理解和應(yīng)用數(shù)字電位器

屈志磊

（天津大學(xué) 電子信息工程學(xué)院，天津 300072）

數(shù)字電位器是采用CMOS工藝制成的數(shù)模混合信號(hào)處理集成電路，也稱數(shù)控可編程電阻器。采用是數(shù)控方式調(diào)節(jié)電阻值大小，多用多晶硅或薄膜電阻材料[1]，從而有使用靈活、調(diào)節(jié)精度高、無觸點(diǎn)、低噪聲等特點(diǎn)。同時(shí)有體積小、節(jié)省印制板空間，易于安裝，不易污損、抗振動(dòng)、抗干擾、壽命長、不易受環(huán)境溫度影響等優(yōu)點(diǎn)[2]。基于上述內(nèi)容，數(shù)字電位器已被廣泛用于醫(yī)療保健設(shè)備、儀器儀表、通信設(shè)備、工業(yè)控制、家用電器、數(shù)碼產(chǎn)品等各領(lǐng)域[3]。

1 數(shù)字電位器簡介

1.1 主要特點(diǎn)

數(shù)字電位器是一種有發(fā)展前景的新型器件。與機(jī)械電位器相比，具有許多優(yōu)點(diǎn)，見表1[4]，所以在許多領(lǐng)域可取代機(jī)械電位器。任何用電阻進(jìn)行參數(shù)調(diào)整、校準(zhǔn)或控制的領(lǐng)域，都可用數(shù)字電位器構(gòu)成可編程模擬電路進(jìn)而進(jìn)行調(diào)整。除上述特點(diǎn)外，其特點(diǎn)有：

1）數(shù)模混合信號(hào)產(chǎn)品，是一種特殊形式數(shù)模轉(zhuǎn)換器（DAC）[5]，由數(shù)字控制電路、存儲(chǔ)器和RDAC電路組成。其中，RDAC是數(shù)字電位器重要組成部分[6]，由電阻數(shù)-模轉(zhuǎn)換器電路構(gòu)成。

2）分辨率與內(nèi)部 RDAC位數(shù)有關(guān)（見表2[4]），RDAC位數(shù)越多，分辨率越高；

3）自身有控制接口、存儲(chǔ)器和電阻系統(tǒng)，同時(shí)內(nèi)部有非易失性（Non-volatile）存儲(chǔ)器EEPROM，用戶可對(duì)其進(jìn)行讀寫操作，并通過軟件控制接口對(duì)其阻值進(jìn)行編程；

4）利用數(shù)字電位器可實(shí)現(xiàn)模擬電路中對(duì)電阻、電壓或電流的數(shù)字控制及調(diào)整；

5）允許將幾個(gè)數(shù)字電位器進(jìn)行串、并聯(lián)或混聯(lián)；

6）受制作工藝影響，總電阻一致性較差，一般有15%～30%偏差；

7）低電壓、低功耗、超小型化、工作溫度范圍寬。

1.2 主要參數(shù)

1）電源電壓范圍 最高、最低工作電壓之差。該范圍一般為 2.5～5.5 V。

2）端電壓 加在高端和低端的電壓。一般端電壓在0～VCC范圍內(nèi)。

表1 數(shù)字電位器與機(jī)械電位器性能比較Tab.1 Performance comparison between digital potentiometer and mechanical potentiometer

表2 RDAC位數(shù)與分辨率、抽頭數(shù)的關(guān)系Tab.2 Relation between RDAC&resolution&taps

3）分辨率 所能分辨的最小電阻值與總電阻的比，常用百分比表示。

4）抽頭數(shù) 用來調(diào)節(jié)電阻值引出端個(gè)數(shù)。如n bit，則抽頭數(shù)為。5）標(biāo)稱電阻公差 實(shí)際電阻偏差值與理想值的百分比。6）滑動(dòng)端電阻 內(nèi)部模擬開關(guān)導(dǎo)通電阻，該電阻值與內(nèi)部電路結(jié)構(gòu)及端電壓有關(guān)。

7）帶寬 頻帶寬度簡稱帶寬，亦稱通頻帶，描述頻率響應(yīng)的指標(biāo)。有3種表示方式：-3 dB帶寬、單位增益帶寬、增益帶寬乘積。

8）接口 指與微處理器或單片機(jī)連接的電路。

9）穩(wěn)定時(shí)間 控制編碼從最小值逐漸變化到最大值時(shí)，數(shù)字電位器達(dá)到穩(wěn)定所需要的時(shí)間，一般為幾微妙。

10）電阻噪聲電壓 在某一頻率帶寬范圍內(nèi)，由內(nèi)部電阻產(chǎn)生的隨機(jī)噪聲，其單位是μV/Hz。

1.3 主要分類

生產(chǎn)數(shù)字電位器的公司較多，其種類和型號(hào)較多，功能也各不相同。根據(jù)不同的類別，其分類也不同。常見分類如下：

1）按抽頭數(shù)分類 抽頭數(shù)即內(nèi)部模擬開關(guān)數(shù)量，值為2n，單元電阻個(gè)數(shù)為抽頭數(shù)減1。按抽頭數(shù)劃分，則有16、32、64抽頭。抽頭數(shù)越高，調(diào)節(jié)精度越高，分辨率越高，輸出電阻誤差越小。

2）按滑動(dòng)端分類 滑動(dòng)端個(gè)數(shù)有3種：1個(gè)滑動(dòng)端A、2個(gè)滑動(dòng)端A和W、3個(gè)滑動(dòng)端A、W和B。

3） 按總阻值分類 總阻值主要有 1 kΩ、10 kΩ、20 kΩ、50 kΩ、100 kΩ等，如AD5272數(shù)字電位器電阻有3種規(guī)格：20 kΩ、50 kΩ、100 kΩ。

4）按芯片是否含非易失性存儲(chǔ)器分類 主要有3類：①非易失性（Non-Volatile），斷電后滑動(dòng)端位置自動(dòng)保存；②易失性（Volatile），斷電后滑動(dòng)端位置不能保存；③一次性可編程（One Time Programmable，OTP），滑動(dòng)端位置一旦設(shè)定，位置不可更改。

5）按接口分類 常見接口：單線接口、I2C接口、SPI接口。

2 數(shù)字電位器基本工作原理

數(shù)字電位器屬集成化三端可變電阻器件，等效電路如圖1所示。當(dāng)數(shù)字電位器作分壓器使用時(shí)，其高、低、滑動(dòng)端電壓分別用UH、UL、UW表示；作可調(diào)電阻器使用時(shí)，其高、低、滑動(dòng)端電阻分別用 RH、RL、RW表示。

圖1 等效電路Fig.1 Equivalent circuit of digital potentiometer

數(shù)字電位器數(shù)字控制部分包括加減計(jì)數(shù)器、譯碼電路、保存與恢復(fù)控制電路和非易失性存儲(chǔ)器等4個(gè)電路模塊。將n個(gè)阻值相同或不同電阻串聯(lián)在UH、UL端之間，每個(gè)電阻兩端分別經(jīng)過一個(gè)由CMOS管而構(gòu)成模擬開關(guān)連在一起，作為數(shù)字電位器抽頭，在數(shù)字信號(hào)控制下每次只能有一個(gè)模擬開關(guān)閉合，從而將串聯(lián)電阻的一個(gè)節(jié)點(diǎn)連接到滑動(dòng)端。亦即，當(dāng)外部計(jì)數(shù)脈沖信號(hào)停止或片選信號(hào)無效后，譯碼電路輸出端只有一個(gè)有效，故只選擇一個(gè)MOS管導(dǎo)通。數(shù)字電位器的內(nèi)部簡化電路，如圖2所示。

圖2 內(nèi)部簡化電路Fig.2 Simplified internal circuit of digital potentiometer

數(shù)字控制部分的存儲(chǔ)器是一種斷電非易失性存儲(chǔ)器，電路再次上電時(shí)，數(shù)字電位器中仍保存著原有控制數(shù)據(jù)，其中間抽頭到兩端點(diǎn)之間的電阻值仍是上一次的調(diào)整結(jié)果。

3 典型數(shù)字電位器

數(shù)字電位器通信接口有3種。現(xiàn)用I2C接口的AD5272介紹數(shù)字電位器的應(yīng)用。

I2C總線速度高達(dá)400kbps，其包含有兩根總線：串行數(shù)據(jù)線SDA和串行時(shí)鐘線SCL，它們必須加上拉電阻然后接到正電源。同時(shí)，SCL及SDA皆是雙向I/O線，總線閑時(shí)兩線為高電平[7]。總線上最大器件數(shù)受規(guī)定上升和下降時(shí)間限制，上升和下降時(shí)間分別不能超過300 ns和100 ns[8]。

AD5272（其內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖3所示）是ADI公司生產(chǎn)的一種集成數(shù)字電位器。其為單通道、1024抽頭、非易失性存儲(chǔ)器，具有20 kΩ、50 kΩ以及100 kΩ 3種標(biāo)稱阻值，可以對(duì)芯片進(jìn)行多次擦除編程。AD5272具有I2C總線接口，從而可以實(shí)現(xiàn)寄存器映射、改變滑片位置等操作[9]，同時(shí)芯片采用10引腳小外形封裝（MSOP），AD5272工作電壓為 2.7～5.5 V。

圖3 AD5272內(nèi)部結(jié)構(gòu)Fig.3 Internal circuit of AD5272

一個(gè)AD5272芯片內(nèi)部結(jié)構(gòu)含有：I2C總線接口、SDA串行數(shù)據(jù)線、SCL串行時(shí)鐘線、RDAC寄存器以及50-TP存儲(chǔ)區(qū)。

AD5272的步進(jìn)電阻值為：

其中，RAB為A端與B端之間的阻值大小。

AD5272測量電阻值為：

其中，RWB為W端與B端之間的阻值大小，N為步進(jìn)數(shù)。

4 系統(tǒng)電路總體架構(gòu)

數(shù)字電位器通過其接口I2C方式與MCU連接，實(shí)現(xiàn)應(yīng)用程控調(diào)節(jié)，從而可以實(shí)現(xiàn)電壓、電阻調(diào)節(jié)功能的特殊集成電路[4]。本文采用常見單片機(jī)AT89S52。電路結(jié)構(gòu)圖如圖4所示。

由AT89S52控制AD5272，數(shù)字電位器的SCL、SDA分別與AT89S52端口P2.0、P2.1相連接；同時(shí)由5.1 kΩ電阻構(gòu)成上拉電路，將 SCL及 SDA接于 VCC；將 RESET端與 1 kΩ 電阻連接，然后上接 VCC；將 EXT_CAP端與 VSS端之間接 1 μF電容；將地址端ADDR接于VCC，再由AD5272手冊(cè)中可讀出設(shè)備地址，從而方便寫出I2C設(shè)備地址，便于對(duì)I2C設(shè)備進(jìn)行操作。

圖4 數(shù)字電位器AD5272與單片機(jī)AT89S52接口電路Fig.4 Interface circuit between AD5272 and MCU

通過單片機(jī)傳給數(shù)字電位器脈沖信號(hào)控制數(shù)字電位器大小，從而方便而精確地改變電阻值，也可以得到數(shù)字電位器的分壓作用。本文中數(shù)字電位器AD5272提供5 V電壓，測量隨著脈沖的變化得到的VA、VW以及VAW間的電壓，從而可以得到精確地電阻變化值。

5 結(jié)束語

數(shù)字電位器優(yōu)點(diǎn)及通過簡單電路實(shí)現(xiàn)其應(yīng)用，這使得它能與數(shù)字電路及其他單片機(jī)簡易結(jié)合在一起，導(dǎo)致數(shù)字電位器應(yīng)用領(lǐng)域越來越來廣泛，進(jìn)而取代機(jī)械電位器。

由于每片數(shù)字電位器芯片內(nèi)部的布局、技術(shù)架構(gòu)，這導(dǎo)致其抽頭數(shù)有限，常見的單片芯片最多可達(dá)1024個(gè)抽頭，即相當(dāng)于最高分辨率為10bit DAC[10]。現(xiàn)在，DAC位數(shù)和價(jià)格呈正比，因此低成本架構(gòu)從而提高數(shù)字電位器抽頭數(shù)的電路設(shè)計(jì)更為經(jīng)濟(jì)實(shí)用。可以用單片較低分辨率數(shù)字電位器芯片，通過多路選擇器、單片機(jī)的設(shè)計(jì)電路實(shí)現(xiàn)提高電阻值或分辨率，這些設(shè)計(jì)都可以實(shí)現(xiàn)并驗(yàn)證低成本架構(gòu)電路的實(shí)用性、經(jīng)濟(jì)性的特點(diǎn)。

[1]梁光輝.理解和應(yīng)用數(shù)字電位器 [J].科協(xié)論壇，2009（7）:22-23.

LIANG Guang-hui.Understanding and application of digital potentiometer[J].Science&Technology Association Forum，2009（7）:22-23.

[2]孫耀杰，杜森，王國君，等.數(shù)字電位器的研究和應(yīng)用[J].電子設(shè)計(jì)工程，2010，18（6）:161-163.

SUN Yao-jie，DU Sen，WANG Guo-jun，et al.Research and application of digital potentiometer[J].Electronic Design Engineering，2010，18（6）:161-163.

[3]張國晨.基于數(shù)字電位器的直流偏置技術(shù)[J].電子科技，2011，24（7）:10-15.

ZHANG Guo-chen.DC bias technology based on digital potentiometers[J].Electronic Sci.&Tech，2011，24（7）:10-15.

[4]張麗榮.數(shù)字電位器的優(yōu)化設(shè)計(jì)及應(yīng)用研究 [D].河北：河北科技大學(xué)，2008.

[5]曾英平.軟件實(shí)現(xiàn)高分辨率的非易失性數(shù)字電位器的方法[J].今日電子，2005（8）：59-60.

ZENG Ying-ping.Software for high-resolution non-volatile digital potentiometer methods[J].Nowdays Electronic，2005（8）:59-60.

[6]趙葵銀，唐勇奇.數(shù)字電位器及其應(yīng)用[J].電子元件與材料，2000，19（6） :20-21.

ZHAO Kui-yin，TANG Yong-qi.Digital potentiometers and its application [J].Electronic Components and Materials，2000，19（6） :20-21.

[7]隋傳國.繽紛的數(shù)字電位器世界[J].電子設(shè)計(jì)工程，2005（6）：64-66.

SUI Chuan-guo.World of colorful digital potentiometers[J].Electronic Design Engineering，2005（6）:64-66.

[8]潘琢金，施國君.C8051FXXX高速SOC單片機(jī)原理及應(yīng)用[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2002.

[9]鄭偉，劉文耀，王金濤，等.X9241數(shù)字電位器的原理及在DSP中的應(yīng)用[J].電子設(shè)計(jì)工程，2002（5）:18-20.

ZHENG Wei，LIU Wen-yao，WANG Jin-tao，et al.Principle of digital potentiometer X9241 and its application with DSP[J].Electronic Design Engineering，2002（5）:18-20.

[10]Wagner R.D/A轉(zhuǎn)換器和數(shù)字電位器的對(duì)比[J].電子資訊，2008（12）:15-16.

Wagner R.DAC Comparison with digital potentiometer[J].Electronic information，2008（12）:15-16.