数字电位器采用数控方式调节电阻值的

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

关键词：数字电位器

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。数字电位器一般带有总线接口，可通过单片机或逻辑电路进行编程。它适合构成各种可编程模拟器件，如可编程增益放大器、可编程滤波器、可编程线性稳压电源及音调/音量控制电路，真正实现了“把模拟器件放到总线上”(即单片机通过总线控制系统的模拟功能块)这一全新设计理念。

1 基本工作原理

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l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、保存与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，数字电位器与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与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，数字电位器与机械式电位器有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。

2 数字电位器的典型应用

数字电位器的应用广泛，而且按照不同的分类标准也有很多种类，但是基本原理是相似的，这里以三线加/减式接口的数字电位器X9313为例，介绍数字电位器的应用。

2.1 内部结构及工作原理

X9313为工业级的32抽头数控电位器，最大阻值为10 kΩ，采用8引脚，有DIP、OIC、FSSOP 3种封装。X9313的内部功能框图，如图3所示。它由输入部分、5位E2PROM、存储和调用电路、32选l译码器、由MOS场效应管构成的32路模拟开关、电阻阵列6部分组成。其中输入部分是5位加/减计数器经过三线加/减式接口(

)与单片机相连，其工作像一个升/降计数器，输出经译码，控制接通某个电子开关，

这样就把电阻阵列上的一个点连接到滑动输出端。电阻阵列由32个等值的电阻和与之相配套的电子开关组成。根据控制端的电平，计数器的内容还可以储存到非易失存储器中以便后续使用。

2个顶脚引线分别接VH和VL，中间抽头为VW。

为3个控制端，其中，

为片选端，

为低电平时，X9313被选中。此时才能接收

的信号。

在下降沿使计数器增或减1。如果，

滑动端向VH方向滑动，VW与VH之间的电阻减小一个阶值。反之，如果，

滑动端向VL方向滑动。计数器输出译码后，经过32选1，使滑动端的位置沿电阻阵列移动。当计数器达到某个极端(00000或11111)时，不会循环回复，从00000自动变成1111l，或从11111变成00000，也就是说当

为高电平而

也为高电平时，计数器的值存储到非易失存储器中，系统上电时，器件自动将非易失性存储器中的值送到计数器，作为计数器的输出。

１ 用数字电位器替代机械式电位器

数字电位器的写次数很容易达到５０煟埃埃按危而机械式电位器的调节次数一般只有几千次，甚至几百次。目前市场上提供的数字电位器的分辨率在３２级（５位）到２５６级（８位）甚至更高。对于像ＬＣＤ显示器对比度调节或其它动态范围要求不高的应用，设计时可以选用低分辨率、低成本的数字电位器。而高分辨率的数字电位器则被广泛用于动态范围高达９０ｄＢ的音频和Ｈｉ－Ｆｉ设备中。数字电位器具有易失和非易失两种类型，非易失数字电位器与机械式电位器很相似，它们无论上电与否都可以保持电阻值设置，特别是ＭＡＸ５４２７／ＭＡＸ５４２８／ＭＡＸ５４２９数字电位器，更具有独特的编程特性，每个器件带有一个一次性编程（ＯＴＰ）存储器，能够在上电复位（ＰＯＲ）时将抽头位置设置在用户定义的数值，且抽头位置保持可调，但在上电时总是返回到所设置的位置。另外，利用ＯＴＰ功能也可以关闭接口操作，使抽头位置始终保持在所希望的地方。这样，器件就像一个阻值固定的分压器，而不是电位器。

大多数数字电位器可以通过传统的Ｉ２Ｃ或ＳＰＩ接口进行编程，有些器件则采用上／下脉冲计数调节方式。采用数字电位器有很多优势，首先，这些电位器对灰尘、污垢和潮湿的环境不敏感，而这些因素对于机械式电位器来说则是致命的。数字电位器几乎能够在任何电子系统中替代老式的机械电位器，而不仅仅是在音频产品，图１列出了数字电位器的几种典型应用。

２ 数字电位器在音频设备中的应用

与机械式电位器相比，数字电位器的另一优势是可以直接安装在电路板的信号通道上，而不需要复杂、昂贵的机械与电控的整合方案。数字电位器可提高电子噪声抑制能力，不存在机械电位器连线拾取的干扰信号。传统的数字电位器只是简单地直接取代机械式电位器，它们具有相同的使用方法，因而无需做过多的说明。然而，对于特殊用途的器件，（如

低成本立体声音量控制），使用时可能会出现一些特殊问题。

数字电位器可以提供对数和线性变化函数，对数变化的数字电位器常用于Ｈｉ－Ｆｉ音频设备中的音量调节，可为具有非线性响应特性的人耳建立一个线性变化的音量控制。目前，高度集成的数字电位器可以在单芯片内提供六个独立的电位器，并支持多声道音频设备，如立体声、环绕杜比系统等。对于音频设备，需要注意每一级抽头位置的瞬变过程，如果抽头位置没有精确地切换到０Ｖ，音频信号会带有噼啪声和砰然声。幸运的是，新一代数字电位器包含的过零检测功能（如ＤＳ１８０２）可确保在检测到过零（０Ｖ）或５０ｍｓ延迟时改变抽头位置，从而可降低抽头位置瞬变时的音频噪声。

新一代的ＤＳ１８０２音频电位器包含了两个数控电位器，对数抽头，每级变化１ｄＢ。最大衰减量为６３ｄＢ。此外，它还带有静音功能，可将信号衰减９０ｄＢ。ＤＳ１８０２有四个按键输入，可用于音量／平衡控制。合理利用其过零检测器，能够实现音量的无缝调节，以得到纯净的音频信号。图２提供了一个前置放大器方案，可通过按键控制两个立体声声道。用ＤＳ１８０２构成音量控制电路时，需要将交流信号偏置在直流电源范围内，否则，ＤＳ１８０２会将低于ＧＮＤ、高于ＶＣＣ的音频信号钳位掉，ＤＳ１８０２可以采用３Ｖ或５Ｖ电源。由于音频信号通常是对称的，所以，最好将直流偏置设置在ＶＣＣ／２，以获得最大的音频信号摆幅。图２（ａ）是一个惠斯通桥电路，可用来将输入信号偏置在ＶＣＣ／２。该电路允许交流信号通过位于中间位置的电阻（电位器），来对电阻两端进行相同的直流偏置。这一点对于数字电位器非常关键，因为过零检测器是在电位器两端电压为零时切换电位器的位置，因而，可以消除由于数字电位器的非连续切换所造成的噼啪声和砰然声。图２（ｂ）是在图（ａ）基础上构建的电路，该电路的输入阻抗为１３．７ｋΩ，桥电路和输入电容造成的信号衰减为１．２ｄＢ（２０Ｈｚ）。此外，还需要在靠近DS1802和MAX4167的VCC引脚加旁路电容。

3 基于电位器的电压电阻转换电路

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３利用两路数字电位器提供了一个简单的转换方案。图中，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１０ｋΩ，抽头数为３２，那么，当滑动输出端电阻设置在５ｋΩ时，输出电阻将随时钟在５ｋΩ和５．３１２５ｋΩ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。

４ 结论

数字电位器与机械式电位器相比，除可靠性外，还占用空间较小。另外，由于减小了寄生参数，因而具有较强的抗干扰能力。数字电位器几乎可以在所有应用中替代机械式电位器，以减轻设计人员和最终用户的负担。但使用数字电位器时需要注意其温度系数（ＴＣ）指标，而且对于大多数数字电位器，必需给出两个不同的ＴＣ指标：一个是端至端ＴＣ，表示电阻随温度的绝对变化量，另一个ＴＣ参数指的是比例ＴＣ。数字电位器通常用

作分压器，这些应用对绝对阻值的要求并不严格，特别是比例应用。一个比例ＴＣ为５ｐｐｍ的数字电位器便可以在整个温度范围内提供非常稳定的增益配置。而用于可编程增益放大器（ＰＧＡ）和仪表放大器（ＩＡ）的数字电位器一般需要较高的精度，这些应用一般要求比例系数的容差（精度）在－４０℃～＋８５℃范围内优于０．０２５％。