数字电位器工作原理详解_数字电位器应用_数字电位器选型指南

　　什么是数字电位器

　　数字电位器（DigitalPotenTIometer）亦称数控可编程电阻器，是一种代替传统机械电位器（模拟电位器）的新型CMOS数字、模拟混合信号处理的集成电路。数字电位器由数字输入控制，产生一个模拟量的输出。依据数字电位器的不同，抽头电流最大值可以从几百微安到几个毫安。数字电位器采用数控方式调节电阻值的，具有使用灵活、调节精度高、无触点、低噪声、不易污损、抗振动、抗干扰、体积小、寿命长等显著优点，可在许多领域取代机械电位器。

　　数字电位器的特点

　　数字电位器的特点是：寿命长（因无机械触点）、工作可靠、性能稳定、耐振动、体积小，能和数字电路或单片机灵活地结合在一起。

　　数字电位器工作原理

　　由于数字电位器可代替机械式电位器，所以二者在原理上有相似之处。数字电位器属于集成化的三端可变电阻器件其等效电路，如图1所示。当数字电位器用作分压器时，其高端、低端、滑动端分别用VH、VL、VW表示；而用作可调电阻器时，分别用RH、RL和RW表示。

　　图2所示为数字电位器的内部简化电路，将n个阻值相同的电阻串联，每只电阻的两端经过一个由MOS管构成的模拟开关相连，作为数字电位器的抽头。这种模拟开关等效于单刀单掷开关，且在数字信号的控制下每次只能有一个模拟开关闭合，从而将串联电阻的每一个节点连接到滑动端。

　　数字电位器的数字控制部分包括加减计数器、译码电路、保存和恢复控制电路和不挥发存储器等4个数字电路模块。利用串入、并出的加／减计数器在输入脉冲和控制信号的控制下可实现加／减计数，计数器把累计的数据直接提供给译码电路控制开关阵列，同时也将数据传送给内部存储器保存。当外部计数脉冲信号停止或片选信号无效后，译码电路的输出端只有一个有效，于是只选择一个MOS管导通。

　　数字控制部分的存储器是一种掉电不挥发存储器，当电路掉电后再次上电时，数字电位器中仍保存着原有的控制数据，其中间抽头到两端点之间的电阻值仍是上一次的调整结果。因此，数字电位器和机械式电位器的使用效果基本相同。但是由于开关的工作采用“先连接后断开”的方式，所以在输入计数有效期间，数字电位器的电阻值和期望值可能会有一定的差别，只有在调整结束后才能达到期望值。

　　从图2可以看出，数字电位器和机械式电位器有2个重要区别：1）调整过程中，数字电位器的电阻值不是连续变化的，而是在调整结束后才具有所希望的输出。这是因为数字电位器采用MOS管作为开关电路，并且采用“先开后关”的控制方法：2）数字电位器无法实现电阻的连续调整，而只能按数字电位器中电阻网络上的最小电阻值进行调整。

　　数字电位器应用范围

　　数字电位器正在国内外迅速推广，并大量应用于检测仪器、PC、手机、家用电器、现代办公设备、工业控制、医疗设备等领域。例如：电冰箱、程控机、电源、功率表、自动检测设备、光纤网络、调节LCD显示屏、电压控制、取代机械式电位器、匹配线性阻抗、调节VCOM设置。

　　数字电位器在电压电阻转换中的应用

　　在工业控制和偏置调节电路中，有时需要将电压信号转换成电阻，这一过程在具体实施时有一定的难度。图1利用两路数字电位器提供了一个简单的转换方案。图1中，数字电位器U1和运算放大器U3构成数字采样保持电路，U1通过调节其内部分压比保证VWIPER对VIN的跟踪，这样滑动端电阻将与VIN成正比。由于U1、U2的数字输入是连接在一起的，U2的滑动端位置与U1相同，对应端的电阻也相同。这样便可得到与VIN成正比的电阻，从而实现电压至电阻的转换。

　　由于U1、U2是完全相同的数字电位器，其数字输入连接在一起，因此，它们的滑动端位置也相同。LOCK置为低电平，输出电阻将随着VIN而改变; 而LOCK置为高电平则将保持阻值不变。也可以将LOCK始终接地，在这种情况下，即使VIN保持恒定，输出电阻也会在两个相邻状态之间连续翻转。假如电位器端电阻为10K2，抽头数为32，那么，当滑动输出端电阻设置在5kQ时，输出电阻将随时钟在5kQ和5 .3125k2之间跳变。

　　需要时，可以在滑动输出端接一个电容来滤除跳变效应。该电路所允许的时钟频率范围为100HZ~ 10kHz。而输出电阻并非实时跟随VIN的变化，但经过若干个时钟周期后可以达到其终值。时钟数取决于滑动端的初始位置和输入电压，最大值为32 （电位器抽头数）。如果需要更高的分辨率，可以用6位或8位数字电位器替代本电路中的5位芯片。注意，MAX5160上电时将滑动端设置在中心位置，因而，可使两路数字电位器同步工作，并保持相同的电阻。选择数字电位器时，通常需要知道电位器的上电初始 状态。

　　数字电位器在气体检测电路的应用

　　本电路使用双变阻数字电位器MCP42X2，其最大阻值可达100K欧。电路如下图

　　电路采用16位高精度AD转换芯片，AD值从0到65535。理论上，气体零点标定的时AD值为0，达到100%量程时AD值为65535；实际上，零点标定时AD值不一定能调整到0，这样就需要结合软件调零，既通过记录下零点标定时的AD值，在计算浓度值的时候将当前浓度AD值减去零点AD值就可以了。所以，零点标定时只需调整数字电位器将AD值调制一个较低范围就可以了。而量程标定时，不一定在100%量程浓度的气体下进行，只需在软件中计算当前实际标定浓度对应的AD值，并调整数字点位器使放大倍数满足AD采样到的AD值接近该AD值既可。

　　零点标定：0《AD0《0XFFFF*1%

　　量程标定：（当前浓度/量程）*0XFFFF*80%《AD1《（当前浓度/量程）*0XFFFF

　　数字电位器选型指南

　　数字电位器选型主要考虑电位器的个数，滑片的数目即有多少级，电阻的阻值，有没有缓冲触头，能否记忆掉电时的位置，封装等等。 对于你的系统中如果需要多个数字电位器的话，可以考虑选型集成多个数字电位器的芯片，如CAT5221，CAT5241等； 如果你的系统要求电位器的分辨率要求比较高的话，可以选择滑片数目多一些的电位器，比如CAT5251等，当然，也可以使用两个数字电位器串联达到这个目的； 对于带缓冲器输出的电位器，输出是一个电压值，而不是一个电阻值，所以如果用于运放反馈回路上的电阻的话，是不合适的，这个时候应该选择不带缓冲器的； 如果你的系统重新上电时，希望能阻值能够恢复上一次掉电时的阻值，则要选择非易失性的数字电位器； 对于变化的信号，还要考虑器件的频率响应相关参数。

　　数字电位器与机械电位器相比最大的优点在于数字电位器的使用寿命。一般的机械电位器使用寿命较低，很多使用数千次后就出现磨损，失效等异常。而数字电位器一般以百万次为单位。 通过将电位器中心抽头与高端或低端相连，或使高端或低端浮空，数字电位器能配置成2端可变电阻。与数/模转换器不同，数字电位器能将H端接最高电压或最低电压端。选用数字电位器时，用户也需考虑具体的指标：线性或对数调节、抽头数、抽头级数、非易失存储器、成本等。

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