（测试计量技术及仪器专业论文）数字电位器的优化设计及应用研究.pdf

摘要 摘要 数字电位器是一种具有数字接口的新型有源器件，可很方便地通过单片机或逻 辑电路进行编程来精确地调整其阻值。数字电位器可满足不同分辨率和控制精度的 要求，而且不受机械振动的影响，可取代几乎所有模拟电路中的机械电位器，这就 为采用数控技术精确地调整模拟电路的电压、电流、增益等参数创造了条件。利用 数字电位器可构成各种可编程模拟器件，真正实现了“把模拟器件放到总线上 这 一全新的设计理念，实现了模拟电路的数字化控制。由于数字电位器具有高集成度、 高性价比、使用灵活、性能指标好、调节精度高等优点，目前正在国内外迅速推广 应用。 本课题的研究重点是在深入研究数字电位器工作原理与应用的基础上，对数字 电位器的应用软件进行了开发设计，包括数字电位器的温度补偿和利用软件来提高 数字电位器分辨率的方法，并对数字电位器在测控技术和光学领域中的应用提出了 优化设计方案。 论文首先介绍了国内外数字电位器的发展概况，并对数字电位器的性能特点和 基本原理做了简单介绍；然后对数字电位器的特殊接口应用进行了设计，包括利用 高速反相器实现p c 并行口与1 2 c 总线数字电位器的通信、利用单片机实现p c 串行 口与1 2 c 总线数字电位器的通信；其次，通过分析环境温度对数字电位器的影响因素， 提出了减小环境温度对数字电位器影响的方法，并自行开发出相应的温度补偿软件； 最后对数字电位器在测控技术和光学领域中的应用进行了优化设计，完成了可编程 蓝屏l c d 背光源控制电路的设计与调试，获得了满意的试验结果。在课题研究过程 中，还参编了数字电位器应用指南一书( 现己正式出版) 。 关键词数字电位器：优化设计：表格处理软件；温度补偿；分辨率 a b s t r a c t d i g i t a lp o t e n t i o m e t e ri san e wt y p eo fa c t i v ed e v i c ew i t hd i g i t a li n t e r f a c e ，w h o s e r e s i s t a r l c en u m b e rm a yb ea d j u s t e dc o n v e n i e n t l ya n dp r e c i s e l yt h r o u g hs i n g l e c h i p m i c r o c o m p u t e ro rt h el o g i cc i r c u i tp r o g r a m s d i g i t a lp o t e n t i o m e t e rm a y s a t i s f yd i f f e r e n t o fr e s o l u t i o na n dt h er e q u e s to fc o n t r o lp r e c i s i o n ，w i t h o u tb e i n ga f f e c t e db yt h e m e c h a i l i c a lv i b r a t i o n s i tc a r ls u b s t i t u t en e a r l ya l la n a l o g o u sc i r c u i t s m e c h a n i c a l p o t e n t i o m e t e r t h i sc r e a t e sc o n d i t i o n st op r e c i s e l ya d j u s t i n gt h ev o l t a g e ，e l e c t r i cc u r r e n t ， g a i na n do t h e rp a r a m e t e r so ft h en a l o g o u sc i r c u i tb yu s i n gn u m e r i c a lc o n t r o l u s i n g d i g i t a lp o t e n t i o m e t e rm a yc o n s t i t u t ee a c hk i n do fp r o g r a m m a b l ea n a l o g o u sd e v i c e ，t r u l y r e a l i z et h eb r a n d n e wd e s i g ni d e a p u tt h es i m u l a t o ro nt h eb u s ”a n dn u m e r i c a lc o n t r o l o f t h ea n a l o g o u sc i r c u i t a sd i g i t a lp o t e n t i o m e t e rh a st h em e r i t so fh i g hi n t e g r a t i o nr a t e ，u s e n i m b l y , g o o dp e r f o r m a n c e i n d e x ，h i g ha d j u s t m e n tp r e c i s i o n a n ds oo n , i tl sb e i n g p r o m o t e da n d u s e dh o m ea n da b r o a di np r e s e n t t i f f st o p i c ，sk e yp o i n to fr e s e a r c hi sp r o p o s et h eo p t i m i z a t i o nd e s i g np l a no fd i g i t a l d o t e n t i o m e t e ro nt h eb a s i so fp e n e t r a t i n g i t s p r i n c i p l e o fw o r k ， c a r r i e do nt h e d e v e l o p m e n tt o i t s a p p l i c a t i o ns o f t w a r e ，i n c l u d i n g d e v e l o p e d t h e c o r r e s p o n d i n g t e m p e r a t u r ec o m p e n s a t i o ns o f t w a r e ，m a k eu s eo fs o f t w a r e t oi m p r o v er e s o l u t i o na n d a p p l i c a t i o nf o u n d a t i o n t h ed a p e rf i r s ti n t r o d u c e dt h ed o m e s t i ca n df o r e i g hd e v e l o p m e n ts u r v e yo fd i g i t a l p o t e n t i o m e t e r , a n dm a d et h es i m p l ei n t r o d u c t i o nt oi t sp e r f o r m a n c ec h a r a c t e r i s t i ca n d t h e b a s i cp r i n c i p l e ；t h e nc a r r i e do ns o m ed e s i g nt o t h es p e c i a lc o n n e c t i o na p p l i c a t i o n ， i n c l u d i n gr e a l i z i n gt h ec o r r e s p o n d e n c eb e t w e e np cp a r a l l e lp o r ta n 。d 1 2 cb u sd i g i t a l p o t e n t i o m e t e rb yu s i n gh i g h s p e e di n v e r t e ra n dr e a l i z i n g t h ec o r r e s p o n d e n c eb e t w e e n p c s e r i a lp o r ta n d1 2 cb u sd i g i t a lp o t e n t i o m e t e rb yu s i n gs i n g l ec h i pm i c r o c o m p u t m e a n w h i l e t h r o u g h o u tt h ea n a l y s i so f t h ei n f l u e n c i n gf a c t o ro fa m b i e n tt e m p e r a t u r e0 n 也ed i g i t a lp o t e n t i o m e t e r ，w ep r o p o s e dm e t h o d so fr e d u c i n gt h ei n f l u e n c eo fa m b i e n t t e m p e r a t u r eo nd i g i t a lp o t e n t i o m e t e r a n dd e v e l o p e dt h ec o r r e s p o n d i n gt e m p e r a t u r e c o m p e n s a t i o ns o f t w a r ev o l u n t a r i l y ；f i n a l l y , w ec a r r i e d o nt h eo p t i m i z a t i o nd e s i g nt o d i g i t a lp o t e n t i o m e t e ri nt h eo b s e r v a t i o nt e c h n o l o g ya n do p t i c s d o m a i n sa p p l i c a t i o n ， c o m p l e t e dt h ed e s i g na n dd e b u g g i n g o fp r o g r a m m a b l eb l u es c r e e nl c d b a c kl i g h ts o u r c e c o r l t r o lc i r c u i t ，a n d0 b t a i n e dt h es a t i s f a c t o r ye x p e r i m e n t a lr e s u l t i nt h et o p i cr e s e a r c h p r o c e s s , t h ew r i t e ra l s ot o o kp a r ti nt h ee d i t i o no f t h eb o o k ( ( a p p l i c a t i o ng u i d eo fd i g i t a l l i a b s t r a c t p o t e n t i o m e t e r ) ) ( i th a sa l r e a d yb e e np u b l i s h e do f f i c a l l yn o w ) k e y w o r d sd i g i t a lp o t e n t i o m e t e r ：a p p l i c a t i o nf o u n d a t i o n ；m i c r o s o f t e x c e l ； t e m p e r a t u r ec o m p e n s a t i o n ：r e s o l u t i o nr a t i o 河北科技大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究工 作所取得的成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方 式标明。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体己经发 表或撰写过的作品或成果。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：讯面泵 指导教师签名：学位论文作者签名：j 。仅融采指导教师签名：、 髟次 ， 、 勘。3 年f z 月ge t2 幻拜，二月罗日 ；- - i ：i l 科技大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留 并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本 人授权河北科技大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 口保密，在一年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 砾保密。 ( 请在以上方框内打“ ) 学位论文作者签名：；乇薪象 加口留年12 - 月留同 指导教师签名：巧彭1 乞 勿矿矽年r e 户j 萝同 第1 章绪论 第1 章绪论 电位器是一种应用很广的电子元器件，在许多的电子设备中都不可或缺，它广 泛地用于电子工业、自动化、通信、国防等领域，并渗透到日常生活中。近几年， 随着电子技术的发展，电位器的种类越来越多，其发展也越来越迅速，而数字电位 器自2 0 世纪9 0 年代问世以来，就显示出强大的生命力，在国内外得到了迅速的推 广和应用，它取代了传统的机械电位器，被广泛用于仪器仪表、家用电器、现代办 公设备、工业控制、医疗设备等领域。 数字电位器( d i g i t a lp o t e n t i o m e t e r ) 是采用c o m s 工艺制成的数字模拟混合信 号处理集成电路，也称为数控可编程电阻器，简称数控电位器( d i g i t a l l yc o n t r o l l e d p o t e m i o m e t e r s ，d c p ) 【l 】，它与传统的机械电位器在工作原理、结构、外型和特点上 完全不同，它是一种高效的节能器件，采用数字电位器的集成电路具有更高的效率 和稳定性。 1 1 课题研究的科学意义和应用前景 随着现代电子技术突飞猛进的发展，对电子器件的高效性、稳定性、精确性也 提出了更高的要求，从而使得片上系统( s y s t e mo nc h i p ，s o c ) 【2 j 和模拟一数字混 合信号处理技术成为了现代信息技术应用中的两个重要的电子技术基础。一般讲， 纯数字系统的s o c 实现起来比较容易，相对来说技术也比较成熟，而模拟一数字混 合信号处理系统的s o c 实现起来则比较困难，这是由于模拟电子系统的信号和参数 具有连续与分散的特征，因此在进行系统集成和数字控制时会遇到比较大的困难， 特别是当需要通过调整电阻值来连续调整电路特性时，其困难可能会更大。而数字 电位器的问世为模拟一数字混合信号处理系统的集成化提供了有利的支持。 数字电位器是一种新型集成化的数字模拟器件，一般由数字控制电路、存储器 和电阻式数模转换器( r e s i s t a n c ed i g i t a lt oa n a l o gc o n v e r t e r ，r d a c ) 组成l j j 。其中， r d a c 电路是数字电位器的重要组成部分，它是一种特殊的数模转换电路，与一般 的数模转换电路不同的是其转换后的模拟量不是电压值而是电阻值1 4 j 。不同型号的 数字电位器其数字控制电路的结构形式不同，但主要功能都是将输入的控制信号进 行处理后控制r d a c ，非易失性存储器用来存储控制信号和电位器的抽头位置。数 字电位器具有使用灵活、调节精度高、无触点、低噪声、不易污损、抗振动、抗干 扰、体积小、寿命长等显著优点【5 1 ，可在许多领域取代传统的机械式电位器。目前， 数字电位器正在国内外获得迅速发展和推广应用。数字电位器不仅能设计各种可编 程模拟器件，由微处理器或单片机来控制系统中的模拟功能，还被广泛用于智能仪 河北科技大学硕十学位论文 器、p c 、手机、家用电器、现代办公设备、汽车类电子产品、工业控制、医疗保健 等领埘研。数字电位器的问世，有力地推动了现代电子科技的发展，也为电子产品的 更新换代创造了有利条件。 1 2 国内外研究现状 电位器作为电子工业的基础产品，近年来得到了迅速的发展。我国的电位器行 业同电子元件的其他行业一样，经过数十年的建设，特别是改革开放以来，取得了 明显的进步，己发展成为具有相当规模、专业门类齐全、品种基本配套的行业体系。 通过“七五”、“八五 的技术改造，引进先进技术，实现了多品种、自动化大生产， 产品质量得到了普遍提高，整机配套能力、新品开发能力普遍增强，已为发展规模 经济奠定了良好的基础。 目前，我国的电位器产品还是以中、低端产品为主，并且片式元件【7 】品种少，生 产规模不大，远远满足不了整机的需要。现在我国所使用的片式元件，进口或外资 企业在国内生产的占大部分。而元件的片式化是电子元件的发展方向，国外发达国 家电子设各片式化率已达6 0 8 0 f 8 1 ，世界片式元件盼产量已超过引线元件的产量， 并且还在以2 0 以上的年增长率在增长。 数字电位器作为一种新型集成化的数字模拟器件，它的发展为电子电路的高度 集成化和数字化创造了条件。数字电位器自2 0 世纪9 0 年代问世以来，主要是沿着以 下方向发展的：第一个发展方向是对电位器进行集成化，数字化；第二个发展方向 是对数字电位器的软件进行优化p j 数字电位器的飞速发展及其开发应用与计算机软件是密不可分的。近年来，国 内外许多芯片厂家竞相推出一批数字电位器专用工具软件，主要分为以下三大类： 评估板、计算器工具及电子数据表格以及通信软件【1 0 】。评估板具有仿真器的作用， 可用来对数字电位器进行功能及性能调试。计算器工具及电子数据表格属于纯软件， 不需配硬件电路，利用它可迅速将线性数字电位器转换成非线性数字电位器。利用 通信软件和相应的硬件电路，可实现p c 并行口( 或串行口) 与1 2 c 总线数字电位器 的通信。 随着现代科技的发展和人们生活水平的提高，数字电位器必将在2 l 世纪的电子 技术领域中大放异彩。 1 3 论文研究的主要内容及创新点 鉴于数字电位器刚问世不久，目前在我国还处于推广应用阶段，因此，本论文 的研究重点是在深入数字电位器工作原理的基础上，提出数字电位器的优化设计方 案。目前，数字电位器软件的设计已成为扩展数字电位器应用领域及功能的一项非 常重要的技术，而在实际应用中，有时要求由线性数字电位器构成的分压器也能提 2 第1 章绪论 供非线性的转换功能，而现有的工具软件只能从形式上将线性数字电位器的线性刻 度转换成对数刻度，使用起来也不方便直观。为了便于应用，在本论文中采用 m i c r o s o f te x c e l 工具软件，利用其直观方便、丰富的函数和卓越的图表功能，在其基 础上进行改进，制成了直观实用的数字电位器工具软件，使用非常方便，用户只需 选择好抽头数、总电阻值等参数就可以获得新的电子表格。如果要获得等效的对数 型和反对数型数字电位器，只需给线性数字电位器配上外部电阻即可。 分辨率是数字电位器的一个重要性能指标，在本论文中就设计了一种利用多路 低分辨率数字电位器来获得高分辨率指标的方案，不但可以满足精密数控的要求， 而且具有一定的经济效益。 另外，在某些特定应用中，环境温度的变化对数字电位器的影响也很大，如何 降低数字电位器的温度系数也是本次研究的内容之一。 论文的主要创新点有两个，第一个是采用温度补偿原理，开发出相应的应用软 件，从而成功解决了降低数字电位器温度系数的问题，并可通过温度补偿软件对数 字电位器的总电阻温度系数和比例温度系数能够进行方便直观的测试，经过实验， 证明方案可行。第二个是利用数字电位器、单片机和其他元器件对可编程蓝屏l c d 背光源控制系统进行了硬件电路和软件的设计，经过测试，系统的整体性能得到了 提高。 3 河北科技大学硕士学位论文 第2 章数字电位器的概述 传统的机械式电位器是人工调节的，使用起来具有许多不便之处，而数字电位 器是一种新型的电子器件，它采用逻辑控制，具有调节方便、性能稳定等特点，而 且它很容易与计算机相连，在操作使用上容易实现智能化，数字电位器与其它模拟 器件相结合，真正实现了“将模拟器件放在总线上”( 即用微控制器通过总线来控制 系统中的模拟功能块) 1 1 这一全新的设计理念。数字电位器是机械电位器的理想替代 品。 2 1 数字电位器的性能特点 数字电位器在使用中具有三个非常有力的应用优势，分别为：可变性和可靠性； 基于计算机数字控制的灵活性；用来存储多路数字电位器设置或数据的非易失性存 储器的记忆性【1 1 1 。另外，数字电位器的封闭完全与其他电子元件兼容，因此大大减 少了生产组装的费用。 2 1 1 数字电位器的主要特点 数字电位器除了具有体积小，易于安装，使用灵活，有较强的抗干扰能力，使 用寿命长，用途广泛等优点，还具有以下的主要特点。 1 ) 数字电位器属于模拟数字混合信号产品，它是由集成电路构成的、带中间 抽头的电阻，是一种步进可调电阻。其输入为数字量，输出为模拟量，是一种特殊 的数模转换器( d a c ) 。数字电位器的输出量是电阻值或电阻比率，所以也称为电 阻式数模转换器( r d a c ) 【4 】。 2 ) 数字电位器的分辨率和内部r d a c 的位数有关，r d a c 的位数越多，分辨率 越高。数字电位器内部单元电阻的个数等于抽头数减去1 。采用4 位r d a c 的分辨率仅 为6 7 ，而采用1 0 位r d a c 的分辨率达n o 9 8 t 1 2 】。因此，采用1 0 位r d a c 的数字电 位器调节精度优于0 1 。由m a x i m 公司生产的m a x 5 4 9 0 、m a x 5 4 9 1 、m a x 5 4 9 3 型数字电位器，适合构成精密分压器，其最大的比例误差仅为0 0 3 5 ，在- - 5 5 + 1 2 5 温度范围内，温漂仅为2 1 0 - 6 。 3 ) 数字电位器适于配置微控制器( m c u ，含微处理器心或单片机g , c ) 进行编 程。m c u 可通过串行总线来控制滑动端的位置，对数字电位器的电阻值进行自动调 整。 4 ) 数字电位器内部有非易失性存储器( e 2 p r o m ) 1 1 3 】，用户可对其进行读、写 操作，通过软件和控制接口对数字电位器的电阻值进行编程，掉电后能长时间保存 4 第2 章数字电位器的概述 原有控制数据及滑动端位置不变，保存期可达1 0 0 年，其读、写次数一般可达5 2 0 万 次1 1 4 1 。 5 ) 利用数字电位器可实现模拟电路中对电阻、电压或电流的数字控制及调整。 除具有可变电阻特性外，还可提供非易失性存储、过零检测、按键去抖动接口、温 度补偿、写保护等特性。典型应用包括电源调节、音量控制、亮度控制、增益控制、 光纤模块中偏置电流和调制电流的控制等。允许将几个数字电位器进行串联、并联 或者串并联，以提高电阻值或分辨率；也可组成同轴电位器、精密电阻分压器等。 但是受芯片制作工艺的影响，数字电位器的总电阻一致性较差，一般有1 5 3 0 的 偏差【1 5 1 。 6 ) 数字电位器可用于构成各种可编程模拟器件，例如可编程l e d 、可编程滤波 器、可编程振荡器、可编程增益放大器( p g a ) 、可编程仪器放大器( p 从) 、可编程 比较器、可编程基准电压源、可编程稳压电源、频率补偿网络、自动音量音调控制 电路等。 数字电位器的这些特点体现了它优于机械电位器，因此它一问世就得到了广泛 的推广应用，在许多场合替代了机械电位器。 2 1 2 数字电位器与机械电位器的性能比较 抽 一 数字电位器与机械式电位器相比具有许多优势，例如，具有更低的系统成本、 能改善系统的可靠性以及提高系统的灵活性等。 机械式电位器是可变电阻，属于模拟式分立元件，其特点是在标称电阻范围内， 通过改变滑动端的位置来获得所需要的任意电阻值，被长期用来调节系统的失调和 增益、设置l c d 的对比度电压、调节电源电压等。目前，利用螺丝刀进行模拟调节 的方式正逐步被淘汰，这种方式的成本较高，而且存在人为误差。 而数字电位器是采用c o m s 工艺制成的数字模拟混合信号处理集成电路，能在 数字信号的控制下自动改变滑动端的位置，从而获得所需要的电阻值。数字电位器 本身就是一个包括控制接口、存储器和电阻的系统，它是通过软件和控制接口进行 编程的。由于数字电位器内部是采用无触点开关来切换电阻的，因此在调节的过程 中不会产生电噪声。 在实际应用中，数字电位器与机械式电位器有两个重要区别：一个是调整过程 中，数字电位器的电阻值不是连续变化，而是在调整结束后才具有所希望的输出。 这是因为数字电位器采用m o s 管作为开关电路，并且采用了“先开后关”【1 6 】的控制 方法；另一个不同之处是，数字电位器无法实现电阻的连续调整，而只能按数字电 位器中电阻网络上的最小电阻值进行调整。 针对当前市场，用数字电位器替代机械式电位器将会为产品带来极大的竞争力。 5 河北科技大学硕士学位论文 数字电位器能提高产品的可靠性，另外，由于消除了高成本、存在一定问题的手工 调节，简化了生产流程，可很容易地降低产品成本，提高装配速度。机械式电位器 的分辨率从理论上讲是无限的，但实际效果则取决于调节人员的熟练程度，不同时 间也会得到不同结果，有时实际得到的分辨率会很低。数字电位器的优越性远远高 于机械电位器。 数字电位器与机械电位器的性能比较之一如表2 1 所示。 表2 1 数字电位器与机械电位器性能比较之一 t a b 2 - 1t h eo n eo f p e r f o r m a n c ec o m p a r i s o nb e t w e e nd i g i t a lp o t e n t i o m e t e ra n dm e c h a n i c a lp o t e n t i o m e t e r 对比项数字电位器机械电位器 特性集成化有源器件 分立式无源器件 电阻变化规律阶梯变化连续变化 调节方法数字控制手动控制 位置记忆记忆不记忆任选有 自动恢复 有无 使用寿命长 短 体积小大 数字电位器与机械电位器性能比较之二如表2 2 所示。 表2 2 数字电位器与机械电位器性能比较之二 t a b 2 - 2p e r f o r m a n c ec o m p a r i s o nb e t w e e nd i g i t a lp o t e n t i o m e t e ra n dm e c h a n i c a lp o t e n t i o m e t e r 对比项目 数字电位器 机械电位器 生产厂家 美国c a t a l y s t + 美国b e y s c h l a gb e n t r a l a b 公司 产品型号c a t 5 1 1 4 s t 3 电阻规格k o1 01 0 允许偏差( ) 1 5 2 0 结构( 分辨力)3 2 抽头单一方向2 1 0 。转角 封装形式s o i c 8 ( 小型i c )3 l 单价( 数量 1 0 0 片) 美元o 7 5 1 3 5 安装费用美元0 0 4 - - 0 0 8 0 0 4 o 0 8 调试费用美元 c n 、c l 。 综上所述，可得出以下结论： ( 1 ) 数字电位器可等效于三端可编程电阻。 ( 2 ) 互补电阻敝和( 1 - - k ) r 是输入代码的函数。 ( 3 ) 数字电位器可视为能输出电阻值的一种特殊的数模转换器。 ( 4 ) 数字电位器的输出电阻可转换成电压或电流输出。 2 4 3 数字电位器的基本配置模式 数字电位器有两种配置模式，种为可调电阻器模式，另一种为分压器模式，分 别如图2 - 6 中的( a ) 、 ( b ) 所示。 d c p 足 d c pr ( b ) a ) 配置成可调电阻器 b )配置成分压器 a ) c o n f i g u r e da sa d j u s t a b l ep o t e n t i o m e t e rb ) c o n f i g u r e da sd i v i d e r 图2 - 6 数字电位器的两种配置模式 f i g 2 - 6t w oc o n f i g u r a t i o nm o d e so fd i g i t a lp o t 朗t i o m e t c r 从图( a ) 中可见，将数字电位器配置成可调电阻器时，必须考虑数字电位器的 滑动端电阻。图中，h 、l 分别为数字电位器的高端、低端，w 为滑动端的引出端。 则计算w h 端的电阻r w n 和w l 端的电阻r w l 的公式如下： r w r t = 之兰r + r w= 等w 1 3 河北科技大学硕士学位论文 r w l - - 等r + r w ( 2 - 3 ) 式中n _ h 、l 端的总电阻 r 旷骨动端电阻 肚瑚字电位器的位数 d r 对数字电位器进行编程的十进制代码，其范围是o ( 2 册一1 ) 在设置数字电位器时，可用( 2 2 ) 式、( 2 3 式) 计算电阻值。当代码为0 0 h ( 十 六进制数) 时，可将滑动端置于低端l ，此时r w l = r w 。将代码设置为较高的值，会 使滑动端向数字电位器的高端h 移动。 举例说明：对于m c p 4 1 0 1 0 型2 5 6 抽头的数字电位器，r = 1 0 1 c o ，r w = 5 2q ，m - ，8 ，2 蹦= 2 5 6 ，d n = c o h ( 十六进制数) = 1 9 2 ( 十进制数，允许范围是0 - - 2 5 5 ) 。分 别代入( 2 2 ) 式、( 2 3 ) 式中得到 r w h ( c o h ) = 等x l o kq 十5 2 q = 2 5 5 2q r w l ( c o h ) = 罴x l o k q + 5 2 q - - - 7 5 5 2 q 以上所有值均为典型值，实际值会有一定的偏差。 将数字电位器配置成分压器时，由于抽头后面接的是高阻抗电路，因此可不必 考虑滑动端电阻的影响。在图2 - 6 中的图( b ) 中，魄、观分别为h 、l 两端对地的 电压，为输出端对地的电压。则计算尺w h 和r w l 的公式为： r w h = 二r ( 2 4 ) r w l = 鲁r ( 2 - 5 ) 式中肚- h 、l 端的总电阻 伽棚字电位器的位数 d 旷_ - 对数字电位器进行编程的十进制代码，其范围是o ( 2 胁一1 ) 2 4 4 实现模拟功能计算机化的方法 目前许多领域仍在大量使用模拟器件，而计算机又只能处理数字信号【2 2 】，若能 通过数字电位器将模拟电路与计算机相连，即可实现优势互补，达到最佳功能。具 体方法是给模拟器件配上数字电位器，再通过数字电位器的接口与计算机总线相连， 由计算机控制一个或多个模拟电路的参数，实现自动调节或控制。推而广之，对于 参数依赖于电阻变化的任何模拟电路，都可通过数字电位器配计算机，这就是“将 模拟器件放到总线上”的设计思想，其示意图如图2 7 所示。 1 4 第2 章数字电位器的概述 ，i 时钟 数据 地址 图2 7 实现模拟功能计算机化的示意图 f i g 2 - 7r e a l i z ec o m p u t e r i z e ds k e t c hm a ps i m u l a t i n gp o t e n t i o m e t e r r h r w r l 模拟功能主要包括放大、调节、滤波、振荡和信号转换【2 3 1 。能实现上述功能的 电路分别为放大器、调节器、滤波器、振荡器和信号转换器。实现模拟功能计算机 化的设计思想是用计算机控制数字电位器，再用数字电位器控制模拟电路的参数， 最终实现用计算机控制模拟电路的目的。其控制流程为“计算机一数字电位器一模 拟电路一参数调整 。因此，数字电位器为模拟电路与计算机的连接提供了一个平台。 2 5 本章小结 本章对数字电位器与机械电位器的性能进行了比较分析，体现了数字电位器的 优越性远远高于机械电位器，并对数字电位器的基本原理、拓扑结构和基本配置模 式进行了分析，还对模拟功能计算机化的思想进行了介绍，这些都是数字电位器应 用设计的基础。 1 5 河北科技大学硕士学位论文 第3 章数字电位器的接口设计 数字电位器在应用时，需要通过接口电路与计算机相连，从而实现模拟功能的 计算机控制，因此在使用时，还要针对不同的数字电位器进行接口电路的设计。 本章针对数字电位器几种特殊的应用进行接口电路的设计。 3 1 数字电位器常用接口电路概述 数字电位器有8 种接口电路，包括按键式接口、单线接口、1 2 c 总线接口、三线 n 减式串行接口、二线a n 减式串行接口、s p i 总线接口、m i c r o w i r e 总线接口和二 线并行接口。 1 ) 按键式接口的特点是滑动端位置取决于两个按钮的输入状态，适用于按钮控 制的微调电阻器，通过两个控制信号进行加减计数，来手动调节数字电位器的电阻 值，不需要配微处理器，因此可降低系统的复杂程度。移动端位置可保存在非易失 性存储器中，上电后能自动恢复到原来位置。典型的m a x 5 4 5 7 就利用了这样的按键 接口。去抖动按键接口可根据按键持续时间，形成不同的调整量，用来调整中心抽 头的位置，尤其适用于音量控制。 2 ) 1 2 c 总线属于二线串行接口【1 0 1 ，基于1 2 c 总线的数字电位器内部e 2 p r o m 可在 掉电前储存滑动端的位置，具有机械电位器的工作特性。数据传输只用两根线，传 输速率高，每片芯片都有工厂预设的地址( 8 位) 。滑动端位置由写入芯片的数据决 定。由于1 2 c 总线型数字电位器输出方式是漏极开路或集电极开路的形式，所以组成 1 2 c 串行数据总线的串行数据线s d a 和串行时钟线s c l 必须经过上拉电阻接到正电源 上。s d a 和s c l 都为双向i o 口线。总线空闲时皆为高电平。1 2 c 总线型数字电位器接 收一次数据的全过程包括起始位、从机地址( 7 位) 、数据传输方向位( o ，写操作) 、 应答位( 0 ) 、命令字节( 8 位) 、应答位( 0 ) 、一个数据字节( 8 位) 、应答位( 0 ) 和 停止位。器件每收到一个字节后都要发送一个应答信号( a ) 。当全部数据都接收完 毕后，主器件应发出停止信号( p ) 。这种串行总线由一根数据线s d a 和一根时钟线 s c l 组成，按规定的通信协议进行寻址和数据传递。在电路中，数字电位器是作为被 控制的对象。在进行数据传输时，单片机作为控制器必须提供动作时钟信号、信息 传递的对象、传递的方向，并且还要告诉数字电位器开始的位置和结束的时剐川。 典型产品有x i c o r 公司生产的x 9 2 2 1 和x 9 2 4 1 数字电位器。 3 ) 单总线接口也称单线接口或“1 线接口”【2 5 】，它采用一种特殊的接口协议， 通过一根信号线，既传输数据位，又传输同步时钟，解决了控制、通信和供电，具 备电子标识、传感器、控制和存储等多种功能器件。它具有结构简单、成本低廉、 节省i o 资源、便于总线扩展和维护等优点，适用于单个主机( 单片机) 控制一个 1 6 第3 章数字电位器