數(shù)字電位器的應(yīng)用技術(shù)

Application Techniques of Digital Potentiometers

ZHOU Shenghai

(College of Phys. Elec.Eng., Xinyang Normal University,
Xinyang 464000, China)

　　Key words: digital potentiometer; variable resistor; voltage divider

　　數(shù)字電位器也稱為數(shù)控電位器，是一種用數(shù)字信號(hào)控制其阻值改變的器件(集成電路)。
　　數(shù)字電位器與機(jī)械式電位器相比，具有可程控改變阻值、耐震動(dòng)、噪聲小、壽命長(zhǎng)、抗環(huán)境污染等重要優(yōu)點(diǎn)，因而，已在自動(dòng)檢測(cè)與控制、智能儀器儀表、消費(fèi)類電子產(chǎn)品等許多重要領(lǐng)域得到成功應(yīng)用。但是，數(shù)字電位器額定阻值誤差大、溫度系數(shù)大、通頻帶較窄、滑動(dòng)端允許電流小(一般1～3mA)等，這在很大程度上限制了它的應(yīng)用。本文從應(yīng)用的角度出發(fā)，討論克服這些主要特點(diǎn)的方法。

　　數(shù)字電位器的額定阻值誤差大，一般在(20～30)%，主要是由p型硅擴(kuò)散層的表面電阻率及內(nèi)部開關(guān)的導(dǎo)通電阻等工藝方面的差異引起的。數(shù)字電位器的溫度系數(shù)也大，如MCP4××××系列(Microchip公司)為800ppm/℃，這是半導(dǎo)體器件共有的缺點(diǎn)。但是，每個(gè)數(shù)字電位器中每一級(jí)電阻值的增量一致性很好；在雙數(shù)字電位器、三數(shù)字電位器和四數(shù)字電位器中，各個(gè)電位器的阻值是精密匹配的(因工藝相同)。據(jù)此，合理設(shè)汁應(yīng)用電路和恰當(dāng)選擇數(shù)字電位器的型號(hào)，可充分利用精密匹配的優(yōu)點(diǎn)，大大減小額定阻值誤差和溫度系數(shù)造成的影響。

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　　選擇雙數(shù)字電位器將可變?cè)鲆娌罘址糯笃髟O(shè)計(jì)成圖1(c)的形式［2］(用單數(shù)字電位器作R2，R4為固定電阻)，則可始終保持集成運(yùn)放的同相端和反相端對(duì)外的電阻相等，從而始終保持很高的CMRR，亦即抑制了溫漂誤差。
　　用數(shù)字電位器構(gòu)成分壓器時(shí)可設(shè)計(jì)成圖2的形式(原理上可以不用R1和R2)。由集成運(yùn)放構(gòu)成的電壓跟隨器起隔離作用，R1和R2為高精度電阻。根據(jù)輸出電壓調(diào)節(jié)范圍的要求，恰當(dāng)選擇R1和R2的阻值，以保證數(shù)字電位器的兩部分電阻RA和RB之比(RA/RB)有適當(dāng)?shù)闹?。這種設(shè)計(jì)有兩個(gè)優(yōu)點(diǎn)：其一，高精度電阻與數(shù)字電位器串聯(lián)可削弱數(shù)字電位器溫度系數(shù)引起的誤差；其二，雖然數(shù)字電位器的RA和RB的阻值誤差和溫度系數(shù)都大，但兩者之比的誤差要小得多。因此，這種設(shè)計(jì)能得到較高精度的分壓。順便指出，少數(shù)數(shù)字電位器，如MAX5400／5401只有50ppm／℃，它們是低漂移應(yīng)用的理想選擇。

　　數(shù)字電位器的通頻帶一般較窄，如X系列(Xicor公司)有些型號(hào)的-3dB帶寬只有32～36kHz。主要原因是數(shù)字電位器內(nèi)存在雜散電容，頻率響應(yīng)受RC時(shí)間常數(shù)的限制。
　　測(cè)試表明：通頻帶寬度主要與其額定阻值的大小和滑動(dòng)端與地之間的濾波電容的容量有關(guān)。額定阻值越小，通頻帶越寬，表1［3］給出了部分X系列數(shù)字電位器-3dB帶寬的測(cè)試結(jié)果(滑動(dòng)端位于中點(diǎn))。

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　　受CMOS工藝的限制，數(shù)字電位器的滑動(dòng)端允許通過的電流較小，一般不超過3mA，電流過大會(huì)使器件過早失效。實(shí)踐中可在滑動(dòng)端后接一電壓跟隨器(一般由集成運(yùn)放構(gòu)成；也有的數(shù)字電位器內(nèi)含電壓跟隨器，如X9438)，這樣既可以擴(kuò)大電流(通用集成運(yùn)放的最大輸出電流為15mA左右)，又能隔離負(fù)載(后級(jí)電路)對(duì)數(shù)字電位器的影響。
　　為了得到更大的電流，本人用集成三端穩(wěn)壓器設(shè)計(jì)了圖3所示的大電流線性分壓器［4］。LM358為單電源通用集成運(yùn)放，LM317為正電壓可調(diào)集成三端穩(wěn)壓器。LM358接成電壓跟隨器，輸出電壓跟隨分壓器的輸出電壓V0。電壓跟隨器的輸入電阻Ri≥400MΩ（Ri相當(dāng)于分壓器的負(fù)載電阻RL），輸出電阻R0≤1Ω。滿足(RL/R)→∞的條件(R為數(shù)字電位器的額定阻值)，故從根本上消除了傳感器負(fù)載特性的非線性。
　　根據(jù)LM317的內(nèi)部電路結(jié)構(gòu)和工作原理可知，穩(wěn)壓電路的輸出電壓可寫為
　　

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　　因LM317具有優(yōu)良的穩(wěn)壓性能(電流調(diào)整率約為0.3%)，故允許負(fù)載回路電流I′0在零到LM317的最大輸出電流之間變化。常見的LM317的最大輸出電流在100mA至數(shù)安培不等(與LM317的具體型號(hào)有關(guān))。
　　綜上，本設(shè)計(jì)既從根本上消除了分壓器負(fù)載特性的非線性，又很好地解決了分壓器負(fù)載能力弱的問題。
　　在圖3中，電容C1和C0分別為穩(wěn)壓電路的輸入電容和輸出電容；二極管D1、D2均為L(zhǎng)M317的保護(hù)二極管；電容C用于濾除電壓跟隨器輸出電壓中的紋波和干擾。
　　測(cè)試表明：該電路充分利用了集成三端穩(wěn)壓器穩(wěn)壓性能好、輸出電流大的優(yōu)點(diǎn)，輸出50mA電流時(shí)的最大非線性誤差只有0.4％(用LM317T)和0.7％(用LM317L)，作為大電流線性分壓器具有良好的性能。

　　數(shù)字電位器一般不能直接接負(fù)電源，但在構(gòu)成分壓器時(shí)，有時(shí)需要輸出正、負(fù)電壓，此時(shí)可采用圖4所示的電路。雖然輸出V0不能得到VDD～VSS全范圍的分壓，但適當(dāng)選取R1和R2的阻值，仍可得到一定范圍可正可負(fù)的分壓輸出。

　　不同型號(hào)的數(shù)字電位器的控制信號(hào)時(shí)序不盡相同，在實(shí)踐中必須嚴(yán)格遵守其時(shí)序規(guī)定，否則，可能工作異常。注意：控制信號(hào)波形的畸變會(huì)導(dǎo)致數(shù)字電位器工作異常。一種簡(jiǎn)單有效的解決方法是在控制信號(hào)端與地之間接一小濾波電容，但該電容的容量選取要合適，過大會(huì)使脈沖信號(hào)的上升沿(下降沿)變緩，引起時(shí)序問題，過小抗干擾效果差，具體數(shù)值可以估算，也可以根據(jù)經(jīng)驗(yàn)選取。如用數(shù)字電位器AD8042，控制信號(hào)來自單片機(jī)8031的P1口，設(shè)其內(nèi)部上拉電阻值為1kΩ，濾波的截止頻率ω0=1／RC≤50MHz，可得C≥0.02nF，又由于8031的P1腳發(fā)出的脈沖最小寬度為2μs(晶振為6MHz)，所以τ=RC≤2μs，即C≤2nF，C值應(yīng)在0.02nF至2nF(晶振為6MHz)之間選取。實(shí)踐表明，在晶振為6MHz的8031系統(tǒng)中，選用1nF的濾波電容，效果很好。
　　此外，數(shù)字電位器的阻值變化規(guī)律以線性的為多見，但也有按對(duì)數(shù)規(guī)律變化的，如X9514、DS1661、DS1801等。用于音響系統(tǒng)的音量調(diào)節(jié)時(shí)應(yīng)注意選擇對(duì)數(shù)規(guī)律的(以符合人耳的聽覺特性)，若選擇線性規(guī)律的，則要設(shè)法模擬阻值的對(duì)數(shù)變化，使應(yīng)用復(fù)雜化。若數(shù)字電位器由機(jī)械按鍵開關(guān)控制，則應(yīng)采取可靠的去抖動(dòng)措施消除開關(guān)抖動(dòng)的影響。由RS觸發(fā)器(可由門電路構(gòu)成)和機(jī)械開關(guān)構(gòu)成去抖動(dòng)開關(guān)電路是一種簡(jiǎn)單、有效的措施。RC去抖動(dòng)的作用是很有限的，不宜用于這類場(chǎng)合。
　　在將數(shù)字電位器用作放大器的負(fù)反饋電阻時(shí)，必須防止使用過程中可能出現(xiàn)的瞬間失效。因?yàn)樗查g失效會(huì)使集成運(yùn)放處于開環(huán)狀態(tài)，放大器增益很大，過大的輸出信號(hào)可能造成后級(jí)電路損壞或其他不良后果。對(duì)放大器的后級(jí)電路的輸入箝位是一種簡(jiǎn)單、有效的措施。

　　目前市場(chǎng)上數(shù)字電位器以Xicor、MAXIM、DALLAS、MicrochiP、AD等公司的產(chǎn)品為多見，種類和型號(hào)繁多，性能各有不同。在實(shí)踐中要注意以下三點(diǎn)：第一，對(duì)數(shù)字電位器的基本原理、主要性能和基本用法要有較全面的了解。這是選用數(shù)字電位器的基礎(chǔ)；第二，根據(jù)實(shí)際應(yīng)用需要，兼顧應(yīng)用效果和簡(jiǎn)化應(yīng)用設(shè)計(jì)兩方面，合理選擇數(shù)字電位器的種類與型號(hào)。目前價(jià)格已不再是選型時(shí)考慮的主要因素；第三，合理設(shè)計(jì)能有效克服數(shù)字電位器的缺點(diǎn)，擴(kuò)大其應(yīng)用范圍。所以，本文的討論對(duì)數(shù)字電位器的應(yīng)用實(shí)踐具有指導(dǎo)作用。