资深工程师对数字电位器的理解与应用

资深工程师对数字电位器的理解与应用资深工程师对数字电位器的理解与应用 时间 2010 09 10 566 次阅读 网友评论 0 条 我要评论 收藏 数字电位器 DigitalPotenTIometer 亦称数控可编程电阻器 是一种代替 传统机械电位器 模拟电位器 的新型 CMOS 数字 模拟混合信号处理的集成电路 数字电位器采用数控方式调节电阻值的 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 可在许多 领域取代机械电位器 数字电位器一般带有总线接口 可通过单片机或逻辑电路进行编程 它适 合构成各种可编程模拟器件 如可编程增益放大器 可编程滤波器 可编程线 性稳压电源及音调 音量控制电路 真正实现了 把模拟器件放到总线上 即 单片机通过总线控制系统的模拟功能块 这一全新设计理念 目前 数字电位器正在国内外迅速推广 并大量应用于检测仪器 PC 手 机 家用电器 现代办公设备 工业控制 医疗设备等领域 1 1 基本工作原理基本工作原理 由于数字电位器可代替机械式电位器 所以二者在原理上有相似之处 数 字电位器属于集成化的三端可变电阻器件其等效电路 如图 l 所示 当数字电 位器用作分压器时 其高端 低端 滑动端分别用 VH VL VW 表示 而用作可 调电阻器时 分别用 RH RL 和 RW 表示 图 2 所示为数字电位器的内部简化电路 将 n 个阻值相同的电阻串联 每 只电阻的两端经过一个由 MOS 管构成的模拟开关相连 作为数字电位器的抽头 这种模拟开关等效于单刀单掷开关 且在数字信号的控制下每次只能有一个模 拟开关闭合 从而将串联电阻的每一个节点连接到滑动端 数字电位器的数字控制部分包括加减计数器 译码电路 保存与恢复控制 电路和不挥发存储器等 4 个数字电路模块 利用串入 并出的加 减计数器在 输入脉冲和控制信号的控制下可实现加 减计数 计数器把累计的数据直接提 供给译码电路控制开关阵列 同时也将数据传送给内部存储器保存 当外部计 数脉冲信号停止或片选信号无效后 译码电路的输出端只有一个有效 于是只 选择一个 MOS 管导通 数字控制部分的存储器是一种掉电不挥发存储器 当电路掉电后再次上电 时 数字电位器中仍保存着原有的控制数据 其中间抽头到两端点之间的电阻 值仍是上一次的调整结果 因此 数字电位器与机械式电位器的使用效果基本 相同 但是由于开关的工作采用 先连接后断开 的方式 所以在输入计数有 效期间 数字电位器的电阻值与期望值可能会有一定的差别 只有在调整结束 后才能达到期望值 从图 2 可以看出 数字电位器与机械式电位器有 2 个重要区别 1 调整过 程中 数字电位器的电阻值不是连续变化的 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 MOS 管作为开关电路 并且采用 先开后关 的控制方法 2 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 2 2 数字电位器的典型应用数字电位器的典型应用 数字电位器的应用广泛 而且按照不同的分类标准也有很多种类 但是基 本原理是相似的 这里以三线加 减式接口的数字电位器 X9313 为例 介绍数 字电位器的应用 2 2 1 1 内部结构及工作原理内部结构及工作原理 X9313 为工业级的 32 抽头数控电位器 最大阻值为 10k 采用 8 引脚 有 DIP OIC FSSOP3 种封装 X9313 的内部功能框图 如图 3 所示 它由输入 部分 5 位 E2PROM 存储和调用电路 32 选 l 译码器 由 MOS 场效应管构成的 32 路模拟开关 电阻阵列 6 部分组成 其中输入部分是 5 位加 减计数器经过 三线加 减式接口 与单片机相连 其工作像一个升 降计数器 输出经译码 控制接通某个电子开关 这样就把电阻阵列上的一个点连接到滑动输出端 电 阻阵列由 32 个等值的电阻和与之相配套的电子开关组成 根据控制端的电平 计数器的内容还可以储存到非易失存储器中以便后续使用 2 个顶脚引线分别接 VH 和 VL 中间抽头为 VW 为 3 个控制端 其中 为 片选端 为低电平时 X9313 被选中 此时才能接收的信号 在下降沿使计数 器增或减 1 如果 滑动端向 VH 方向滑动 VW 与 VH 之间的电阻减小一个阶值 反之 如果 滑动端向 VL 方向滑动 计数器输出译码后 经过 32 选 1 使滑 动端的位置沿电阻阵列移动 当计数器达到某个极端 00000 或 11111 时 不会 循环回复 从 00000 自动变成 1111l 或从 11111 变成 00000 也就是说当为高 电平而也为高电平时 计数器的值存储到非易失存储器中 系统上电时 器件 自动将非易失性存储器中的值送到计数器 作为计数器的输出 2 2 2 2 典型应用典型应用 2 2 2 2 1 1 手控调压电路手控调压电路 图 4 所示为 将 VH 端接 5V VL 接地 从 VW 端输出 0 5V 的可调电压 R1 R2 为上拉电阻 只要按动开关 S1 输出电压就升高 每按一次电压升高 0 05V 最高可达 5V 如果按住 S2 即为低电平 此时按 S1 则每按一次电压降 低 0 05V 2 2 2 2 2 2 X9313X9313 与单片机的接口电路与单片机的接口电路 这里以常用的 AT89C2051 单片机为例介绍数字电位器与单片机的接口电路 电位器的 3 个控制端分别接 AT89C2051 的 P1 7 P1 6 和 P1 5 由 R1 C1 构成上电复位电路 C2 C3 和石英晶体 JT 构成晶振电路 因为单片机 I O 端 口内部已有上拉电阻 所以上电时上述控制端均为高电平 电位器处于待机状 态 此时应用和上例相同 相关程序代码如下 相关程序代码如下 上面的程序实现了使 UD 为高电平 此时给数字电位器发送 50 个脉冲 增 大电阻使高低端之间电压为 2 5V 通过单片机传给数字电位器脉冲信号来控 制数字电位器的大小 从而方便而精确地改变电阻值 但是在实际应用中 要 注意对数字电位器的误差进行分析和补偿 3 3 结束语结束语 数字电位器是一种颇具发展前景的新型电子器件 在许多领域可取代传统 的机械电位器 其优点为 调节精度高 无噪声 工作寿命极长 无机械磨损 数据可读写 具有配置寄存器及数据寄存器 多电平量存储功能 它广泛应用 于仪器仪表 计算机及通信设备 家用电器 医疗保健