作為數(shù)控電位器〔DCP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模擬開關(guān)閉合,從而將串聯(lián)電阻的一個節(jié)點連接到滑動端。數(shù)控電位器的原理示意圖如圖2.1.5所示。假定數(shù)控頭,步進(jìn)量為660Ω,滑動端每移動一步,輸出電阻值就增加660Ω?？紙D數(shù)控電位器的內(nèi)部簡化電路慮到滑動端無論處于哪一位置,都接著一只模擬開關(guān),該模擬開關(guān)的電阻值就是滑動端電阻,也是數(shù)控電位器的起始電阻。現(xiàn)假定滑動端電阻為100Ω,當(dāng)滑動端移動15步時就到達(dá)RH端與RL端之間的輸出電阻應(yīng)為100Ω+660Ω×15=10Ω。 圖數(shù)控電位器的原理示意圖數(shù)控電位器接口電路的基本工作原理下面分別介紹數(shù)控電位器8種接口電路的基本工作原理：基于按鍵式接口的數(shù)控電位器按鍵式接口的特點是通過兩個控制信號〔、進(jìn)行加、減計數(shù),來手動調(diào)節(jié)數(shù)控電位器的電阻值,因此它不需要配單片機。信號用來控制滑動端向UH端〔高端移動,信號用來控制滑動端向UL〔低端移動?；瑒佣宋恢每杀４嬖诜且资源鎯ζ鳌睧2PROM中,使其上電后能自動恢復(fù)到原來的位置。按鍵控制型數(shù)控電位器的典型電路如圖2.1.6所示。UCC為電源端USS為公共地。為存儲使能端,當(dāng)該端接負(fù)脈沖或低電平時,就將計數(shù)器內(nèi)容存儲到E2PROM中。按下SB1鍵時,電阻值增加〔UP,按下SB2鍵時,電阻值減小〔DOWN。VD為隔離二極管。當(dāng)突然掉電時,存儲在3.3μF電容上的電能可繼續(xù)為DCP供電,使計數(shù)器內(nèi)容能保存下來。圖按鍵式數(shù)控電位器的典型應(yīng)用基于單線接口的數(shù)控電位器單線接口簡稱單線接口,或"1線〔1-Wire接口"。單線接口采用單根信號線,既傳輸數(shù)據(jù)位,又傳輸同步時鐘,而且數(shù)據(jù)是雙向傳輸?shù)摹Ｆ漭斎?輸出〔I/O接口為漏極開路輸出,需接外部上拉電阻。大多數(shù)單線器件不需要額外的供電電源,可直接從單線接口上獲得足夠的電源電流〔即寄生供電方式。它具有結(jié)構(gòu)簡單、節(jié)省I/O口線資源、成本低廉便于總線擴(kuò)展和維護(hù)等優(yōu)點,適用于一個主機〔單片機控制一個或多個從機〔數(shù)控電位器。單線接口可廣泛用于溫度測量、濕度測量、氣壓測量、風(fēng)向風(fēng)速測量等環(huán)境監(jiān)測儀器中,適合構(gòu)成傳輸速率為100kbt/s以下的監(jiān)測系統(tǒng)。對速度要求不敢的測控系統(tǒng),傳輸距離可達(dá)幾十米,在總線上允許掛多個基于單線接口的數(shù)控電位器,實現(xiàn)多點測控。單片機依次發(fā)出操作指令,各數(shù)控電位器即可分別完成RDAC轉(zhuǎn)換。圖單線接口器件的硬件電路結(jié)構(gòu)單線接口器件的硬件電路結(jié)構(gòu)如圖2.1.7所示,3個引出端分別為單總線〔I/O、電源端〔UDD和地〔GND。器件內(nèi)部包括產(chǎn)品序列號〔ID、接收電路、發(fā)送電路和寄生電源。寄生電源、由二極管〔VD1、VD2和寄生電容〔C組成。采用寄生電源供電時,UDD端需接地,此時VD2截止,器件就從單總線上獲取電源。當(dāng)I/O線為高電平時,VD1導(dǎo)通,除向器件供電外,還把一部分電能存儲在C中。當(dāng)I/O線呈低電平時,VD1單線接口器件內(nèi)包含64位經(jīng)過激光修正的只讀存儲器〔ROM,扣除8位產(chǎn)品系列號和8位循環(huán)冗余校驗碼〔CRC之后,產(chǎn)品序列號占48位。出廠前就作為該器件唯一的產(chǎn)品序號,存入其ROM中。利用具有唯一性的48位產(chǎn)品序號,還可設(shè)計成專供大型賓館客房或軍事倉庫使用的保密性極佳的電子密碼鎖。采用單線接口的數(shù)控電位器簡化框圖如圖2.1.8所示。器件內(nèi)部主要包括6部分：單線功能控制器,電位器控制器,多路控制器、模擬開關(guān)及電阻陣列,64位ROM序列號,內(nèi)部寄生電源。單片機通過I/O接口來完成下述任務(wù)：選擇數(shù)控電位器,對數(shù)控電位器進(jìn)行讀/寫操作,控制數(shù)控圖單線接口的數(shù)控電位器簡化框圖基于I2C總線接口的數(shù)控I2C總線是由荷蘭飛利浦Philips公司推出的一種同步串行總線,被廣泛應(yīng)用于儀器儀表、通信設(shè)備、工業(yè)測控系統(tǒng)及消費類電子產(chǎn)品中。I2I2C總線屬于二線串行接口,包括串行時鐘〔SCL線和串行數(shù)據(jù)〔SDA線。基于I2C總線的數(shù)控電位器,內(nèi)部E2PROM可在掉電前存儲滑動端的位置。滑動端位置有寫入芯片的數(shù)據(jù)來決定。因為它采用漏極開路〔或集電極開路輸出方式,所以SDA線、SCL線端需經(jīng)過4.7kΩ的上拉電阻接正電源。SDA線和SCL線均為雙向I/O口線?？偩€空閑時皆為高電平。基于I2C總線的數(shù)當(dāng)接收完全部數(shù)據(jù)后,主機發(fā)出停止信號〔P。I2C總線上的接線如圖所示圖中的SCLKN1、SCLKN2分別代表設(shè)備1、設(shè)備2的串行時鐘,DATA為串行數(shù)據(jù)。圖I2C總線上的接線圖多片X9221型數(shù)控電位器的級聯(lián)方法基于I2C總線接口的數(shù)控電位器典型產(chǎn)品有XICOR公司生產(chǎn)的X9221。多片X9221型數(shù)控電位器〔DCP1～DCPn的級聯(lián)方法如圖所示。由于SDO端采用漏極開路輸出方式,因此需要接上拉電阻R1～Rn。基于三線加/減式串行接口的數(shù)控電位器三線加/減式串行接口簡稱三線接口,它屬于異步串行接口,通過三根線來傳送控制信號,包括片選信號線〔CS、滑動方向控制信號線〔U/D、滑動端控制信號線〔INC,又稱計數(shù)脈沖輸入信號線。采用三線加/減式串行接口的數(shù)控電位器簡化電路及基本用法分別如圖2.1.11a、b所示。Ucc、GND分別接電源和地。UH、UL分別為數(shù)控圖三線加/減串行接口數(shù)控電位器的簡化電路及基本用法a內(nèi)部簡化電路b基本用法該數(shù)控電位器的內(nèi)部主要包括以下6部分：①加/減計數(shù)器〔亦稱"升/降計數(shù)器";②E2PROM中；③存儲與調(diào)用控制電路；④譯碼器；⑤由MOSFET構(gòu)成飛模擬開關(guān)；⑥電阻網(wǎng)絡(luò)。該數(shù)控電位器經(jīng)過三線串行接口〔INC、U/D和CS與微處理器相連。其基本工作原理是當(dāng)CS端接低電平〔即選中該芯片時,INC端每輸入一個脈沖,計數(shù)器就自動加1,所得到的計數(shù)值經(jīng)過譯碼后,就接通相應(yīng)的模擬開關(guān),這相當(dāng)于滑動端移動一次位置,輸出電阻值亦隨之改變,當(dāng)U/D接高電平時滑動端向上移位,使UW～UL之間的電阻值RWL增大；當(dāng)U/D接低電平時向下移位,RWL減小?；诙€加/減式串行接口的數(shù)控電位器二線加/減式串行接口是由三線加/減式串行接口簡化而成的,它只有CS、U/D兩個端口,沒有計數(shù)脈沖輸入INC端口。必須利用CS、U/D端來實現(xiàn)對數(shù)控電位器的控制功能。其內(nèi)部簡化電路如圖2.1.12圖基于二線加/減控制接口的數(shù)控電位器簡化電路基于SPI的數(shù)控電位器SPI〔SerialPeripheralInterface,串行外圍設(shè)備接口是由Motorola提出的一種同步串行外圍總線接口,它可以使單片機與各種外圍設(shè)備以串行方式進(jìn)行通信。在速度要求不高、低功耗、需保存少量參數(shù)的智能儀表及測控系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用。使用SPI不僅能簡化電路設(shè)計,還可提高系統(tǒng)的可靠性。SPI通過4根線與主機通信。其中,SCK為串行時鐘線,在時鐘的上升沿,數(shù)據(jù)輸入有效；MOSI為主機輸出、從機輸入信號端,MISO為主機輸入、從機輸出端,CS為從機選擇端。單片機作為主機,數(shù)控電位器就作為從機。SPI系統(tǒng)的典型結(jié)構(gòu)如圖2.1.13圖SPI系統(tǒng)的典型結(jié)構(gòu)圖2.1.144片AD5282型數(shù)控電位器與SPI總線的接口電路數(shù)控電位器的生產(chǎn)廠家通常對SPI作了自定義。例如,美國Microchip公司生產(chǎn)的MCP41XXX/42XXX系列數(shù)控電位器,是用SCK代表串行時鐘端、SI代表串行數(shù)據(jù)輸入端、CS代表片選端的。而ADI公司生產(chǎn)的AD5282則用SCL表示串行時鐘端,SDA表示串行數(shù)據(jù)輸入端,用兩個地址端AD1、AD0來代替片選端。4片AD5282型數(shù)控電位器〔DCP1～DCP4與SPI電路如圖2.1.14所示。該系統(tǒng)采用+5V電源,R1、R2分別為SDA、SCK口線的上拉電阻。當(dāng)AD1、AD0端的邏輯狀態(tài)分別為00、01、10、11時,總線依次選中DCP1～DCP4基于Microwire總線接口的數(shù)控電位器Microwire總線接口是美國國家半導(dǎo)體公司〔NatinalSemiconductorCorp.,NSC提出的一種總線標(biāo)準(zhǔn)接口,簡稱總線接口。其典型產(chǎn)品有美國Catayst公司生產(chǎn)的CAT521~CAT525?；贛icowire總線的數(shù)控電位器簡化框圖2.1.15所示。CLK為時鐘輸入端。RDY/BSY為準(zhǔn)備/忙碌狀態(tài)輸出端。CS為片選端。DI和DO分別為串行數(shù)據(jù)的輸入端、輸出端。PROG為E2PROM的使能端。UREF+、UREF-圖基于Microwire總線接口的數(shù)控電位器簡化框圖基于二線并行接口的數(shù)控電位器這種接口只有兩根并行口線〔D0、D1,所對應(yīng)的數(shù)控電位器典型產(chǎn)品有MAX5430、MAX5431?；诙€并行接口的數(shù)控電位器內(nèi)部框圖及簡化電路,分別如圖2.1.16、2.1.17所示。D1、D0分別為輸入數(shù)據(jù)的高有效位和低有效位。數(shù)控電位器內(nèi)部只有4只串聯(lián)電阻,其阻值分別為R、R、2R、4R。當(dāng)D1、D0圖基于二線并行接口的圖2.1.17基于二線并行接口數(shù)控電位器內(nèi)部框圖的數(shù)控電位器簡化電路2.2數(shù)控電位器的基本應(yīng)用數(shù)控電位器的應(yīng)用領(lǐng)域數(shù)控電位器的應(yīng)用領(lǐng)域如下：·偏壓或增益調(diào)節(jié)；·LCD背光、對比度調(diào)節(jié)〔通常選用低分辨率的數(shù)控電位器,即可滿足要求；·汽車類電子產(chǎn)品；·可編程模擬器件〔例如可編程濾波器、可編程延遲電路、可編程阻抗匹配電路、可編程函數(shù)波形發(fā)生器；·智能儀器儀表〔如自動平衡電橋；·電動機控制；·PC、手機；·個人數(shù)字助理〔PersonalDigitalAssistant,PDA；·全球定位系統(tǒng)〔GlobalPositionSystem,GPS；·光纖監(jiān)測及控制〔例如在光纖模塊中對偏置電流和調(diào)制電流進(jìn)行控制；·醫(yī)療保健產(chǎn)品；·復(fù)印機、打印機等辦公設(shè)備；·可編程穩(wěn)壓電源及電源校準(zhǔn)；·傳感器校準(zhǔn)及系統(tǒng)微調(diào)；·音頻、視頻產(chǎn)品〔若選用高分辨率的數(shù)控電位器,即可獲得寬動態(tài)響應(yīng)范圍；·工業(yè)控制；·電力監(jiān)控設(shè)備；·復(fù)費率電能表、智能煤氣表、安檢及監(jiān)控產(chǎn)品；·燈光控制；目前,數(shù)控電位器已被廣泛用于汽車發(fā)動機電子線路、導(dǎo)航系統(tǒng)中樞單元、傳感器系統(tǒng)和照明控制中,為汽車系統(tǒng)集成提供了簡單的解決方案。例如,AD5227和AD5228小型單步加/減式控制數(shù)控電位器適合于音量控制。對于汽車導(dǎo)航系統(tǒng)中的平板液晶顯示器〔LCD,使用ADI公司開發(fā)的AD5258/AD5254/AD5232非易失性數(shù)控電位器,可取代機械電位器,自動調(diào)節(jié)LCD的亮度和對比度。數(shù)控電位器的串聯(lián)、并聯(lián)1.數(shù)控電位器的串聯(lián)方法利用串聯(lián)方法可增大數(shù)控電位器的阻值范圍,串聯(lián)方法如圖所示。將兩只數(shù)控電位器DCP1、DCP2串聯(lián),DCP1的滑動端與其一端互相短接,以DCP2的滑動端作為輸出。通過兩個滑動端可將DCP1分為R1,R2兩部分〔實際上R2=0,將DCP2分為R3,R4兩部分。圖數(shù)控電位器的串聯(lián)方法a串聯(lián)后的輸入、輸出電路b串聯(lián)后作可變電阻使用在圖2.2.1a中,設(shè)輸入電壓為U1,輸出電壓為U0〔作可變電阻使用的串聯(lián)電路如圖b圖所示,總阻值為R1+R2。若DCP1、DCP2原來的抽頭數(shù)分別為N1、N2,則串聯(lián)后的總抽頭數(shù)為〔N1+N2-1,總共可輸出〔N1-1N2種電阻值。2.數(shù)控電位器的并聯(lián)方法采用并聯(lián)法能提高分辨率。若將兩只數(shù)控電位器作分壓器使用按圖2.2.2a〔作可變電阻時的并聯(lián)電路如圖b所示,總阻值為R2R3/〔R2+R3。圖數(shù)控電位器的并聯(lián)方法a并聯(lián)后的輸入、輸出電路b并聯(lián)后作可變電阻使用3.數(shù)控電位器的混聯(lián)方法將3只數(shù)控電位器進(jìn)行混聯(lián)使用時,還可將DCP1和DCP3作為粗調(diào)使用,DCP2作為微調(diào)使用。設(shè)DCP1、DCP2、DCP3的抽頭數(shù)分別為N1、N2、N3,按照圖2.2.3a所示進(jìn)行混聯(lián)后,可獲得〔N1-1N2N3圖數(shù)控電位器的混聯(lián)方法a混聯(lián)后的輸入、輸出電路b混聯(lián)后作可變電阻使用<>作可變電阻使用時的混聯(lián)電路如圖b所示,其總阻值為R1+[<R2+R5>//R3]+R6。數(shù)控電位器的選擇方法數(shù)控電位器的型號繁多,性能各有差異。怎樣選擇合適的數(shù)控電位器,是使用人員所關(guān)注的一個焦點問題。選擇數(shù)控電位器的流程圖如圖所示。選擇步驟如下：選擇緩沖及驅(qū)動能力選擇緩沖及驅(qū)動能力選擇抽頭數(shù)選擇路數(shù)選擇總電阻值選擇電阻值變化特性選擇滑動端數(shù)選擇工作電壓選擇存儲類型易失性存儲器非易失性存儲器控制方式按鍵式I2C總線SPI總線E2PROMOTP控制方式控制方式按鍵式按鍵式I2C總線I2C總線三線加/減式接口二線加/減式接口Microwire總線圖選擇數(shù)字電位器的流程圖1.選擇抽頭數(shù)數(shù)控電位器的抽頭數(shù)主要有16抽頭、32抽頭、64抽頭、128抽頭、256抽頭、512抽頭、1024抽頭,有的廠家還生產(chǎn)100抽頭的控字電位器〔例如X9C102、X9C103、X9C104和X9C503,實際上它是從128抽頭簡化而來的。數(shù)控電位器的抽頭數(shù)愈多,分辨率就愈高。2.選擇路數(shù)數(shù)控電位器的路數(shù)亦稱通道數(shù),它表示芯片內(nèi)部所包含數(shù)控電位器的個數(shù)。常見的有單路、雙路、四路和六路數(shù)控電位器。多路數(shù)控電位器適用于立體聲音響設(shè)備等領(lǐng)域。3.選擇總電阻值數(shù)控電位器的總電阻值主要有1kΩ、10kΩ、50kΩ、100kΩ、200kΩ、1MΩ。4.選擇電阻值變化特性根據(jù)數(shù)控電位器電阻值變化特性,可分為線性、對數(shù)型和指數(shù)型數(shù)控電位器。指數(shù)型數(shù)控電位器有時也稱作"偽對數(shù)"型。設(shè)計可編程放大器時,應(yīng)選擇線型數(shù)控電位器。對數(shù)型和"偽對數(shù)"型數(shù)控電位器適用于音量/音響控制。5.選擇滑動端數(shù)一般情況下可選擇單滑動端數(shù)控電位器。在設(shè)計自動平衡音量控制等電路時,選擇雙滑動端數(shù)控電位器可簡化電路設(shè)計。6.選擇工作電壓按照工作電壓的高低來劃分,有低壓數(shù)控電位器、高壓數(shù)控電位器兩種。按照電源電壓的種類來劃分,又有單電源、雙電源之分。數(shù)控電位器的工作電壓主要有+5V、±2.5V、±5V、±15V、+15V、+30V等規(guī)格。其中,采用±15V、+30V供電的屬于高壓數(shù)控電位器。7.選擇緩沖及驅(qū)動能力選用內(nèi)含輸出緩沖器的數(shù)控電位器〔例如X9438、CAT5111能實現(xiàn)與后級電路的隔離并可驅(qū)動低阻抗負(fù)載。8.選擇存儲類型存儲類型大致可分成兩種：非易失性數(shù)控電位器和易失性數(shù)控電位器。一次可編程〔OTP也屬于非易失性數(shù)控電位器,其特點是滑動端位置一旦設(shè)定好之后,就不能再做修改了。9.選擇控制方式數(shù)控電位器的控制方式分手動、自動兩種。手動控制必須配按鍵開關(guān)。實現(xiàn)自動控制的方法很多,可根據(jù)實際情況選擇單線接口、I2C10.選擇特種數(shù)控電位器特種數(shù)控電位器是專為滿足用戶的一些特殊需要而設(shè)計的。例如,帶運算放大器的數(shù)控電位器、帶電壓監(jiān)控器的數(shù)控電位器等。此外,還有專供設(shè)計可編程精密分壓器的數(shù)控電位器〔例如MAX5128、適用于光纖檢測與控制的數(shù)控電位器〔例如DS1862等。第三章三線加/減式接口的數(shù)控電位器原理與應(yīng)用3.1X931X、X9CXX系列數(shù)控電位器X931X、X9CXXX系列是原Xicor〔現(xiàn)已并入Intersil公司生產(chǎn)的數(shù)控電位器,其中,X931X系列包含8種型號：X9312,X9313,X9314,X9315,X9316,X9317,X9318,X9319；X9CXXX系列包含4種型號：X9C102,X9C103,X9C104,X9C503。上述產(chǎn)品均可用于直流偏壓調(diào)整、增益和失調(diào)電壓調(diào)整、可編程穩(wěn)壓器、液晶顯示器或激光二極管的偏壓電路。X931X、X9CXXX系列的工作原理X931X系列和X9CXXX系列的引腳排列完全相同,均采用DIP-8或SOIC-8封裝,引腳排列如圖3.1X9316的內(nèi)部框圖如圖3.抽頭數(shù)控電位器。芯片主要包括以下6部分：①5位加/減計數(shù)器,經(jīng)過三線加/減式接口〔INC、U/D圖X931X、X9CXXX和CS與單片機相連；②5位E2PROM；③存儲與系列的引腳排列圖調(diào)用控制電路；④32選1譯碼器；⑤由MOS場效應(yīng)晶體管構(gòu)成的32路模擬開關(guān)；⑥電阻陣列,由31個電阻單元〔r串聯(lián)而成,分辨率為〔1/31×100%≈3%。圖X9313、X9314/X9315和X9316的內(nèi)部框圖X9312、X9317、X9318和X9319均屬于單路100抽頭數(shù)字電位器,它們的內(nèi)部框圖與圖的區(qū)別僅僅是采用7位加/減計數(shù)器和7位E2PROM。X931X、X9CXXX系列有多種工作模式可供選擇,詳見表3.1.1。表中的"X"代表任意狀態(tài),"↗"代表上升沿,"↘"代表下降沿。時序波形如圖3表工作模式的選擇工作模式0↘1滑動端向上移位0↘0滑動端向下移位↗1×存儲當(dāng)前滑動端的位置1××待機模式↘0×不存儲,退回到待機模式圖時序波形圖在X931X、X9CXXX系列中,只有X9314屬于對數(shù)型數(shù)控電位器,其衰減特性曲線如圖3.1.4所示,X9314適合構(gòu)成可編程增益功率放大器,因為功率放大器的增益一般用對數(shù)〔dB來表示。圖X9314的衰減特性曲線X931X、X9CXXX系列的典型應(yīng)用〔1帶緩沖器的基準(zhǔn)電壓源一種帶緩沖器的基準(zhǔn)電壓調(diào)節(jié)電路如圖3.1.5所示。它是由X931X、X9CXXX系列數(shù)控電位器和MC1403構(gòu)成的。MC1403是美國Motorola公司生產(chǎn)的高準(zhǔn)確度、低溫漂、采用激光修正的帶隙基準(zhǔn)電壓源,其電壓溫度系數(shù)αT可達(dá)10×10-4%/℃,輸入電壓范圍是U1=+4.5～+15V,輸出電壓為U0=2.500V〔典型值。U0圖帶緩沖器的基準(zhǔn)電壓源電路〔2手控調(diào)壓電路由X9312構(gòu)成0～+5.00V輸出的按鍵式調(diào)壓電路如圖3.1.6所示。將UH端+5V,UL端接地。從UW端輸出0～+5.00V的可調(diào)電壓。R1、R2均為上拉電阻。若只按動開關(guān)S1,輸出電壓就升高,每按一次S1,電壓就升高0.05V,最高到5.00V；若按住S2后不松開〔使U/D端保持低電平,再按動S1時,輸出電壓就會降低,每按一次S圖3.1.60～+5.00V輸出的按鍵式調(diào)壓電路〔3可編程增益音頻功率放大器電路由X9314對數(shù)型數(shù)控電位器和LM386構(gòu)成的可編程增益音頻功率放大器電路如圖3.1.7所示。LM386是美國NSC公司生產(chǎn)的低電源電壓音頻功率放大器,采用+5V電源供電時,最大輸出功率可達(dá)250mW。音頻信號經(jīng)過隔直電容C1接X9314的UH端,經(jīng)過X9314分壓后,再通過低通濾波器〔R1、C3濾除高頻率噪聲,送至LM386的同相輸入端。LM386的輸出經(jīng)過輸出緩沖網(wǎng)絡(luò)〔R2、C6和輸出耦合電容C7,驅(qū)動4圖可編程增益音頻功率放大器電路〔4基于數(shù)控電位器的功率調(diào)節(jié)電路UH在科學(xué)研究和工業(yè)生產(chǎn)的許多領(lǐng)域中,人們都需要對各類加熱爐的內(nèi)部溫度進(jìn)行監(jiān)測和控制。采用單片機來對它們進(jìn)行監(jiān)測控制不僅具有控制方便、簡單、靈活等優(yōu)點,而且可以大幅度提高受控對象的技術(shù)指針。單片機通常是通過輸入信道將溫度傳感器感受到的被控對象當(dāng)前溫度轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字量并輸入到單片機內(nèi),單片機求出輸入的當(dāng)前溫度值與設(shè)定值的偏差,并根據(jù)該偏差進(jìn)行PID運算,最后根據(jù)PID運算的結(jié)果,通過功率調(diào)節(jié)電路改變給定周期內(nèi)加熱絲的通電時間來實現(xiàn)對溫度的控制。功率調(diào)節(jié)電路調(diào)節(jié)功率的實質(zhì)是利用占空比的調(diào)節(jié)來改變加熱絲的平均功率,整個控制系統(tǒng)是一個典型的死循環(huán)系統(tǒng)。功率調(diào)節(jié)電路是控制系統(tǒng)的執(zhí)行機構(gòu),不僅要求輸出功率大,還要求能根據(jù)需要對輸出功率進(jìn)行精確的調(diào)節(jié),是系統(tǒng)中最關(guān)鍵、最昂貴的組成部分,也常常是故障率最高的部分。采用X9312和NE555組成占空比可調(diào)的脈沖振蕩器,驅(qū)動固態(tài)繼電器實現(xiàn)功率調(diào)節(jié)的功率調(diào)節(jié)電路及其單片機控制程序。該電路用于某型標(biāo)準(zhǔn)恒溫油槽中作為自動控制系統(tǒng)的執(zhí)行機構(gòu),取得了理想效果。圖3.圖NE555組成的占空比可調(diào)的脈沖振蕩器某型標(biāo)準(zhǔn)恒溫油槽是根據(jù)國家頒布的計量檢定規(guī)程要求而專門設(shè)計制造的,主要用于溫度傳感器檢定,最大加熱功率為4000W,工作溫度可在0～300間根據(jù)需要設(shè)定,達(dá)到設(shè)定溫度并穩(wěn)定后,要求15分鐘內(nèi)溫度波動小于±0.01℃,在對該型恒溫油槽進(jìn)行改進(jìn)時,采用了基于數(shù)控電位器X9312的功率調(diào)節(jié)電路作為控制系統(tǒng)的執(zhí)行機構(gòu)。由于該標(biāo)準(zhǔn)恒溫油槽對溫度波動的要求很高,因此要求功率調(diào)節(jié)電路能進(jìn)行非常精細(xì)的功率調(diào)節(jié)。而數(shù)控電位器由于生產(chǎn)工藝等因素的限制,目前其抽頭數(shù)最大一般為256,圖3.1.8電路中的X9312的抽頭數(shù)僅為100,也就是說圖3.1.8電路只能按加熱絲最大功率的百分之一的分辨力進(jìn)行功率調(diào)節(jié),其功率調(diào)節(jié)精度難以滿足恒溫油槽的要求。為此,在圖3.1.8電路的基礎(chǔ)上增加了微調(diào)數(shù)控電位器,使功率調(diào)節(jié)分辨能力達(dá)到加熱絲最大功率的萬分之一,圖3圖中數(shù)控電位器U2、U4是粗調(diào)電位器,兩者同步調(diào)節(jié),選用X9312TP,阻值為100,抽頭數(shù)為100,每一檔阻值約為1KΩ。U3是微調(diào)電位器,選用X9312ZP,阻值為1KΩ,抽頭數(shù)為100,每一檔阻值約為10Ω。微調(diào)電位器將粗調(diào)電位器的每一檔又分為100檔,因此分辨能力為最大加熱功率的萬分之一。固態(tài)繼電器選用30A/220V交流過零型。R1、R2決定占空比的最大值和最小值,應(yīng)盡可能的小,以增大功率調(diào)節(jié)范圍,但受數(shù)控電位器滑動端所能承受最大電流的限制,應(yīng)根需要綜合考慮。X9312滑動端所能承受的最大電流為±1mA,選擇圖中阻值時,實測X9312滑動端電流約為0.1mA,必要時R1、R2可進(jìn)一步減小,但已滿足了恒溫油槽功率調(diào)節(jié)范圍的需要,為保證數(shù)控電位器的安全工作,R1、R2沒有選擇更小的阻值。電容C應(yīng)選擇漏電小的鉭電解電容,其容量決定固態(tài)繼電器的開關(guān)周期。圖帶微調(diào)數(shù)控電位器的調(diào)功器電路單片機對功率調(diào)節(jié)電路進(jìn)行調(diào)節(jié)的程序框圖如圖3.程序中,位尋址單元SIGN1為PID運算所決定的功率調(diào)整方向,SIGN1為1時,減小功率；為0時,增大功率。單片機的58H、59H單元為調(diào)整量寄存器,存放PID運算結(jié)果,決定調(diào)整量的大小,功率調(diào)節(jié)子程序執(zhí)行完時,該寄存器應(yīng)為全0。內(nèi)存的W0P、W1P單元記錄微調(diào)、粗調(diào)電位器當(dāng)前所處的位置,當(dāng)W0、W1均位于最高〔低端時,說明加熱功率為最大〔小,此時已無法繼續(xù)增大〔減小功率,因此不作調(diào)整。圖功率調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)程序框圖〔5由數(shù)控電位器構(gòu)成的音量控制電路通常情況下,由于音響設(shè)備中的功率放大級與前面板之間有一定距離,因此前面板上的音量調(diào)節(jié)電位器需要通過屏蔽線接功率放大器的輸出端。更好的解決方案是選用X9314W對數(shù)型數(shù)字電位器,即可省去屏蔽線。因為數(shù)控電位器可放置在電路板上靠近功率放大器低電平輸入級,而增、減音量的按鍵開關(guān)放在前面板上,按下鍵時只產(chǎn)生低速TTL電平信號,用普通導(dǎo)線即可傳輸控制信號。由對數(shù)型數(shù)控電位器X9314W構(gòu)成的音量控制電路如圖所示,它采用+5V單電源供電,額定輸出功率為250mW。圖中共使用4片集成電路：X9314W〔IC1是基于三線加/減式串行接口的對數(shù)型32抽頭10kΩ對數(shù)型數(shù)控電位器；74HC132〔IC2,IC2A～I(xiàn)C2C為帶施密特觸發(fā)器的2輸入端四與非門,現(xiàn)僅用其中三個與非門；LM386〔IC3為低電源電壓音頻功率放大器；LM78L05〔IC4為三端穩(wěn)壓器,給250mW的音頻功放提供+5V直流電源。圖由對數(shù)型數(shù)控電位器X9314W構(gòu)成的音量控制電路當(dāng)按下S1或S2中任何一個鍵時,IC2A的輸出變成高電平,IC2B立即輸出低電平,使片選端CS=0,允許對X9314W進(jìn)行操作。經(jīng)過一段時間后〔延遲時間由R3和C3決定,多諧振蕩器IC2C就開始輸出脈沖信號,送至X9314W的INC端,使滑動端位置發(fā)生改變。多諧振蕩器的振蕩頻率就決定了音量的調(diào)節(jié)速度,頻率值由R1和C1確定。按照圖來選取元件值,在5s內(nèi)X9314W的滑動端位置即可移動32步。當(dāng)抬起按鍵后,經(jīng)過R2、C2延時后,才釋放X9314W的片選信號,以保證最后一個加、減脈沖也能有效地寫入X9314W的存儲器中。音頻輸入信號經(jīng)過C9隔斷直流分量,接X9314W的高端UH,經(jīng)過數(shù)字電位器衰減后,從滑動端〔Uw輸出,再通過由R7、C8構(gòu)成的低通濾波器,濾除高頻分量后送至LM386,最后驅(qū)動揚聲器BL發(fā)聲,揚聲器的阻抗為4Ω。LM386為低電源電壓的音頻功率放大器〔IC3。LM386功率放大器的增益固定為26dB。若在其第1腳與第8腳之間接一個10μF電容〔電容的正極接第1腳,則增益可提高到46dB。功率放大器的輸出信號經(jīng)過耦合電容C4,驅(qū)動4Ω阻抗的揚聲器發(fā)聲。由R7和C8組成低通濾波器,可濾除高頻噪聲。為提高穩(wěn)定性,在輸出級還增加了由R6和C5構(gòu)成的緩沖網(wǎng)絡(luò),緩沖網(wǎng)絡(luò)應(yīng)靠近LM386的輸出端。還要注意印制板〔PCB上連接功率放大器的引線要盡量短。若選擇LM380型音頻功率放大器并采用+12V電源,則輸出功率可提高到1W,能滿足汽車音響設(shè)備的需要。X9314W的衰減特性曲線如圖所示,衰減量與滑動端位置呈對數(shù)關(guān)系。沿不同方向移動滑動端位置所得到的電阻特性曲線分別如圖中的A、B所示,A為對數(shù)曲線,B為指數(shù)曲線。X9314W的上述特性為設(shè)計音響控制電路提供了便利的條件。圖X9314W的衰減特性曲線圖X9314W的電阻特性曲線〔5X9312與89C2051單片機的接口電路AT89C2051是美國ATMEL公司生產(chǎn)的一種低電壓、低成本、高性能8位單片機,片內(nèi)包括2KB的Flash程序存儲器和128B的隨機存取數(shù)據(jù)存儲器〔RAM,能與MCS-51系統(tǒng)兼容,X9312型數(shù)控電位器與AT89C2051單片機的接口電路如圖3.1.14所示。X9312的CS、U/D、INC控制端分別接AT89C2051的P1.5、P1.6、P1.7口線。由R1、C1構(gòu)成上電復(fù)位電路,C2圖X9312與AT89C2051單片機的接口電路3.2CAT51XX系列數(shù)控電位器的工作原理CAT51XX系列是美國觸媒半導(dǎo)體公司〔簡稱Catalyst公司生產(chǎn)的數(shù)控電位器,該系列產(chǎn)品包括CAT5110～CAT5122、CAT5132和CAT5133,共15種型號,它們適用于自動校準(zhǔn)、遠(yuǎn)程控制調(diào)節(jié)、偏移、增益和零點控制、對比度、亮度和音量控制,電機控制和反饋系統(tǒng)、可編程模擬功能等領(lǐng)域。CAT51XX系列產(chǎn)品的分類CAT51XX系列產(chǎn)品包含15種型號,每種型號又有不同規(guī)格,大致有以下6種分類方法：〔1按抽頭數(shù)分類①16抽頭數(shù)控電位器：CAT5120,CAT5121,CAT5122。②32抽頭數(shù)控電位器：CAT5110,CAT5112,CAT5114,CAT5115,CAT5118,CAT5119。③100抽頭數(shù)控電位器：CAT5111,CAT5113,CAT5116,CAT5117。④128抽頭數(shù)控電位器：CAT5132,CAT5133。〔2按存儲器類型分類①非易失性數(shù)控電位器：CAT5111,CAT5112,CAT5113,CAT5114,CAT5116,CAT5117,CAT5118,CAT5119,CAT5132,CAT5133。②易失性數(shù)控電位器：CAT5110,CAT5115,CAT5120,CAT5121,CAT5122?！?按滑動端是否有緩沖器來分類①滑動端有緩沖器的數(shù)控電位器：CAT5111,CAT5112,CAT5117,CAT5118,CAT5119。②滑動端無緩沖器的數(shù)控電位器：CAT5110,CAT5113,CAT5114,CAT5115,CAT5116,CAT5120,CAT5121,CAT5122,CAT5132,CAT5133。〔4按電阻值分類有1KΩ、10KΩ、50KΩ、100KΩ共4種規(guī)格?！?按電阻值的變化特性分類①線性電位器：CAT5110～CAT5115,CAT5118～CAT5122,CAT5132,CAT5133。CAT51XX系列產(chǎn)品的工作原理下面以三種典型產(chǎn)品為例,介紹其工作原理〔1CAT5113型數(shù)控電位器的工作原理CAT5113為基于三線加/減式接口。滑動端無緩沖器的非易失性100抽頭數(shù)控電位器。CAT5113有4種封裝形式,采用DIP-8、TSSOP-8、SOIC-8、MSOP-8封裝的引腳排列分別如圖3.2.1a、b、c、d所示。數(shù)控電位器的高端、滑動端、低端分別用RH、Rw。和RLabcd圖CAT5113的引腳排列圖aDIP-8封裝bTSSOP-8封裝cSOIC-8封裝dMSOP-8封裝CAT5113的簡化內(nèi)部框圖如圖所示。芯片中主要包括控制器和存儲器。上電復(fù)位電路和電阻陣列〔圖中用一只電位器表示。需要說明幾點：第一,CAT5113的內(nèi)部電路包含7位加/減計數(shù)器、7位存儲與調(diào)用控制電路、100選1譯碼器、100路模擬開關(guān)及電阻陣列。CAT5113的分辨率為〔1/99×100%=1.01%；第二,采用7位加/減計數(shù)器、7位存儲器原本可構(gòu)成具有128個抽頭的數(shù)控電位器,但因CAT5113將計數(shù)上限和存儲上限都限定為100,并配以相應(yīng)的譯碼器、模擬開關(guān)和電阻陣列,故實際只有100個抽頭；第三,考慮到分布電容的影響后,數(shù)控電位器的等效電路如圖所示,圖中的CH、Cw、和CL分別表示高端、滑動端和低端的對地電容,它們的典型值均為8pF。R為總電阻,電阻值可為1kΩ、10kΩ、50kΩ、100kΩ。RW為滑動端電阻,最大值為400Ω。圖CAT5113的簡化內(nèi)部框圖數(shù)控電位器的等效電路〔2CAT5112型數(shù)控電位器的工作原理CAT5112與CAT5113區(qū)別是增加了滑動端緩沖器,并將數(shù)控電位器的抽頭數(shù)減至32個。CAT5112的引腳排列與CAT5113相同,內(nèi)部簡化框圖如圖所示。圖中的A表示滑動端緩沖器。增加緩沖器不僅能實現(xiàn)數(shù)控電位器與外部電路的隔離,還能降低輸出電阻,提高帶負(fù)載的能力。CAT5112的輸出電阻為1Ω,最大輸出電流為3mA。圖CAT5112的簡化內(nèi)部框圖〔3CAT5116型數(shù)控電位器的工作原理CAT5116與CAT5113同屬基于三線加/減式接口的100抽頭數(shù)字電位器,二者的主要區(qū)別是CAT5113為線性數(shù)控電位器,而CAT5116為對數(shù)型數(shù)控電位器。CAT5116的滑動端位置與電阻變化率的關(guān)系曲線如圖3.2.5a所示,圖中的兩條曲線分別反映了RH-Rw端、RL-Rw端之間的電阻變化規(guī)律。其中,RL-Rw為對數(shù)曲線,RH-Rw為反對數(shù)曲線,這表明對數(shù)型數(shù)控電位器也可作為指數(shù)型數(shù)控電位器使用。若用對數(shù)坐標(biāo)來表示,電阻變化就呈線性關(guān)系,圖3.2.5b示出了RL-Rw圖CAT5113的電阻變化曲線a>滑動端位置與電阻變化率的關(guān)系曲線b>用對數(shù)坐標(biāo)表示的電阻變化曲線CAT51XX的典型應(yīng)用〔1雙向可編程增益放大器的電路設(shè)計雙向可編程增益放大器的特點是當(dāng)輸入電壓的極性改變時,增益也隨之改變,它在正、負(fù)兩個方向可具有不同的可變增益G1、G2。由數(shù)控電位器和反相放大器構(gòu)成雙向可編程增益放大器的電路如圖所示。在設(shè)定好數(shù)控電位器的滑動端位置之后,它有兩個增益值；G1是對正極性輸入電壓的增益,G2是對負(fù)極性輸入電壓的增益。VD1、VD2位于閉環(huán)電路中,因此并不影響增益值。VD1、VD2應(yīng)采用低壓降的肖特基二極管。圖雙向可編程增益放大器的電路設(shè)輸入電壓為U1,兩路輸出電壓分別為UO1、UO2,反相放大器的輸入電阻為R1。當(dāng)U1>0時,反相放大器輸出為負(fù),此時VD1導(dǎo)通,VD2截止,輸出電壓為UO1。反之,當(dāng)U1<0時,反相放大器輸出為正,此時VD2導(dǎo)通,VD1截止,輸出電壓為UO2。計算G1、G2的公式分別為當(dāng)U1>0時<>當(dāng)U1<0時<>式中,k代表數(shù)控電位器滑動端的相對位置,其允許范圍是0≤k≤1。R為數(shù)控電位器的總電阻。采用單電源供電并且R=10kΩ、R1=1kΩ時,G1、G2的絕對值可在0～10倍的范圍內(nèi)獨立編程,但二者是互相關(guān)聯(lián)的,并且呈互補特性。當(dāng)改變k時,G1、G2會同時變化。該電路的輸出電壓與輸入電壓的關(guān)系曲線如圖所示,|G1|、|G2|均表示增益的絕對值。圖輸出電壓與輸入電壓的關(guān)系曲線如果需要設(shè)計成能夠獨立調(diào)節(jié)的雙向可編程增益放大器,可采用如圖所示的電路。該電路使用了兩個數(shù)控電位器DCP1、DCP2,可分別對正、負(fù)極性的輸入電壓提供獨立的增益值,因此在調(diào)節(jié)滑動端位置時G1、G2互不影響。圖能夠獨立調(diào)節(jié)的雙向可編程增益放大器〔2可編程矩形波振蕩器由CAT51XX系列數(shù)控電位器和555定時器構(gòu)成的頻率和占空比可編程的矩形波振蕩器電路如圖所示。R表示數(shù)字電位器的總電阻。數(shù)控電位器滑動端的比例位置可用k表示,它等于代表滑動端位置與總抽頭數(shù)之比,并且0≤k≤1〔對于32抽頭數(shù)控電位器而言,k=0、1/32、…31/32。因此R被滑動端劃分為兩部分,一部分為滑動端到低端的阻值kR,另一部分為滑動端到高端的阻值〔1-kR、R1、R2為固定電阻。令RA=R1+kR,RB=R2+〔1-kR。555定時器在這里作單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器使用。通電后+5V電源經(jīng)過RA、RB給C1充電,使UC升高；當(dāng)UC1超過閥值電壓時就通過RB和第7腳內(nèi)部的放電管對地放電。這樣周而復(fù)始地進(jìn)行下去,就形成了振蕩。振蕩頻率和占空比的計算公式為〔〔3.2.4圖3.2.9頻率及占空比可編程的矩形波振蕩器電路僅當(dāng)D=50%時,輸出才為方波。R1、R2的作用是控制頻率和占空比的調(diào)節(jié)范圍。R1和R2相對于R的電阻值愈大,調(diào)節(jié)范圍愈窄；當(dāng)R1=R2=0時,調(diào)節(jié)范圍最寬。需要指出的是,數(shù)控電位器的調(diào)節(jié)分辨率與調(diào)節(jié)范圍成反比,調(diào)節(jié)范圍愈寬,調(diào)節(jié)分辨率愈低。反之亦然。由于因此當(dāng)R1=R2=0時,RA+RB=R,RA+2RB=2R-kR,式〔和式〔3.2.6可分別化簡為〔〔〔3可編程穩(wěn)壓器可編程穩(wěn)壓器亦稱可編程電壓調(diào)節(jié)器。由CAT5114和LP2952構(gòu)成的可編程穩(wěn)壓器電路如圖所示。LP2952是美國NSC公司生產(chǎn)的可調(diào)式微功耗低壓差線性穩(wěn)壓器,其輸出電壓范圍是1.235~29V,最大輸出電流為250mA〔此時輸入-輸出壓差為600mV。只要輸入電壓比輸出電壓高出1V,即可正常工作。R3采用一片CAT5114型數(shù)控電位器來調(diào)節(jié)輸出電壓U0,CAT5114通過三線加/減式接口與單片機相連。U0的計算公式為〔圖3.2.10可編程穩(wěn)壓器電路假定U1=+20V,不難算出當(dāng)R3=10kΩ時,U0=+2.5V；當(dāng)R3=0Ω時,U0=+17.8V。因此,該可編程穩(wěn)壓器的輸出電壓調(diào)節(jié)范圍是+2.5~+17.8V。適當(dāng)減小R2值,還可進(jìn)一步增加輸出電壓的調(diào)節(jié)范圍。〔4可編程白光LED亮度控制電路的設(shè)計由CAT5114型數(shù)控電位器和CAT32型LED驅(qū)動器構(gòu)成的可編程白光LED亮度控制電路,如圖所示。數(shù)控電位器作可調(diào)電阻使用,從滑動端〔W到低端〔L之間的電阻RWL與外部設(shè)定電阻RSET相串聯(lián),用于調(diào)節(jié)白光LED的亮度。CAT5114的總電阻為50kΩ,滑動端位置受單片機控制。由來決定滑動端位置的增加或減小,每輸入一個脈沖,滑動端位置就加1或減1。端用于選擇器件并將滑動端位置存儲在非易失性存儲器中。圖可編程LED亮度控制電路CAT32是采用CMOS工藝制成的LED驅(qū)動器。它屬于高效率DC/DC升壓器轉(zhuǎn)換器,工作頻率為1.2MHz,電源效率超過80%。其輸出電流調(diào)節(jié)范圍是0～40mA,可驅(qū)動多個串聯(lián)的白光發(fā)光二極管〔LED。CAT32有3種控制方式,采用直流電壓、邏輯信號或脈寬調(diào)制〔PWM信號均可控制LED的亮度?，F(xiàn)采用PWM控制方式,通過調(diào)整外部設(shè)定電阻RSET來改變脈沖寬度,即可實現(xiàn)亮度控制。為掉電控制端,正常情況下應(yīng)接高電平,若接低電平,器件就進(jìn)入掉電模式,其靜態(tài)電流小于1μA。CAT32還具有過電流保護(hù)、負(fù)載開路故障檢測等功能。流過LED的電流可用下式計算：<>式中,ILED的單位是mA。對于大多數(shù)白光LED而言,可選ILED<max>=15～20mA。RSET用于決定ILED的最大值ILED<max>,當(dāng)=1.1k時,ILED<max>=20mA。RSET的電阻值與ILED的對應(yīng)關(guān)系見表表RSET的電阻值與ILED的對應(yīng)關(guān)系RSET/Ω5627509091.13k1.50k2.26k4