如何突破程控电阻的阻值范围限制

程控电阻

程控电阻(Programmable resistor)，即阻值可以通过程序进行设置的电阻器。在电路中的特性与普通的电阻器件一致，区别仅在于阻值可以随时通过程序改变。在实际应用中，其它类型的可以改变阻值的电阻器件还有很多种，如滑动变阻器、电阻箱等。但是程控电阻普遍具有精度高、阻值范围大、阻值调整快的优点，在传感器仿真、信号调理等应用中是不可替代的仪器类型。

此外，在很多板级电路中还存在一种集成电路形式的数字电位器，也可以在一定精度范围内实现类似程控电阻的功能，这里暂不做进一步分析。

虽然程控电阻的种类较多，但是每一种具体产品都有其适用的场景，在少数情况下，如果电阻通道的可用阻值上限或下限不适合，一般有3种方法可以突破产品自身的限制：

换用更匹配的产品

按需订制产品

也可以在一定条件下，不改变现有产品，通过技术手段弥补不足

请注意本文的讨论对象是以Pickering的标准精度产品如40-290,40-295等产品系列，不包含高精度产品系列。

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程控电阻阻值的上限

程控电阻的经典电路结构如图所示：

一般情况下，电阻链中的每个电阻器的阻值按倍增排列，通过与各电阻器并联的开关通断的组合，可以组合输出各种阻值。

例如，一个包含3个电阻器的电阻链，每个电阻器的阻值分别为1,2,4欧姆。则整个电阻链可以通过开关状态的组合形成0~7欧姆，步进为1欧姆的8种阻值。

如果在上面的电阻链中再增加一个8欧姆电阻器和开关，构成4位的电阻链，则全链的输出电阻值上限可以达到15欧姆，同理类推可以构成更长的电阻链，获得更大的阻值范围。

在实际的产品中，电阻链中还有一个附加的偏置电阻器，可以形成阻值的整体偏移。

因而整个电阻链可以输出的阻值点由以下参数共同决定：

Roffset：偏置电阻

R1~Rn：每位的定值电阻，Rm=2*Rm-1

RRL：继电器触点的导通电阻，大部分场景中可忽略

在忽略继电器电阻的情况下，

输出阻值Rout=Roffset+(R1~Rn组合)，组合可构成0，R1，2*R1，3*R1，……

最大阻值Rmax=Roffset+R1*(2n-1)

最小阻值Rmin=Roffset

分辨力Rresolution=R1

对于大部分现有货架产品，Roffset=0，R1=1欧姆。根据以上公式可简单获得：

8位电阻通道阻值范围是0~255欧姆

16位可输出0~65,535欧姆(64K-1)

24位可输出16,777,215欧姆(16M-1)

分辨力均为1欧姆

(上图Roffset=0时输出阻值为252欧姆)

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程控电阻阻值的下限

大部分程控电阻产品所标称的输出阻值下限为0欧姆，但受到继电器导通电阻，电路结构，板卡内部线路电阻，以及环境因素的共同作用，其能够实际输出的电阻下限是不确定的。一般认为，8位/12位/16位/24位产品实际输出阻值的下限(设置输出为0时)，典型值分别为1欧姆/1.5Ω/2欧姆/3欧姆，实测各自在50%~200%范围内都是允许的。例如24位产品设置输出0欧姆，实际输出1~6欧姆均属于合格。

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突破货架产品阻值边界的方法

对于标准精度产品，有若干种突破通道阻值上限的方法，这里简要概括：

1. 最简单的方法，如果所需的阻值上限R≤2*Rmax，即所需阻值≤2倍单个通道的最大电阻，可以将2个输出通道串联即可。

2. 如果所需的分辨力较低，输出阻值上限要求较高，可以订制产品，调整分辨力(即调整阻值的步长)增大的倍数，相应的阻值范围也会提高相应的倍数。例如，订制分辨力10欧姆的产品，可以把24位输出通道的上限从16M欧姆提高到160M欧姆。这种方式需要提前与Pickering确认是否能够采购到合适的电阻器件完成订制，以及当输出电阻高到一定程度后，如100M欧姆~1G欧姆甚至更高，PCB自身的绝缘性能也会产生比较明显的影响，所以阻值上限不能无限提高。

(上图调整电阻器阻值后，分辨力从1变成10欧姆，

最大阻值从255变成2550欧姆)

3. 如果所需的阻值上限高，但是调整范围不大，可以考虑在标准产品之上订制安装一定的偏置电阻。例如，需要在2.4M欧姆~2.45M欧姆范围内调节，可以在40-295-121-10/16 (10通道0~65K欧姆)基础上，增加2.4M欧姆偏置电阻，构成2.4M~2.465M欧姆的产品。该方案相比于采用24位(16M欧姆)通道的方案，单个模块的通道密度更高。(10 vs 6)

标准产品的通道阻值下限一般不用过多考虑，一则因为标准精度产品在低阻值端误差较大，一般不用于做高精度的测试。二则输出准确的低阻值不仅需要产品本身性能，还需要考虑外部接线因素。所以一般仅在使用高精度程控电阻产品时需要认真设计。因此，我们会在下一篇中介绍高精度程控电阻产品以及讨论延伸高精度电阻低阻值端的方法。

编辑：黄飞