數(shù)字電位器?數(shù)字電位器(DigitalPotentiometer)亦稱數(shù)控可編程電阻器，是一種取代傳統(tǒng)機械電位器(模擬電位器)的新式CMOS數(shù)字、模擬混淆信號辦理的集成電路。數(shù)字電位器采納數(shù)控方式調(diào)理電阻值的，擁有使用靈巧、調(diào)理精度高、無觸點、低噪聲、不易污損、抗振動、抗擾亂、體積小、壽命長等顯著長處，可在很多領(lǐng)域取代機械電位器。??

數(shù)字電位器的特色數(shù)字電位器的特色是:壽命長(因無機械觸點)、工作靠譜、性能穩(wěn)固、耐振動、體積小，能和數(shù)字電路或單片靈巧活地聯(lián)合在一同。數(shù)字電位器工作原理因為數(shù)字電位器可取代機械式電位器，所以二者在原理上有相像之處。數(shù)字電位器屬于集成化的三端可變電阻器件其等效電路，如圖1所示。當數(shù)字電位器用作分壓器時，其高端、低端、滑動端分別用VH、VL、VW表示；而用作可調(diào)電阻器時，分別用RH、RL和RW表示。圖2所示為數(shù)字電位器的內(nèi)部簡化電路，將n個阻值同樣的電阻串連，每只電阻的兩頭經(jīng)過一個由MOS管組成的模擬開關(guān)相連，作為數(shù)字電位器的抽頭。這類模擬開關(guān)等效于單刀單擲開關(guān)，且在數(shù)字信號的控制下每次只好有一個模擬開封閉合，進而將串連電阻的每一個節(jié)點連結(jié)到滑動端。數(shù)字電位器的數(shù)字控制部分包含加減計數(shù)器、譯碼電路、保留和恢復控制電路和不揮發(fā)儲存器等4個數(shù)字電路模塊。利用串入、并出的加／減計數(shù)器在輸入脈沖和控制信號的控制下可實現(xiàn)加／減計數(shù)，計數(shù)器把累計的數(shù)據(jù)直接供應(yīng)給譯碼電路控制開關(guān)陣列，同時也將數(shù)據(jù)傳遞給內(nèi)部儲存器保留。當外面計數(shù)脈沖信號停止或片選信號無效后，譯碼電路的輸出端只有一個有效，于是只選擇一個MOS管導通。數(shù)字控制部分的儲存器是一種掉電不揮發(fā)儲存器，當電路掉電后再次上電時，

數(shù)字電位器中仍保留著原有的控制數(shù)據(jù)，此中間抽頭到兩頭點之間的電阻值還是前一次的調(diào)整結(jié)果。所以，數(shù)字電位器和機械式電位器的使用成效基真同樣。可是因為開關(guān)的工作采納

“先連結(jié)后斷開”的方式，所以在輸入計數(shù)有效時期，數(shù)字電位器的電阻值和希望值可能會有必定的差異，只有在調(diào)整結(jié)束后才能達到希望值。從圖2能夠看出，數(shù)字電位器和機械式電位器有2個重要差異：1)調(diào)整過程中，數(shù)字電位器的電阻值不是連續(xù)變化的，而是在調(diào)整結(jié)束后才擁有所希望的輸出。這是因為數(shù)字電位器采納MOS管作為開關(guān)電路，并且采納“先開后關(guān)”的控制方法：2)數(shù)字電位器沒法實現(xiàn)電阻的連續(xù)調(diào)整，而只好按數(shù)字電位器中電阻網(wǎng)絡(luò)上的最小電阻值進行調(diào)整。數(shù)字電位器和數(shù)模變換器的差異?1前言利用數(shù)字輸入控制微調(diào)模擬輸出有兩種選擇：數(shù)字電位器和數(shù)均采納數(shù)字輸入控制模擬輸出。經(jīng)過數(shù)字電位器能夠調(diào)整模擬電壓電流，也能夠調(diào)整電壓。電位器有三個模擬連結(jié)端：高端、抽頭端圖1a)。DAC擁有隊應(yīng)的三個端點：高端對應(yīng)于正基準電壓，端則可能對應(yīng)于接地端或負基準電壓端(見圖1b)。

模變換器(DAC)，二者經(jīng)過DAC既能夠調(diào)整(或模擬輸出)和低端(見抽頭端對應(yīng)于DAC輸出，低DAC和數(shù)字電位器存在一些顯然差異，最顯然的差異是DAC往常包含一個輸出放大器/緩沖器，而數(shù)字電位器卻沒有。大多半數(shù)字電位器需要借助外面緩沖器驅(qū)動低阻負載。有些應(yīng)用中，用戶能夠輕易地在DAC和數(shù)字電位器之間做出選擇;而有些應(yīng)用中二者都能知足需求。本文對DAC和數(shù)字電位器進行了比較，便于用戶做出最適合的選擇。2數(shù)/模變換器DAC往常采納電阻串構(gòu)造或R-2R階梯架構(gòu)，使用電阻串時，DAC輸入控制著一組開關(guān)，這些開關(guān)經(jīng)過般配的一系列電阻對基準電壓分壓。關(guān)于R-2R階梯架構(gòu)，經(jīng)過切換每個電阻對正基準電壓進行分壓，進而產(chǎn)生受控電流。該電流送入輸出放大器，電壓輸出DAC將此電流變換成電壓輸出，電流輸出DAC則將R-2R階梯電流經(jīng)過放大器緩沖后輸出。如果選擇DAC，還要考慮詳細指標，如串口/并口、分辨率、輸入通道數(shù)、電流/電壓輸出、成本等。關(guān)于著重速度的系統(tǒng)，能夠采納并行接口;假如著重成本和尺寸，則可采納3線或2線串口，這類器件引腳數(shù)較少，可顯著降低成本，并且，有些3線接口能達到26MHz的通訊速率，2線接口能夠達到3.4MHz的速率。DAC的另一個指標是分辨率，16位或18位DAC能夠供應(yīng)微伏級控制。比如，一個18位、2.5V基準的DAC，每個LSB對應(yīng)于9.54μV，高分辨率關(guān)于工業(yè)控制(如機器人、發(fā)動機)產(chǎn)品極為重要。目前，數(shù)字電位器能夠供應(yīng)的最高分辨率是10位或1024抽頭。數(shù)/模變換器的另一個優(yōu)勢是能夠在單芯片內(nèi)集成多路變換器，比如，MAX5733內(nèi)置32路DAC，每路都能供應(yīng)16位的分辨率。當前的數(shù)字電位器最多只好供應(yīng)6個通道，如DS3930。DAC能夠源出或吸入電流，為設(shè)計者供應(yīng)更大的靈巧性。比如，MAX555010位DAC經(jīng)過內(nèi)部放大器、P溝道MOSFET和上拉電阻能夠供應(yīng)高達30mA的輸出驅(qū)動。而MAX554710位DAC聯(lián)合放大器、N溝道MOSFET和下拉電阻能夠供應(yīng)3.6mA的吸電流。除電流輸出外，一些DAC還能夠和外面放大器連結(jié)供應(yīng)額外的輸出控制。因為數(shù)/模變換器往常內(nèi)置放大器，成本要高于數(shù)字電位器。但跟著新式DAC尺寸的減小，成本差異也愈來愈小。3數(shù)字電位器前面已談到數(shù)字電位器能夠經(jīng)過數(shù)字輸入控制電阻。圖1a中的3端數(shù)字電位器實質(zhì)上是一個固定端到端電阻的可調(diào)電阻分壓器。經(jīng)過將電位器中心抽頭和高端或低端相連，或使高端或低端浮空，數(shù)字電位器能配置成2端可變電阻。和數(shù)/模變換器不一樣，數(shù)字電位器能將H端接最高電壓或最低電壓端。采納數(shù)字電位器時，用戶也需考慮詳細的指標：線性或?qū)?shù)調(diào)理、抽頭數(shù)、抽頭級數(shù)、非易失儲存器、成本等。控制接口有遞加/遞減、按鈕、SPI和I2C。和數(shù)/模變換器同樣，數(shù)字電位器經(jīng)過串口通訊，包含I2C和SPI。別的，數(shù)字電位器還供應(yīng)了2線的遞加、遞減接口控制。往常，DAC和數(shù)字電位器的顯著差異在于數(shù)/模變換器內(nèi)部帶有輸出放大器。經(jīng)過該輸出放大器能夠驅(qū)動低阻負載。4DAC/電位器的選擇好多應(yīng)用處合，用戶能夠輕易地在DAC和電位器之間做出選擇。要求高分辨率的電機控制、傳感器或機器人系統(tǒng)，需要采納DAC。此外，高速應(yīng)用中，比如基站、儀表等對速度、分辨率要求較高，甚至需要并行接口的DAC。電位器的線性特征便于實現(xiàn)放大器反應(yīng)網(wǎng)絡(luò)。相關(guān)于數(shù)/模變換器，對數(shù)電位器更適合音量調(diào)理。但在目前的很多應(yīng)用中，DAC和數(shù)字電位器之間選擇的界線比較模糊，圖C和數(shù)字電位器都可用于控制MAXl553LED驅(qū)動器。MAXll53亮度(BRT)

2中的DA輸入的直流電壓和檢流電阻決定了LED的電流。劃分數(shù)字電位器的性能?介紹數(shù)字電位器，或digipot，方便了模擬電路的電阻、電壓以及電流的數(shù)字控制和調(diào)整。數(shù)字電位器往常用于電源校準、音量控制、亮度控制、增益調(diào)理以及光模塊的偏置/調(diào)制電流調(diào)理。數(shù)字電位器除基本作用外，還供應(yīng)很多其余作用，以加強系統(tǒng)性能，簡化設(shè)計。這些作用包含：不一樣種類的非易失儲存器、過零檢測、去顫動按鍵接口、溫度賠償和寫保護。這些作用針對不一樣的應(yīng)用而設(shè)計?；镜臄?shù)字電位器設(shè)計電位器其實是一個三端元件(見圖1a)。低端VL在內(nèi)部連結(jié)至器件地或作為引腳輸出，便于設(shè)計。三端數(shù)字電位器的構(gòu)造實質(zhì)上是一個擁有固定端到端電阻的可調(diào)理分壓電阻?？勺冸娮枋请p端電位器，抽頭和一個電阻串端點的阻值可變(參照圖1b)。調(diào)理可變電阻數(shù)字電位器的抽頭地點，能夠改變數(shù)字電位器的端到端電阻。圖1.(a)三端數(shù)字電位器的構(gòu)造實質(zhì)上是一個擁有固定端到端電阻的可調(diào)理分壓電阻。(b)可變電阻為雙端數(shù)字電位器，抽頭內(nèi)部連結(jié)到電位器的一端。簡單地說，數(shù)字電位器是由數(shù)字輸入控制的模擬輸出，近似于數(shù)/模變換器(DAC)的定義。和DAC不一樣的是，DAC供應(yīng)經(jīng)過緩沖的輸出，而絕大多半數(shù)字電位器在沒有外面緩沖器的狀況下不可以驅(qū)動低阻負載。關(guān)于數(shù)字電位器，最大抽頭電流范圍為幾百微安到毫安級。當數(shù)字電位器的抽頭連結(jié)到低阻負載時，不論是可變電阻還是真實的數(shù)字電位器，必定要保證在最糟糕的工作條件下抽頭電流處于可接受的IWIPER范圍?？勺冸娮璧淖畈钬撦d發(fā)生在VW靠近VH時。在這個點上，電路中除抽頭電阻之外可能沒有其余電阻限制電流。可是，有些應(yīng)用中可能要求很大的抽頭電流，這類狀況下，需要要點考慮電位器抽頭的壓降，這個壓降限制了數(shù)字電位器的輸出動向范圍。依據(jù)應(yīng)用需求改良設(shè)計數(shù)字電位器的應(yīng)用范圍很廣，一些設(shè)計中可能需要外加器件，以知足對數(shù)字電位器的“精密調(diào)理”要求。比如，數(shù)字電位器的端到端電阻范圍為10kΩ和200kΩ，而控制LED亮度時經(jīng)常需要小電阻。解決這個問題的方案是DS3906，該芯片和105Ω的固定電阻并聯(lián)使用，可供應(yīng)70Ω至102Ω的等效電阻。這類配置下能夠獲取0.5Ω的步進調(diào)理，精準調(diào)理LED亮度。另一個解決方案是多通道數(shù)字電位器，如MAX5477或MAX5487，能夠多個通道互相組合獲取不一樣的調(diào)理電阻步長，達到數(shù)字電位器的分辨率要求。有些狀況可能需要更特別的數(shù)字電位器作用，關(guān)于需要溫度賠償?shù)碾妷夯螂娏髡{(diào)理，如光模塊的光驅(qū)動器偏置，能夠選擇鑒于查找表的可變電阻。一些數(shù)字電位器集成了EEPROM(用于儲存溫度變化時的校準數(shù)據(jù))和內(nèi)部溫度傳感器(用于丈量環(huán)境溫度)。數(shù)字電位器依據(jù)丈量溫度在查找表中檢索到對應(yīng)的數(shù)值，調(diào)整可變電阻。鑒于溫度查找表的數(shù)字電位器往常用來修正電路元件的非線性溫度響應(yīng)，如激光二極管或光電二極管；也能夠依據(jù)應(yīng)用需要，存心成立一個非線性電阻的溫度響應(yīng)。非易失儲存器是數(shù)字電位器中引入的比較常有的低成本作用電路，標準的鑒于EEPROM的非易失(NV)數(shù)字電位器在上電復位(POR)時期進入一個已知狀態(tài)。EEPROM能夠保證50,000次的重復寫次數(shù)，相關(guān)于機械電位器，大大提升了系統(tǒng)的靠譜性。一次性編程(OTP)數(shù)字電位器，如MAX5427/MAX5428/MAX5429，采納熔絲設(shè)置，永遠保留默認的抽頭地點。和鑒于EEPROM的數(shù)字電位器同樣，POR后OTP數(shù)字電位器初始化到已知狀態(tài)。但是，OTP數(shù)字電位器的POR狀態(tài)一旦編程后不可以重寫。所以，OTP很適合工廠編程或產(chǎn)品校準。熔絲永遠性地設(shè)置OTP數(shù)字電位器的POR抽頭地點，無需鎖定抽頭地點。有些OTP數(shù)字電位器的抽頭在熔絲編程后能夠調(diào)理；有些OTP數(shù)字電位器的抽頭地點則被永久性地設(shè)置，獲取一個精準的、經(jīng)過校準的電阻分壓器。一些數(shù)字電位器供應(yīng)鎖定存放器，或數(shù)字控制輸入，使數(shù)字電位器接口呈高阻態(tài)，防止不適合的抽頭調(diào)整。EEPROM數(shù)字電位器的寫保護作用還降低了功耗。數(shù)字電位器能夠在電源或其余需要工廠校準的系統(tǒng)中達成電壓和電流校準。和機械電位器或分別電阻等費時且不精準的手動校準對比，數(shù)字電位器有助于提升制造商的生產(chǎn)能力，改良校準精度和重復性指標。此外，數(shù)控電位器便于遠程調(diào)試和從頭校準。需要校準多個電壓和/或電流時，使用DS3904/DS3905等三路NV數(shù)字電位器特別理想(圖2)。這類情況下，一個小體積數(shù)字電位器能夠取代三個機械電位器。用數(shù)字電位器代替機械電位器還有助于提升電路布局的靈巧性，因為數(shù)字電位器不需要在安裝或保護時期進行機械調(diào)整。校準是OTP或EEPROM寫保護作用的典型應(yīng)用，此中EEPROM寫保護更有益于設(shè)計。圖2.DS3904/DS3905三路非易失數(shù)字電位器，的系統(tǒng)。這款小尺寸IC能夠代替3個機械電位器。

可理想用于需要校準多路電壓

/電流固然不是數(shù)字電位器，DS4303等擁有簡單的單線數(shù)字控制接口的采樣/保持電壓基準也能用于產(chǎn)品校準(圖3)。緊湊的設(shè)計特別切合校準的需求，電壓基準輸出在被控制信號鎖定以前取決于輸入電壓，輸出鎖定后，除非從頭編程或掉電，不然輸出將不再發(fā)生變化，和輸入電壓沒關(guān)。最新產(chǎn)品把鎖定后的輸出電壓儲存在EEPROM中，電源上電后可從頭恢復。圖3.非易失采樣/保持電壓基準DS4303，固然不是數(shù)字電位器，但可理想用于產(chǎn)品校準。校準時，在被控制信號(ADJ)鎖定以前，DS4303輸出(VOUT)取決于輸入電壓(VI。改良后的按鍵接口是傳統(tǒng)接口(如SPI?、I?C、增/減和旋轉(zhuǎn)控制)的增補。帶有緩沖輸出的數(shù)字電位器MAX5486使用了這類接口。這類經(jīng)過去抖的按鍵接口鑒于按鍵按下的時間，用變化的速度控制抽頭動作。按鍵接口不需要微控制器，降低了系統(tǒng)設(shè)計的復雜度。去顫動按鍵接口關(guān)于音量控制特別重要。針對音頻應(yīng)用設(shè)計的數(shù)字電位器往常供應(yīng)過零檢測電路，過零檢測能夠克制抽頭從一個地點跳變到另一個地點時的可聞噪聲。該作用使能后，過零檢測電路將抽頭動作推延到VL靠近VH時。好多過零檢測電路還供應(yīng)最大抽頭變化的延緩，方便直流調(diào)理及其余特定電路。結(jié)論簡單的易失性數(shù)字電位器在系統(tǒng)設(shè)計中仍舊適用，而針對特別應(yīng)用設(shè)計的數(shù)字電位器和可變電阻供應(yīng)了更多的作用。目前，好多設(shè)計者希望代替機械電位器，提升系統(tǒng)的靠譜性和在整個工作溫度范圍內(nèi)的性能，省去系統(tǒng)微辦理器，或克制咔嗒/噼噗聲。關(guān)于這些需求，數(shù)字電位器充分顯現(xiàn)它的優(yōu)勢，數(shù)字電位器的應(yīng)用愈來愈廣泛。利用數(shù)字電位器實現(xiàn)數(shù)控低通濾波器?數(shù)字電位器是一種應(yīng)用廣泛的器件，以下介紹怎樣使用數(shù)字電位器建立一個可調(diào)帶寬的低通濾波器。2一種簡單的低通濾波器由DS3903組成的音頻低通濾波器如圖1所示。該電路采納單電源供電，電源電壓范圍為2．7～5．5V。包含一級前置衰減，5．0V供電時可辦理5．0VP-P(1．77VRM輸入。為了產(chǎn)生一個雙極點(極點在同一頻點)低通濾波器(每10倍頻程衰減12dB)，電容C3一定是C2的2倍以上，可變電阻POTO和POTl設(shè)置同樣值，則截止頻次(fC)計算以下：此中，RPOT是可變電阻POT0和POT2設(shè)置對應(yīng)的電阻值。該電路的輸入部分(Cl、U1一POTl、U2A、Rl和R2)是音量控制電路，還可將音頻信號的直流偏置到VCC／2，使信號在未嵌位的條件下經(jīng)過數(shù)字電位器和運放器，在任何供電電源下，電路都能夠辦理最大信號擺幅。所以，該設(shè)計在2．7V至5．0V下工作性能良好。輸出直流電平保持在VCC/2，除非在正常輸出之外工作，電平將偏移到不一樣工作點。關(guān)于已限制工作范圍的應(yīng)用，能夠去掉輸入級電路，采納直接耦合的方式連結(jié)到濾波器。去掉輸入電路后，輸出信號不過經(jīng)截止頻次為fC的雙極點濾波器濾波后的信號，而輸入信號的直流重量則直接旁路到輸出端。經(jīng)過改正電容或選擇不一樣端到端電阻的數(shù)字電位器，該電路的截止頻次可設(shè)置為500kHz。用于計算RPOT的數(shù)字電阻模型如圖2所示，關(guān)于指定地點，相應(yīng)的開關(guān)將閉合而其他地點的開關(guān)則開路。電位器每遞加一個單元地點，電阻將相應(yīng)增添LSB(對DS3903，1kΩ／128=78Ω)，最高抽頭地點除外，最高抽頭地點為電位器電阻的并聯(lián)組合，則惹起非線性。經(jīng)過下式計算RPOT：此中：RLSB是端到端電阻除以抽頭數(shù)；RW是滑動端、電阻；n是電位器的編程地點；是數(shù)字電位器的總抽頭數(shù)。圖3所示給出了DS390310kΩ電位器的RPOT電阻值和抽頭地點之間的關(guān)系圖，假設(shè)端到端電阻為10kΩ，滑動端電阻最小值是500Ω。這兩個參數(shù)都會對濾波特征產(chǎn)生顯著影響，但主要影響的是截止頻次的最小值和最大值，實質(zhì)截止頻次能夠在其最小值和最大值之間調(diào)理，選擇適合的電容值即可將截止頻次設(shè)置在可調(diào)范圍內(nèi)所要求的頻點。數(shù)字電位器設(shè)計考慮濾波電路選擇數(shù)字電位器時需要考慮以下幾個要素。使用數(shù)字電位器的最大限制是電位器端點的電壓，往常該電壓一定保持在VCC和GND之間，以防止ESD構(gòu)造內(nèi)部的二極管將音頻信號嵌位。當VCC在規(guī)定的范圍(2．7~5．5V)內(nèi)時，DS3903的ESD構(gòu)造同意輸入信號處于6V和GND之間，這一特征關(guān)于要求輸入信號大于

VCC

的應(yīng)用特別靈巧。可是，在圖

l所示電路中并未辦理

6．0VP-P

信號，因為運放電源低于6V時將會嵌位信號。假如運算放大器能夠采納更高的電壓供電，即可使用DS3903的大信號辦理作用。電位器抽頭的變化形式(線性或?qū)?shù))決定了電路截止頻次的線性調(diào)理或?qū)?shù)調(diào)理形式。關(guān)于圖l所示音頻范圍的濾波電路，為保證在40～800Hz之間供應(yīng)