什么是數(shù)字電位器
數(shù)字電位器（DigitalPotenTIometer）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(hào)處理的集成電路。數(shù)字電位器由數(shù)字輸入控制，產(chǎn)生一個(gè)模擬量的輸出。依據(jù)數(shù)字電位器的不同，抽頭電流最大值可以從幾百微安到幾個(gè)毫安。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(wú)觸點(diǎn)、低噪聲、不易污損、抗振動(dòng)、抗干擾、體積小、壽命長(zhǎng)等顯著優(yōu)點(diǎn)，可在許多領(lǐng)域取代機(jī)械電位器。
數(shù)字電位器的特點(diǎn)
?數(shù)字電位器的特點(diǎn)是：壽命長(zhǎng)（因無(wú)機(jī)械觸點(diǎn)）、工作可靠、性能穩(wěn)定、耐振動(dòng)、體積小，能和數(shù)字電路或單片機(jī)靈活地結(jié)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(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2所示為數(shù)字電位器的內(nèi)部簡(jiǎn)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(guò)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(hào)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、保存和恢復(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(hào)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(hào)停止或片選信號(hào)無(wú)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。
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)字電位器和機(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)字電位器的電阻值和期望值可能會(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)字電位器和機(jī)械式電位器有2個(gè)重要區(qū)別：1）調(diào)整過(guò)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(wú)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。
數(shù)字電位器應(yīng)用范圍
數(shù)字電位器正在國(guó)內(nèi)外迅速推廣，并大量應(yīng)用于檢測(cè)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。例如：電冰箱、程控機(jī)、電源、功率表、自動(dòng)檢測(cè)設(shè)備、光纖網(wǎng)絡(luò)、調(diào)節(jié)LCD顯示屏、電壓控制、取代機(jī)械式電位器、匹配線性阻抗、調(diào)節(jié)VCOM設(shè)置。
數(shù)字電位器在電壓電阻轉(zhuǎn)換中的應(yīng)用
在工業(yè)控制和偏置調(diào)節(jié)電路中，有時(shí)需要將電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換成電阻，這一過(guò)程在具體實(shí)施時(shí)有一定的難度。圖1利用兩路數(shù)字電位器提供了一個(gè)簡(jiǎn)單的轉(zhuǎn)換方案。圖1中，數(shù)字電位器U1和運(yùn)算放大器U3構(gòu)成數(shù)字采樣保持電路，U1通過(guò)調(diào)節(jié)其內(nèi)部分壓比保證VWIPER對(duì)VIN的跟蹤，這樣滑動(dòng)端電阻將與VIN成正比。由于U1、U2的數(shù)字輸入是連接在一起的，U2的滑動(dòng)端位置與U1相同，對(duì)應(yīng)端的電阻也相同。這樣便可得到與VIN成正比的電阻，從而實(shí)現(xiàn)電壓至電阻的轉(zhuǎn)換。
由于U1、U2是完全相同的數(shù)字電位器，其數(shù)字輸入連接在一起，因此，它們的滑動(dòng)端位置也相同。LOCK置為低電平，輸出電阻將隨著VIN而改變; 而LOCK置為高電平則將保持阻值不變。也可以將LOCK始終接地，在這種情況下，即使VIN保持恒定，輸出電阻也會(huì)在兩個(gè)相鄰狀態(tài)之間連續(xù)翻轉(zhuǎn)。假如電位器端電阻為10K2，抽頭數(shù)為32，那么，當(dāng)滑動(dòng)輸出端電阻設(shè)置在5kQ時(shí)，輸出電阻將隨時(shí)鐘在5kQ和5 .3125k2之間跳變。
需要時(shí)，可以在滑動(dòng)輸出端接一個(gè)電容來(lái)濾除跳變效應(yīng)。該電路所允許的時(shí)鐘頻率范圍為100HZ~ 10kHz。而輸出電阻并非實(shí)時(shí)跟隨VIN的變化，但經(jīng)過(guò)若干個(gè)時(shí)鐘周期后可以達(dá)到其終值。時(shí)鐘數(shù)取決于滑動(dòng)端的初始位置和輸入電壓，最大值為32 （電位器抽頭數(shù)）。如果需要更高的分辨率，可以用6位或8位數(shù)字電位器替代本電路中的5位芯片。注意，MAX5160上電時(shí)將滑動(dòng)端設(shè)置在中心位置，因而，可使兩路數(shù)字電位器同步工作，并保持相同的電阻。選擇數(shù)字電位器時(shí)，通常需要知道電位器的上電初始 狀態(tài)。
數(shù)字電位器在氣體檢測(cè)電路的應(yīng)用
本電路使用雙變阻數(shù)字電位器MCP42X2，其最大阻值可達(dá)100K歐。電路如下圖
電路采用16位高精度AD轉(zhuǎn)換芯片，AD值從0到65535。理論上，氣體零點(diǎn)標(biāo)定的時(shí)AD值為0，達(dá)到100%量程時(shí)AD值為65535；實(shí)際上，零點(diǎn)標(biāo)定時(shí)AD值不一定能調(diào)整到0，這樣就需要結(jié)合軟件調(diào)零，既通過(guò)記錄下零點(diǎn)標(biāo)定時(shí)的AD值，在計(jì)算濃度值的時(shí)候?qū)?dāng)前濃度AD值減去零點(diǎn)AD值就可以了。所以，零點(diǎn)標(biāo)定時(shí)只需調(diào)整數(shù)字電位器將AD值調(diào)制一個(gè)較低范圍就可以了。而量程標(biāo)定時(shí)，不一定在100%量程濃度的氣體下進(jìn)行，只需在軟件中計(jì)算當(dāng)前實(shí)際標(biāo)定濃度對(duì)應(yīng)的AD值，并調(diào)整數(shù)字點(diǎn)位器使放大倍數(shù)滿足AD采樣到的AD值接近該AD值既可。
零點(diǎn)標(biāo)定：0《AD0《0XFFFF*1%
量程標(biāo)定：（當(dāng)前濃度/量程）*0XFFFF*80%《AD1《（當(dāng)前濃度/量程）*0XFFFF
數(shù)字電位器選型指南
數(shù)字電位器選型主要考慮電位器的個(gè)數(shù)，滑片的數(shù)目即有多少級(jí)，電阻的阻值，有沒(méi)有緩沖觸頭，能否記憶掉電時(shí)的位置，封裝等等。 對(duì)于你的系統(tǒng)中如果需要多個(gè)數(shù)字電位器的話，可以考慮選型集成多個(gè)數(shù)字電位器的芯片，如CAT5221，CAT5241等； 如果你的系統(tǒng)要求電位器的分辨率要求比較高的話，可以選擇滑片數(shù)目多一些的電位器，比如CAT5251等，當(dāng)然，也可以使用兩個(gè)數(shù)字電位器串聯(lián)達(dá)到這個(gè)目的； 對(duì)于帶緩沖器輸出的電位器，輸出是一個(gè)電壓值，而不是一個(gè)電阻值，所以如果用于運(yùn)放反饋回路上的電阻的話，是不合適的，這個(gè)時(shí)候應(yīng)該選擇不帶緩沖器的； 如果你的系統(tǒng)重新上電時(shí)，希望能阻值能夠恢復(fù)上一次掉電時(shí)的阻值，則要選擇非易失性的數(shù)字電位器； 對(duì)于變化的信號(hào)，還要考慮器件的頻率響應(yīng)相關(guān)參數(shù)。
數(shù)字電位器與機(jī)械電位器相比最大的優(yōu)點(diǎn)在于數(shù)字電位器的使用壽命。一般的機(jī)械電位器使用壽命較低，很多使用數(shù)千次后就出現(xiàn)磨損，失效等異常。而數(shù)字電位器一般以百萬(wàn)次為單位。 通過(guò)將電位器中心抽頭與高端或低端相連，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。與數(shù)/模轉(zhuǎn)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(shí)，用戶也需考慮具體的指標(biāo)：線性或?qū)?shù)調(diào)節(jié)、抽頭數(shù)、抽頭級(jí)數(shù)、非易失存儲(chǔ)器、成本等。
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