數字電位器WDH22也稱(chēng)為非接觸式電位器，是一種用數字傳感器檢測轉軸的角度變化，并將這個(gè)角度變化用多種信號類(lèi)型反饋輸出的器件。

 

中文名	外文名	規格種類(lèi)
數字電位器	DigitalPotenTIometer	單路數字電位器多路數字電位器

 

目錄

 

1、數字電位器的簡(jiǎn)介

2、數字電位器的作用

3、數字電位器工作原理

4、數字電位器的優(yōu)點(diǎn)

5、數字電位器的選型

6、數字電位器設計考慮

7、區分數字電位器的性能

8、數字電位器的應用

9、數字電位器缺點(diǎn)的解決方法

 

 

 

數字電位器的簡(jiǎn)介：

數字電位器（DigitalPotenTIometer）亦稱(chēng)數控可編程電阻器，是一種代替傳統機械電位器（模擬電位器）的新型CMOS數字、模擬混合信號處理的集成電路。數字電位器由數字輸入控制，產(chǎn)生一個(gè)模擬量的輸出。依據數字電位器的不同，抽頭電流最大值可以從幾百微安到幾個(gè)毫安。數字電位器采用數控方式調節電阻值的，具有使用靈活、調節精度高、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(cháng)等顯著(zhù)優(yōu)點(diǎn)，可在許多領(lǐng)域取代機械電位器。

 

 

數字電位器的作用：

數字電位器是由數字輸入控制的模擬輸出，類(lèi)似于數/模轉換器(DAC)的定義。和DAC不同的是，DAC提供經(jīng)過(guò)緩沖的輸出，而絕大多數數字電位器在沒(méi)有外部緩沖器的情況下不能驅動(dòng)低阻負載。

對于數字電位器，最大抽頭電流范圍為幾百微安到毫安級。當數字電位器的抽頭連接到低阻負載時(shí)，無(wú)論是可變電阻還是真正的數字電位器，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。

可變電阻的最差負載發(fā)生在VW接近VH時(shí)。在這個(gè)點(diǎn)上，電路中除抽頭電阻以外可能沒(méi)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(diǎn)考慮電位器抽頭的壓降，這個(gè)壓降限制了數字電位器的輸出動(dòng)態(tài)范圍。

對于需要溫度補償的電壓或電流調節，如光模塊的光驅動(dòng)器偏置，可以選擇基于查找表的可變電阻。一些數字電位器集成了EEPROM (用于存儲溫度變化時(shí)的校準數據)和內部溫度傳感器(用于測量環(huán)境溫度)。

數字電位器按照測量溫度在查找表中檢索到對應的數值，調整可變電阻?；跍囟炔檎冶淼臄底蛛娢黄魍ǔＳ脕?lái)修正電路元件的非線(xiàn)性溫度響應，如激光二極管或光電二極管;也可以根據應用需要，有意建立一個(gè)非線(xiàn)性電阻的溫度響應。

 

數字電位器工作原理：

 

       

 

如圖所示為數字電位器的內部簡(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管構成的模擬開(kāi)關(guān)相連，作為數字電位器的抽頭。這種模擬開(kāi)關(guān)等效于單刀單擲開(kāi)關(guān)，且在數字信號的控制下每次只能有一個(gè)模擬開(kāi)關(guān)閉合，從而將串聯(lián)電阻的每一個(gè)節點(diǎn)連接到滑動(dòng)端。

 

數字電位器的數字控制部分包括加減計數器、譯碼電路、保存和恢復控制電路和不揮發(fā)存儲器等4個(gè)數字電路模塊。

 

利用串入、并出的加/減計數器在輸入脈沖和控制信號的控制下可實(shí)現加/減計數，計數器把累計的數據直接提供給譯碼電路控制開(kāi)關(guān)陣列，同時(shí)也將數據傳送給內部存儲器保存。當外部計數脈沖信號停止或片選信號無(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管導通。

數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(shí)，數字電位器中仍保存著(zhù)原有的控制數據，其中間抽頭到兩端點(diǎn)之間的電阻值仍是上一次的調整結果。

 

 

數字電位器的優(yōu)點(diǎn)：

數字電位器的最大的優(yōu)點(diǎn)在于數字電位器的使用壽命。一般的機械電位器使用壽命較低，很多使用數千次后就出現磨損，失效等異常。而數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，數字電位器能配置成2端可變電阻。與數/模轉換器不同，數字電位器能將H端接最高電壓或最低電壓端。

 

數字電位器的選型：

如果你的系統中如果需要多個(gè)數字電位器的話(huà)，可以考慮選型集成多個(gè)數字電位器的芯片，如CAT5221，CAT5241等;

如果你的系統要求電位器的分辨率要求比較高的話(huà)，可以選擇滑片數目多一些的電位器，比如CAT5251等，當然，也可以使用兩個(gè)數字電位器串聯(lián)達到這個(gè)目的;

對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，所以如果用于運放反饋回路上的電阻的話(huà)，是不合適的，這個(gè)時(shí)候應該選擇不帶緩沖器的;

如果你的系統重新上電時(shí)，希望能阻值能夠恢復上一次掉電時(shí)的阻值，則要選擇非易失性的數字電位器;

對于變化的信號，還要考慮器件的頻率響應相關(guān)參數。

 

 

數字電位器設計考慮：

使用數字電位器的最大限制是電位器端點(diǎn)的電壓，通常該電壓必須保持在VCC和GND之間，以避免ESD結構內部的二極管將音頻信號嵌位。當VCC在規定的范圍(2．7~5．5 V)內時(shí)，DS3903的ESD結構允許輸入信號處于6 V與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6．0 VP-P信號，因為運放電源低于6 V時(shí)將會(huì )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的大信號處理功能。

電位器抽頭的變化形式(線(xiàn)性或對數)決定了電路截止頻率的線(xiàn)性調節或對數調節形式。對于圖l所示音頻范圍的濾波電路，為保證在40～800 Hz之間提供盡可能多的截止頻率設置，采用線(xiàn)性電位器比較合適。

電位器的分辨率(如128或256抽頭)決定了截止頻率的調節精度，抽頭數越多，截止頻率的調節精度也越高。對于音頻應用，不太可能使用64或128抽頭以上的電位器來(lái)設置低通濾波器的截止頻率。對于寬帶應用則要求更多的電位器抽頭。

一些數字電位器采用非易失存儲，能夠在沒(méi)有電源供電時(shí)保持抽頭位置。這種特性可用于保存校準后的濾波器位置，而在上電時(shí)不再調整濾波器設置。易失電位器總是從一個(gè)預置位置啟動(dòng)，電路在被修改之前將一直保持默認位置。

數字電位器的端到端電阻和滑動(dòng)電阻具有較寬的公差，圖l所示電路中的兩個(gè)電阻(POTO和POT2)則保持相等，因為這兩個(gè)電阻制作在同一硅片上。電位器的實(shí)際阻值差別較大，通常端到端電阻的變化范圍是±20％，但它們的相對值基本保持穩定。

另外，數字電位器內部也具有一定的寄生電容，這會(huì )限制最大截止頻率。截止頻率大于500 kHz時(shí)，不推薦使用10 kΩ的數字電位器，也不建議將50 kΩ數字電位器用于100 kHz以上的設計或將100 kΩ的數字電位器用于50 kHz以上的設計。對于音頻應用，所選擇的電位器能夠提供足夠的帶寬，但對于寬帶應用，必須慎重考慮這一因素。

 

區分數字電位器的性能：

數字電位器，或digipot，方便了模擬電路的電阻、電壓以及電流的數字控制和調整。數字電位器通常用于電源校準、音量控制、亮度控制、增益調節以及光模塊的偏置/調制電流調節。數字電位器除基本功能外，還提供許多其它功能，以增強系統性能，簡(jiǎn)化設計。這些功能包括：不同類(lèi)型的非易失存儲器、過(guò)零檢測、去抖動(dòng)按鍵接口、溫度補償和寫(xiě)保護。這些功能針對不同的應用而設計。

 

數字電位器的應用：

 與機械式電位器相比，數字電位器的另一優(yōu)勢是可以直接安裝在電路板的信號通道上，而不需要復雜、昂貴的機械與電控的整合方案。數字電位器可提高電子噪聲抑制能力，不存在機械電位器連線(xiàn)拾取的干擾信號。傳統的數字電位器只是簡(jiǎn)單地直接取代機械式電位器，它們具有相同的使用方法，因而無(wú)需做過(guò)多的說(shuō)明。然而，對于特殊用途的器件，（如低成本立體聲音量控制），使用時(shí)可能會(huì )出現一些特殊問(wèn)題。

 數字電位器可以提供對數和線(xiàn)性變化函數，對數變化的數字電位器常用于Ｈｉ－Ｆｉ音頻設備中的音量調節，可為具有非線(xiàn)性響應特性的人耳建立一個(gè)線(xiàn)性變化的音量控制。目前，高度集成的數字電位器可以在單芯片內提供六個(gè)獨立的電位器，并支持多聲道音頻設備，如立體聲、環(huán)繞杜比系統等。對于音頻設備，需要注意每一級抽頭位置的瞬變過(guò)程，如果抽頭位置沒(méi)有精確地切換到０Ｖ，音頻信號會(huì )帶有噼啪聲和砰然聲。幸運的是，新一代數字電位器包含的過(guò)零檢測功能（如ＤＳ１８０２）可確保在檢測到過(guò)零（０Ｖ）或５０ｍｓ延遲時(shí)改變抽頭位置，從而可降低抽頭位置瞬變時(shí)的音頻噪聲。

新一代的ＤＳ１８０２音頻電位器包含了兩個(gè)數控電位器，對數抽頭，每級變化１ｄＢ。最大衰減量為６３ｄＢ。此外，它還帶有靜音功能，可將信號衰減９０ｄＢ。ＤＳ１８０２有四個(gè)按鍵輸入，可用于音量／平衡控制。合理利用其過(guò)零檢測器，能夠實(shí)現音量的無(wú)縫調節，以得到純凈的音頻信號。圖２提供了一個(gè)前置放大器方案，可通過(guò)按鍵控制兩個(gè)立體聲聲道。用ＤＳ１８０２構成音量控制電路時(shí)，需要將交流信號偏置在直流電源范圍內，否則，ＤＳ１８０２會(huì )將低于ＧＮＤ、高于ＶＣＣ的音頻信號鉗位掉，ＤＳ１８０２可以采用３Ｖ或５Ｖ電源。由于音頻信號通常是對稱(chēng)的，所以，最好將直流偏置設置在ＶＣＣ／２，以獲得最大的音頻信號擺幅。圖２（ａ）是一個(gè)惠斯通橋電路，可用來(lái)將輸入信號偏置在ＶＣＣ／２。該電路允許交流信號通過(guò)位于中間位置的電阻（電位器），來(lái)對電阻兩端進(jìn)行相同的直流偏置。這一點(diǎn)對于數字電位器非常關(guān)鍵，因為過(guò)零檢測器是在電位器兩端電壓為零時(shí)切換電位器的位置，因而，可以消除由于數字電位器的非連續切換所造成的噼啪聲和砰然聲。圖２（ｂ）是在圖（ａ）基礎上構建的電路，該電路的輸入阻抗為１３．７ｋΩ，橋電路和輸入電容造成的信號衰減為１．２ｄＢ（２０Ｈｚ）。此外，還需要在靠近DS1802和MAX4167的VCC引腳加旁路電容。

 

數字電位器缺點(diǎn)的解決方法：

數字電位器的額定阻值差大，一般在(20-30)%，主要是由P型硅擴散層的表面電阻率及內部開(kāi)關(guān)的導通電阻等工藝方面的差異引起的。

數字電位器的溫度系數大，選擇雙數字電位器將可變增益差分放大器設計，則可始終保持集成運放的同相端和反相端對外的電阻相等，從而始終保持很高的CMRR，抑制了溫漂誤差。

數字電位器的通頻帶一般較窄，主要是由于數字電位器內存在雜散電容，頻率響應受RC時(shí)間常數的限制。

數字電位器受CMOS工藝的限制，數字電位器的滑動(dòng)段允許通過(guò)電流較小，一般不超過(guò)3ma，電流過(guò)大會(huì )使、器件過(guò)早失效。

數字電位器一般不能直接接負電源，但在構成分壓器時(shí)，有時(shí)候需要輸出正負電壓，可以得到一定范圍可正可負的分壓輸出。