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数字电位计--工业与消费电子设备理想选择的器件 |
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如今数字电位计己广泛用于工业与消费电子设备之中,之所以能够成为理想组件的选择，主要是具有与传统机械电位计所不同而独特的数控技术结构。为此本文设将对数字电位计独特的数控技术结构以及它在工业与消费电子中的应用作分析说明。先从基本程式说起。
1、数字电位计基本程式结构
应该说数字电位计是一种用于实现梯形电阻器的集成电路，与机械式电位计不同，它通过数字方式来决定梯形电阻器上抽头的位置。与传统的机械电位计相类似，数字电位计采用三个接线端(顶接线端H、底接线端L和滑动点W，见图1所示蓝色框图为数字电位计基本程式结构)具有分压器和可变电阻两种配置功能。
图1 数字电位计基本程式示意图
图1说明：其图1所示中为32级分辨率、非易失、 数字电位器典例。 该数字电位计提供了一种实现频率、Q值和截止频率的电子控制的方法。它具有电阻分压器配置。它们具有非常低的35ppm/℃端到5ppm/C比值温度系数。其片上EEPROM可在掉电前存储滑动端的位置，使其具有机械电位器的工作特性。其特征为：简单的2线、 兼容接口,是微型3mmx3mmTDFN封装,片上EEPROM保存掉电前的滑动端位置，超低温度漂移，消耗不足1μA的待机电源电流,单一2．7V至5．5V电源电压,每个器件四种可选地址允许多个器件共存于同一总线。
而有些数字电位计将滑动点连接到底端或者顶端接线端，具有可变电阻器功能(当然，三端数字电位计也可以配置为变阻器)。此外，数字电位计可提供单通道或多通道(高达六个通道)配置。如ADI公司的AD5204的四通道、256抽头易失SPI接口与具有10KΩ、50 KΩ、100 KΩ电阻值的数字电位计,它节省电路板空间(采用节省空间的5mmx 5mmQFN封装)。提供设计灵活性。多通道数字电位计不仅节省电路板空间，而且提供设计灵活性，因为每个通道可以作为可变电阻器或者作为电压分压器进行配置，因此可采用单个器件解决多个设计挑战。
数字电位计通常适用于采用微调电位计，或者需要精密电阻匹配的应用。因此设计人员可以利用数字电位计，通过电阻分压器实现频率、Q值和截止频率的电子控制。数字电位计可广泛应用于LCD面板，实现VCOM调节和面板对比度/亮度控制，以及可编程电源、RF放大器偏置以及汽车电子。
关于数字电位计的典型指标
·分辨率是用于描述抽头数量的，从32-1024。最常见的配置是256个抽头(8bit输入)。例超低温漂、微型、1024级非易失数字电位器为对比度、增益和失调控制提供更高分辨率。 图2为功示意图。
其特性为：上电时利用非易失存储器恢复到以前的滑动端位置；10kΩ和50kΩ端到端电阻；1μA待机电流；工作于+2.7V至+5.25V；单电源或±2．5V双电源；无扰动切换；-40℃至+85℃温度范围。
·数字电位计的编程通常是串行的，通过 （在图1中体现）或SPI总线（在图2中体现）进行，而且还可以采用按钮和Up/Down接口。端到端电阻值范围从1kΩ到1MΩ，电阻容差的典型值为20%。
·最常见的单端直流电压范围为5.5V，某些器件的技术指标达到30V。有些数字电位计用于处理双极性信号或者交流信号。大部分器件的技术指标为土3V，少部分器件的技术指标为土15V，工作电流可低至0.01μA。
数字电位计为消费电子提供简单、廉价的亮度控制方案举例（见图3所示）
以DS4301廉价非易失性电位器数字电位计为例作应用说明
DS4301数字电位器非常适合于白光LED背光亮度的控制．这些器件利用EEPROM存储滑动端位置，这样它们在上电时就可恢复最近一次的设置。滑动端位置通过一个简单的递增/递减接口进行控制。DS4301的微型8引脚μSOP封装和+2．4V至+5V供电范围特别适合于便携式产品，DSl804则具有100个滑动端位置、多种封装形式和三种端到端电阻选项，可灵活用于多种类型的应用。图3为DS4301应用干蜂窝电话、PDA与汽车音响亮度控制方案示意图。 其MAX1698为高效率、升压型稳流器，用于LED的驱动。
而+2．4V工作电压，理想用于便携式电子产品DS4301是细小的8-μSOP(3mm× 5mm)低成本非易失性电位器并具有简单的递增/递减接口。
与机械电位计相比，数字电位计可以工作于闭环控制回路中，并且不需要通过物理接触进行调节。此外，数字电位计的分辨率高于机械电位计，具有更高的可靠性和稳定性、更快的调节速度、更好的动态控制以及更小的尺寸。由于采用数字工作方式，它们还能提供更多功能。
2、数字电位计采用具有存储器与非易失性存储器的数字电位计可以在出厂时进行编程或者校准，这消除了对板上微控制器的需要,这是片上存储器具有的特点。
例如，具有结合了系统校准与用户EEPROM的数字电位器，它能结合了两个电位器和248字节EEPROM存储器。固态电位器用于控制或校准系统参数，比机械式电位器更干净、更可靠。在系统制造过程中，电位器可进行电编程，大大缩短了人工校准时间。248字节的串行、可寻址EEPROM可用于存储制造商的相关数据。
图4为采用具有存储器的数字电位计典型示意图(如DS1855型)。引脚功能图。其特点为100/256位电位器,248字节EEPPOM,三个地址选择引脚允许在串行总线上连接最多八个器件,2．7V至5．5V宽电源范围。
本方案是或减少绝对电阻误差有效方法之一。其工厂校准，在装配电路板的时候测量误差并且将其存储在存储器中，用于回读以及用户校准。现在，具有土1%端到端电阻容差的新器件可以为系统设计人员提供更大的灵活性，避免以前方案所造成的种问题。使得制造端到端电阻容差为1%的数字电位计变得可能。
如果在数字电位计设计中已经采用了微控制器（从图1中数字电位计基本程式示意图右所见），那么电位计控制功能的释放将减少所需的编码量以存储器，可以获得更短的启动时间。
3、数字电位计新或成减少误差新技术的应用特
3.1具有缓冲滑动端的双路数字电位器，可改善输出的线性度并缩小电路面积省去外部运算放大器
如DS3908包含2个64级非易失数字电位器，内置可编程增益放大器用于缓冲滑动端输出。与标准数字电位器相比，缓冲滑动端具有突出的优点，它使负载对于电位器呈现为高阻，而向负载提供低阻抗电压输出。这避免了流过电位器和滑动端的电流发生变化，从而改善了输出电压的线性度．图5为DS3908数字电位器引脚功能示意图。
优点是：写保护非易失存储器。其特征为双路、非易失、64抽头线性数字电位器，内置滑动端缓冲放大器，具有1、2或4三种可选增益与100kΩ端到端电阻，其比例温度系数低至10ppm/℃，单条12C总线上接最多8个器件，+3V至+5．5V电源电压范围，为3mm x 3mm、14引脚TDFN封装。
3.2 一种方法是采用多通道数字电位计（如上述的AD5204的四通道数字电位计等），其通道间匹配的典型为0．1%，它采用差分放大器的电桥类型的测量方法，该方法的一个缺点是，如果要获得较好的共模抑制比，就需要一超严格匹配的电阻。
3.3 工厂校准，在装配电路板的时候测量误差并且将其存储在存储器中，用于回读以及用户校准。现在，具有土1%端到端电阻容差的新器件可以为系统设计人员提供更大的灵活性，避免以前方案所造成的种问题。图4具有结合了系统校准与用户EEPROM的数字电位器为典型应用。
技术进步使得制造端到端电阻容差为1%的数字电位计变得可能。最新推出的一些产品可以将出厂测得的电阻容差保存在存储器中，在计算滑动点设定值时，通过外部软件访问该存储器，并使用存储的值补偿电阻误差(见上述图4所示一例)。
3.4 最新的数字电位计包括OTP存储器字阵列，允许在存储器中多次对滑动点位置进行编程，这一特性适于工厂编程应用，因为校准过程可能需要多次调节步骤。
4、数字电位计应用举例
4.1 利用数字电位器实现电压-电阻转换
在工业控制和偏置调节电路中有时需要将电压转换成电阻，这一过程在具体实施时有一定的难度。图6所示电路利用两路数字电位器提供了一个简单的转换方案。
图6 利用两路相同的数字电位器实现电压-电阻转换
数字电位器U1低功耗数字电位器 和比较器U3构成数字式跟踪-保持电路，U1通过调节其内部分压比来保证VWIPE跟踪VIN。这样，滑动电阻将与VIN成正比。由于U1和U2的数字输入是连接在一起的，因此U2的滑动端位置与U1相同，对应端之间的电阻也相同。从而可得到与VIN成正比的电阻，从而实现了电压至电阻的转换。数字式跟踪-保持电路的工作过程如下所述。为跟踪VIN，在每一个时钟脉冲到达时，U1的滑动端位置(中心抽头)会向上或向下移动。比较器U3对模拟输入(VIN)和滑动端电压(VWIPE)进行比较。如果VIN>VWIPE，比较器输出逻辑高电平，并使滑动端位置向上移动，VWIPE增大。VWIPE将保持递增状态，直到其大于VIN为止；然后，比较器输出翻转为低电平，控制滑动端向下移动。对应每个时钟周期，滑动端将根据需要向上或向下移动，以跟踪VIN。分压器的参考输入(VH和VL)决定输入电压的范围；如果VIN在0V至5V (直流)之间，则使VL = GND、VH = 5V (直流)。
由于U1和U2相同并且它们的数字输入连接在一起，因此它们的滑动端位置也相同。LOCK输入置为低电平时，输出电阻将随着VIN而改变；LOCK置为高电平时，将保持阻值不变。可以将LOCK始终接地，但这种情况下，即使VIN保持恒定，输出电阻也会在两个相邻状态之间连续转换。例如，如果电位器的端到端电阻为10kΩ，当滑动端电阻设置在5kΩ时，输出电阻将随时钟在5kΩ和5.3125kΩ之间转换。如果需要，可以在滑动端输出接一个电容，滤除电阻变化的影响。可以采用100Hz至10kHz的时钟频率。输出电阻并非实时跟随VIN变化，而是需要经过若干时钟周期之后才达到终值。时钟数(最多32个)取决于滑动端的初始位置和输入电压。
如果需要更高的分辨率，可以用6位或8位数字电位器替代图中的5位器件。注意，MAX5160上电复位时将滑动端设置在中心位置，从而可使两路数字电位器同步至相同的电阻。需选用上电时具有确定状态的数字电位。
4.2 使用模拟电压控制数字电位器
在某些应用中带I2C接口的数字电位器，往往需要由持续变化的模拟信号控制。本例提供了简易的设计方案,其介绍的方法适合多种应用场合。本方案使用外部模拟电压改变数字电位器阻值的简易方法。使用Microchip的PIC12F683型微控制器将模拟电压转换至控制数字电位器的I2C数据流。数字电位器DS1803作为本应用中的示例器件，另外还用到极少数其他外部器件。这里介绍的方法适用于其他控制器输入和其他数字电位器/可变电阻。
硬件配置与程序设置
图7显示了使用PIC12F683的控制电路原理图。微控制器6个GPIO中的4个用于控制SDA、SCL的输出信号、单个LED，并接收一路模拟输入。GP5、GP4和GP0分别分配至信号输出SDA、SCL和LED。
SDA和SCL具有4.7kΩ上拉电阻至VDD，直接连接至DS1803的SDA和SCL引脚。微控制器的GP1 IO分配为模拟输入引脚。通过跳线可选择地址引脚、分离共用的VCC (VDD)、隔离SDA和SCL。
图7 模拟电压控制数字电位器的原理图
全部程序仅占用小于450字节的程序空间(Flash)和8字节的数据空间(RAM)。程序首先初始化PIC的多个配置位，包括ADC和内部振荡器。程序配置ADC为从GP1输入，并设置转换时钟为使用内部125kHz振荡器。固件运行一个循环：ADC持续转换模拟输入端的电压，一旦转换完毕，10位ADC输出的高8位作为数据字节，传送至I2C总线。此I2C信号用于控制DS1803。程序设置为一同控制DS1803的2个电位器；但通过改变固件，可以实现由PIC12F683的2个不同的模拟输入独立的控制2个数字电位器。
多种功能
程序允许用户通过改变PIC12F683 GP1输入端的电压，控制数字电位器。GP1端电压的持续变化会引起数字电位器电阻的相应变化。输出电阻(ROUT)可以看作是输入电压的函数。设计中使用的DS1803端到端电阻为：50kΩ VCC的允许范围：2.7V至5V 输入电压变化范围为0V至VCC。
输出电阻将会遵循：ROUT (kΩ) = (50/VCC (kΩ)) × 输入电压。ADC运行期间，LED不断闪烁。如果I2C出现故障，LED保持常亮。一旦故障排除， LED继续正常工作。设计者可通过检查器件地址是否正确、I2C总线是否连接，排除系统的故障。此设计非常通用，类似的方法可以用在多个系统。
5、结语
数字电位计可提供具有不同接口、分辨率、端到端电阻和存储器选择的广泛的系列产品。与可变电阻、变阻器和机械电位计类似，这些集成的数字电位计可用于调节和调整电子电路。(end)
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(10/11/2008) |
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