數(shù)字電位器很優(yōu)秀連這個問題也克服了

電子工程世界 2023-08-03 07:30

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幾十年來，機械式電位器一直用在從電路微調到音量控制的各種應用中。然而，機械式電位器有其局限性：滑臂可能會磨損，容易受潮，也有可能被意外移出設定位置。此外，隨著全球數(shù)字化轉型，設計者需要一種替代方案，以滿足更精確的控制和高可靠性要求，以及能夠靈活地通過固件進行遠程調節(jié)。

數(shù)字式電位器 IC 通常被稱為數(shù)字電位器，是連通數(shù)字和模擬電阻世界的橋梁，讓上述問題迎刃而解。作為一種兼容微控制器的全電子器件，數(shù)字電位器可通過處理器和軟件來控制、設置和改變其電阻值或分壓比。

數(shù)字電位器擁有機械式電位器無法比擬的特點和功能，并且數(shù)字電位器不需要滑臂，因此更加堅固可靠。數(shù)字電位器可防止被故意或意外調節(jié)，從而避免了莫名其妙的性能變化。這種器件的應用不計其數(shù)，包括 LED 熱穩(wěn)定、LED 調光、閉環(huán)增益控制、音量調節(jié)、校準、用于傳感器的惠斯通電橋微調、控制電流源和調節(jié)可編程模擬濾波器等。

本文將簡要介紹電位器及其向數(shù)字電位器的演變。然后，以?Analog Devices、Maxim Integrated、Microchip Technology?和?Texas Instruments?的器件為例，介紹數(shù)字電位器的操作、基本和高級配置，以及如何解決電路調節(jié)問題。本文將展示這些器件的功能、特性、性能和選項如何用于簡化電路，使電路與處理器兼容并減少甚至消除對笨重、不太可靠的機械電位器的需求。

電位器的基礎知識

電位器在電力和電子學的最早期就已經(jīng)是一個重要的無源電路組件。電位器是一種三端子設備，帶有一個可訪問的電阻元件，可通過旋轉軸上用戶可設置的滑動臂實現(xiàn)分壓功能。電位器已用于無數(shù)的模擬和混合信號電路，能滿足各種各樣的應用要求（圖 1）。

圖 1：標準電位器是一個可由用戶設置的帶轉軸可變電阻器。（圖片來源：etechnog.com）

當滑臂沿著電阻元件旋轉和滑動時，任何一端的觸頭和可調滑臂之間的電路電阻從零歐姆（標稱）到導線或薄膜電阻的全額定值之間變化。大多數(shù)電位器的旋轉范圍約為 270 至 300 度，典型的機械分辨率和重復性約為滿量程值的 0.5% 和 1%（分別為 1/200和 1/100 之間）。

請注意，電位器和其最初的同類器件——變阻器之間有一個輕微但明顯的重要區(qū)別。電位器是一個作為分壓器的三端設備（圖 2，左），而變阻器是一個兩端可調的電阻，用于控制電流流動。連接電位器通常是為了創(chuàng)建一個變阻器，有三種類似的連接方式，即留出其中的一個端子，不做任何調節(jié)，或者直接將其與滑臂連接（圖 2，右）。

圖 2：可以很方便地用三種連接方法中的任何一種來連接帶有端子 A 和 B 以及滑臂 W 的電位器（左），將其用作變阻器（右）。（圖片來源：Analog Devices）

數(shù)字電位器：IC 形式的電位器

全電子數(shù)字電位器仿真了機電式電位器的功能，但這是通過一個沒有活動部件的集成電路來實現(xiàn)的。數(shù)字電位器可接受多種格式的數(shù)字代碼，并確立一個相應的電阻值。因此，這種器件有時被稱為電阻式數(shù)模轉換器 (RDAC)。

在傳統(tǒng)電位器中，可以用手（有時甚至是小型電機）來設定滑臂位置，以此設置分壓比。然而，在數(shù)字電位器中，計算機控制器通過數(shù)字接口與數(shù)字電位器 IC 連接，并建立一個與滑臂位置等效的數(shù)值（圖 3）。

圖 3：數(shù)字電位器IC 用一個以數(shù)字方式設置的電子開關來模擬機械式滑臂，從而取代了手動設置式電位器。（圖片來源：Circuits101，修改版)

數(shù)字電位器使用標準的 CMOS 集成電路技術，不需要特殊的制造或處理工藝。表面貼裝數(shù)字電位器 IC 的尺寸通常為 3×3 mm 或更小，遠小于旋鈕式電位器或甚至是需要用小型螺絲刀調節(jié)的微調電位器；在 PC 板生產(chǎn)方面，這種 IC 的處理方式與任何其他表面貼裝技術 (SMT) 集成電路相同。

數(shù)字電位器的內部拓撲結構大體上由一個簡單的串聯(lián)電阻串組成，并且在滑臂和這些電阻之間有可數(shù)字尋址電子開關。發(fā)出數(shù)字指令時相應的開關閉合，而其他開關則斷開，從而確立所需的滑臂位置。這種拓撲結構實際上有一些不足，包括需要大量的電阻、開關以及較大的芯片尺寸。

為了最大限度地減少這些問題，供應商已經(jīng)設計了各種巧妙的電阻器和開關布局，在確保具有相同效果的情況下減少電阻和開關的數(shù)量。以上每一種拓撲結構都會導致在數(shù)字電位器如何確定范圍及其二季特性方面的小差異，但對用戶來說絕大部分差異都是透明的。在下文中，我們將用“電位器”表示機電式電位器，用“數(shù)字電位器”表示全電子式電位器。

數(shù)字電位器具有一系列規(guī)格、功能

與任何組件一樣，在選擇數(shù)字電位器時也有主要參數(shù)和次要參數(shù)需要考慮。排名靠前的問題是標稱電阻值、分辨率和數(shù)字接口的類型，同時需要考慮的因素包括容差和誤差源、電壓范圍、帶寬和失真。

所需的電阻值，通常稱為端到端電阻，由電路的設計考慮事項決定。供應商以 1/2/5 的順序提供 5 kΩ 和 100kΩ 之間的電阻值，還有一些其他中間值。此外，還有一些具有擴展范圍的器件，可低至 1 kΩ 或者高至 1 MΩ。
分辨率定義了數(shù)字電位器能夠提供多少個離散式步進或抽頭設定值，范圍從 32 到 1024 步，以使設計者能夠滿足應用需要。請記住，即使是一個中程 256 步（8 位）數(shù)字電位器的分辨率也比電位器高。
微控制器和數(shù)字電位器之間的數(shù)字接口采用標準的串行 SPI、I2C 格式，還有地址引腳，這樣就可以通過一條總線連接多個設備。微控制器使用一個簡單的數(shù)據(jù)編碼方案來指示所需的電阻設置。諸如 Texas Instruments 的?TPL0501?器件便是此類極簡型數(shù)字電位器。這是一種具有 SPI 接口的 256 抽頭數(shù)字電位器，非常適合功率耗散和尺寸至關重要的情況（圖 4）。該器件采用節(jié)省空間的 8 針 SOT-23（1.50 mm × 1.50 mm）和 8 針 UQFN（1.63 mm × 2.90 mm）封裝。

圖4：像 Texas Instruments 的 TPL0501 這樣具有 SPI 接口的基本型數(shù)字電位器，對于不需要更多功能的空間和功率受限型應用來說是一種有效的器件。（圖片來源：Texas Instruments）

例如，在實際中可將其用于臨床級可穿戴醫(yī)療設備，如血氧儀和傳感器補片。該器件在本例中搭配使用TI 的OPA320?運算放大器（圖 5）。通過組合這兩種器件，可以構建一個分壓器，用于控制提供數(shù)模轉換器 (DAC) 輸出的放大器增益。很明顯有人會問，為什么不簡單地使用一個完整的標準 DAC？具體原因是，這種臨床應用需要高精度、軌至軌模擬輸出，具有高共模抑制比 (CMRR) 和低噪聲。為此，OPA320 的這兩個指標在10 kHz 時分別為 114 dB 和7 nV/√Hz。

圖 5：數(shù)字電位器可與精密運算放大器（如 TI 的 OPA320）配合使用，創(chuàng)建一個其運算放大器輸出性能超凡的 DAC。（圖片來源：Texas Instruments）

此外，還有一些數(shù)字電位器接口變化，可簡化其在手動式音量控制器等應用中的使用。另外兩個選擇是按鈕和上/下 (U/D) 接口。使用按鈕時，用戶可以按下兩個按鈕中任意一個：一個用于增加電阻，另一個用于減少電阻。請注意，該操作過程中沒有處理器參與（圖 6）。

圖 6：采用按鈕式接口時，允許在兩個手動按鈕之間進行無處理器連接，因此可以直接增加/減少數(shù)字電位器的設置。（圖片來源：Analog Devices）

U/D 接口可以用最小的軟件開銷來實現(xiàn)，并通過一個簡單的旋轉編碼器或與處理器相連的按鈕來觸發(fā)，使用諸如 Microchip Technology 的?MCP4011?等數(shù)字電位器來實現(xiàn)。這是一個基本的 64 步（6位）器件，其電阻值為 2.1 kW、5 kW、10 kW 和 50 kW（圖 7）。

圖 7：像 Microchip Technology 的 MCP4011 這種具有邊沿驅動式 U/D 控制線路和芯片選擇的數(shù)字電位器，只需主微控制器提供最少的 I/O 和軟件資源。（圖片來源：Microchip Technology，有修改）

該器件使用單一的高電平或低電平邊沿觸發(fā)，再加上芯片選擇，來增加或減少電阻增量（圖 8）。這樣，就可以簡單地實現(xiàn)一個旋鈕，看起來就像傳統(tǒng)的音量控制器，與電位器沒有任何關系，但又有數(shù)字電位器的各種優(yōu)勢。

圖 8：數(shù)字電位器的U/D 接口支持使用來自低分辨率編碼器的觸發(fā)器對電阻值進行邊緣觸發(fā)式增減。（圖片來源：Microchip Technology）

數(shù)字電位器的容差可能會是一個問題，因為容差通常在額定值的 ±10 和 ±20% 之間，這個范圍在許多比率測量或閉環(huán)情況下是可以接受的。然而，如果數(shù)字電位器與外部分立電阻器或開環(huán)應用中的傳感器相匹配，容差就可能是一個關鍵參數(shù)。因此，有的標準數(shù)字電位器具有更嚴格的容差，可低至 ±1%。當然，與所有的 IC 一樣，電阻溫度系數(shù)、與溫度有關的漂移也可能是一個因素。供應商在他們的規(guī)格書中規(guī)定了這個數(shù)字，這樣設計者就可以通過 Spice 等電路模型來評估其影響。其他緊容差選擇將在下文將討論。

盡管在如校準或偏置點設置等靜態(tài)應用中帶寬和失真不是同一個考慮因素，但在音頻及相關應用中卻是一個問題。特定代碼的電阻路徑與開關寄生、引腳和電路板電容相結合，會形成一個電阻電容 (RC) 低通濾波器。較小的端對端電阻值產(chǎn)生較高的帶寬，1 kΩ 數(shù)字電位器的帶寬可達約 5 MHz，1 MΩ 數(shù)字電位器則低至5 kHz。

相比之下，總諧波失真 (THD) 很大程度上是由于不同的應用信號水平下電阻的非線性造成的。端對端電阻值較大的數(shù)字電位器減少了內部開關電阻相對于總電阻的貢獻，從而使 THD 更低。因此，帶寬與 THD 的關系是設計者在選擇標稱數(shù)字電位器值時必須優(yōu)先考慮和權衡的一個因素。典型值范圍為從 20 kΩ 數(shù)字電位器的 -93dB，到 100 kΩ 數(shù)字電位器的 -105dB。

數(shù)字電位器的雙重、四重和線性與對數(shù)變化之比較

除了“免手動”可控性能外，數(shù)字電位器更加簡單，易于設計導入且成本遠低于電位器。數(shù)字電位器的其他功能：

在兩個電阻值必須獨立調節(jié)時，雙重數(shù)字電位器便很有用，而且當二者必須為同一數(shù)值則優(yōu)勢更加明顯。雖然可以使用兩個獨立的數(shù)字電位器 IC，但雙重器件還有可以跟蹤電阻值的優(yōu)勢，盡管會存在容差和漂移；也可以使用四重數(shù)字電位器。
線性與對數(shù) (log) 設置：雖然調節(jié)和校準應用通常要求數(shù)字編碼和合成電阻值之間是線性關系，但對數(shù)關系有利于許多音頻應用，可以更好地適應音頻情況下所需的分貝調節(jié)。

為滿足這一需求，設計人員可以使用對數(shù)型數(shù)字電位器，如 Maxim Integrated Products?的DS1881E-050+。這種雙通道器件采用 5 V 單電源供電，其端到端電阻為 45 kΩ，具有 I2C 接口和地址引腳，允許在總線上連接多達八個器件。在兩個通道中，每個通道的電阻值都可獨立設置，并且為用戶提供了多個可選的配置設定值；基本配置為 63 步，每步衰減 1 dB，從 0 dB 到 -62 dB，以及靜音功能（圖 9）。

圖 9：Maxim DS1881E-050+ 雙通道數(shù)碼相機設計用于音頻信號路徑，在 63dB 范圍內增益設置為 1dB/步。（圖片來源：Maxim Integrated Products）

DS1881E-050+ 能夠最大限度地減少串擾，且兩個通道提供 0.5 dB 通道間匹配，以最大限度地減少它們之間的音量差異。該器件還實現(xiàn)了可防止出現(xiàn)可聞咔噠聲的過零電阻切換，并包括非易失性存儲器；其一般效用將在下文討論。

數(shù)字電位器能夠應對的最大電壓也是一個考慮因素。低電壓數(shù)字電位器可在低至 +2.5 V（或 ±2.5 V 雙極）電源軌上工作，而更高電壓的數(shù)字電位器，如Microchip Technology 的?MCP41HV31——一款 50 kΩ、128 個抽頭的 SPI 接口器件，可在高達 36 V（±18 V）的電源軌上工作。

非易失性存儲器協(xié)助電源復位

基本的數(shù)字電位器有很多優(yōu)點，但與電位器相比有一個不足無法避免：數(shù)字電位器的設置在斷電后會丟失，而且其上電復位 (POR) 位置是由自身設計設定的，通常在中程部分。不幸的是，對于許多應用來說，這種POR 設置不可接受?？紤]校準設置：一旦確定就應該保留，直到有意去調節(jié)，即使是切斷線路電源或更換電池也是如此；此外，在許多應用中，“正確”設置是在斷電時最后使用的設置。

因此，電位器還能繼續(xù)使用的原因之一是，它們的設置在電源復位時不會丟失；不過數(shù)字電位器已經(jīng)消除了這一缺陷。最初常見的設計是讓系統(tǒng)處理器在運行期間回讀數(shù)字電位器的設置，然后在上電時重新加載。然而，這樣做造成會開機故障，對系統(tǒng)的完整性和性能來說往往是不可接受的。

為解決這一問題，供應商在數(shù)字電位器中使用基于 EEPROM 的非易失性存儲器 (NVM) 技術。有了 NVM，數(shù)字電位器在電源關閉時可保留其最后設置的滑臂位置，而一次性可編程 (OTP) 版本則允許設計者將滑臂的上電復位 (POR) 位置設置為預先定義的值。

NVM 增強了其他方面的性能。例如，Analog Devices 的?AD5141BCPZ10?電阻容差誤差存儲在其 EEPROM 存儲器中（圖 10）。該器件是一款單通道、128/256 位、可重寫的非易失性數(shù)字電位器，支持 I2C 和 SPI 接口。使用已保存的容差值，設計者可以計算出端到端電阻的實際值，精確度為 0.01%，從而定義“滑臂上方”部分和“滑臂下方”部分的數(shù)字電位器分段比率。這種精度比沒有采用 NVM 的數(shù)字電位器的 1% 精度高一百倍。

圖 10：Analog Devices 的 AD5141BCPZ10 數(shù)字電位器集成了可重寫的非易失性存儲器 (EEPROM)，可用于保存所需的上電復位設置，以及自身電阻器陣列的校準系數(shù)。（圖片來源：Analog Devices）

這種線性增益設置模式允許通過?RAW?和?RWB?電阻串對數(shù)字電位器端子之間的電阻值進行獨立設置，可實現(xiàn)高精確度電阻匹配（圖 11）。例如，反相放大器拓撲結構經(jīng)常需要如此之高的精度，在這種拓撲結構中，增益是由兩個電阻的比率決定的。

圖11：對于使用精確的電阻比來設置放大器增益的電路來說，數(shù)字電位器中的 NVM 也可以用來保存滑臂上方和下方的校準電阻值。（圖片來源：Analog Devices）

警惕數(shù)字電位器的特異性

雖然在傳統(tǒng)設備不太理想或不實用的情況下，數(shù)字電位器被廣泛用于取代傳統(tǒng)器件，但他們確實有一些需要引起設計者注意的特性。例如，電位器的金屬滑臂與電阻元件接觸時接觸電阻幾乎為零，且溫度系數(shù)通?？梢院雎浴Ｈ欢?，對數(shù)字電位器來說，滑臂則是一個 CMOS 元件，其電阻雖小，但意義大，具體為幾十歐到 1 kΩ 范圍內。如果 1 mA 電流通過 1kΩ 的滑臂，那么滑臂上產(chǎn)生的 1 V 電壓降可能會限制輸出信號的動態(tài)范圍。

此外，該滑臂的電阻是所施加電壓和溫度的函數(shù)，所以導致了非線性，從而使信號路徑中的交流信號失真?；鄣牡湫蜏囟认禂?shù)約為百萬分之 300 每攝氏度 (ppm/?C)，這可能很重要，在進行高精度設計時應將其考慮在誤差預算中。數(shù)字電位器型號也具有更低的系數(shù)。

結語

數(shù)字電位器是一種數(shù)字設置的 IC，在許多系統(tǒng)結構和電路設計中取代了經(jīng)典的機電式電位器。數(shù)字電位器不僅減少了產(chǎn)品尺寸和因意外移動而出錯的可能性，而且還增加了與處理器的兼容性，從而增加了軟件的兼容性，還具有更高的精度和分辨率（如果需要）以及其他的有用功能。

如圖所示，數(shù)字電位器具有廣泛的標稱電阻值、步長和精度，而增加的非易失性存儲器又擴展了其功能，并克服了在許多應用中使用時的一個重要障礙。

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