數字電位器簡介

　　數字電位器也稱為數控電位器，是一種用數字信號控制其阻值改變的器件（集成電路）。數字電位器與機械式電位器相比，具有可程控改變阻值、耐震動、噪聲小、壽命長、抗環境污染等重要優點，因而，已在自動檢測與控制、智能儀器儀表、消費類電子產品等許多重要領域得到成功應用。但是，數字電位器額定阻值誤差大、溫度系數大、通頻帶較窄、滑動端允許電流小（一般1～3mA）等，這在很大程度上限制了它的應用。

　　數字電位器產品特性

　　1、采用傳感器原理生產，具有良好的線性、精度和溫度穩定性。

　　2、采用軟件實現功能，可以根據使用要求變化進行定制。

　　3、工作方式為非接觸，避免傳統電位器的磨損，壽命長，可靠性高。

　　4、由于取消了傳統電位器中的電刷基片，有效行程達到360°，實現無盲區測量。

　　5、輸出信號類型多（0-5V/0-10V/4-20mA/串行數字信號輸出），方便信號采集處理。

　　6、可以通過軟件實現有效行程和輸出信號的變化，滿足各種特殊要求。

　　7、應用范圍廣，使用靈活。

　　數字電位器原理介紹

　　字電位器一般帶有總線接口，可通過單片機或邏輯電路進行編程。它適合構成各種可編程模擬器件，如可編程增益放大器、可編程濾波器、可編程線性穩壓電源及音調/音量控制電路，真正實現了“把模擬器件放到總線上”（即單片機通過總線控制系統的模擬功能塊）這一全新設計理念。

　　由于數字電位器可代替機械式電位器，所以二者在原理上有相似之處。數字電位器屬于集成化的三端可變電阻器件其等效電路。當數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；而用作可調電阻器時，分別用RH、RL和RW表示。

　　數字電位器的數字控制部分包括加減計數器、譯碼電路、保存與恢復控制電路和不揮發存儲器等4個數字電路模塊。利用串入、并出的加/減計數器在輸入脈沖和控制信號的控制下可實現加/減計數，計數器把累計的數據直接提供給譯碼電路控制開關陣列，同時也將數據傳送給內部存儲器保存。當外部計數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。

　　數字控制部分的存儲器是一種掉電不揮發存儲器，當電路掉電后再次上電時，數字電位器中仍保存著原有的控制數據，其中間抽頭到兩端點之間的電阻值仍是上一次的調整結果。因此，數字電位器與機械式電位器的使用效果基本相同。但是由于開關的工作采用“先連接后斷開”的方式，所以在輸入計數有效期間，數字電位器的電阻值與期望值可能會有一定的差別，只有在調整結束后才能達到期望值。

　　數字電位器的優點

　　優點一、數字電位器的使用壽命長，一般以百萬次為單位。

　　優點二、數字電位器能配置成2端可變電阻，可將電位器中心抽頭與高端或低端相連，能將H端接最高電壓或最低電壓端。

　　數字電位器的缺點

　　缺點一、數字電位器受CMOS工藝的限制。

　　缺點二、不能直接接負電源。

　　缺點三、溫度系數太大。

　　缺點四、額定阻值差大。

　　缺點五、通頻帶較窄。

　　數字電位器和數模轉換器的區別

　　1、引言

　　利用數字輸入控制微調模擬輸出有兩種選擇：數字電位器和數/模轉換器（DAC），兩者均采用數字輸入控制模擬輸出。通過數字電位器可以調整模擬電壓;通過DAC既可以調整電流，也可以調整電壓。電位器有三個模擬連接端：高端、抽頭端（或模擬輸出）和低端（見圖1a）。DAC具有隊應的三個端點：高端對應于正基準電壓，抽頭端對應于DAC輸出，低端則可能對應于接地端或負基準電壓端（見圖1b）。

　　DAC和數字電位器存在一些明顯區別，最明顯的差異是DAC通常包括一個輸出放大器/緩沖器，而數字電位器卻沒有。大部分數字電位器需要借助外部緩沖器驅動低阻負載。有些應用中，用戶可以輕易地在DAC和數字電位器之間做出選擇;而有些應用中兩者都能滿足需求。本文對DAC和數字電位器進行了比較，便于用戶做出最恰當的選擇。

　　2、數/模轉換器

　　DAC通常采用電阻串結構或R-2R階梯架構，使用電阻串時，DAC輸入控制著一組開關，這些開關通過匹配的一系列電阻對基準電壓分壓。對于R-2R階梯架構，通過切換每個電阻對正基準電壓進行分壓，從而產生受控電流。該電流送入輸出放大器，電壓輸出DAC將此電流轉換成電壓輸出，電流輸出DAC則將R-2R階梯電流通過放大器緩沖后輸出。如果選擇DAC，還要考慮具體指標，如串口/并口、分辨率、輸入通道數、電流/電壓輸出、成本等。對于注重速度的系統，可以選用并行接口;如果注重成本和尺寸，則可選用3線或2線串口，這種器件引腳數較少，可顯著降低成本，而且，有些3線接口能達到26MHz的通信速率，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可以提供微伏級控制。例如，一個18位、2.5V基準的DAC，每個LSB對應于9.54μV，高分辨率對于工業控制（如機器人、發動機）產品極為重要。目前，數字電位器能夠提供的最高分辨率是10位或1024抽頭。數/模轉換器的另一個優勢是能夠在單芯片內集成多路轉換器，例如，MAX5733內置32路DAC，每路都能提供16位的分辨率。當前的數字電位器最多只能提供6個通道，如DS3930。

　　DAC能夠源出或吸入電流，為設計者提供更大的靈活性。例如，MAX555010位DAC通過內部放大器、P溝道MOSFET和上拉電阻能夠提供高達30mA的輸出驅動。而MAX554710位DAC結合放大器、N溝道MOSFET和下拉電阻可以提供3.6mA的吸電流。除電流輸出外，一些DAC還可以與外部放大器連接提供額外的輸出控制。因為數/模轉換器通常內置放大器，成本要高于數字電位器。但隨著新型DAC尺寸的縮小，成本差異也越來越小。

　　3、數字電位器

　　前面已談到數字電位器可以通過數字輸入控制電阻。圖1a中的3端數字電位器實際上是一個固定端到端電阻的可調電阻分壓器。通過將電位器中心抽頭與高端或低端相連，或使高端或低端浮空，數字電位器能配置成2端可變電阻。與數/模轉換器不同，數字電位器能將H端接最高電壓或最低電壓端。選用數字電位器時，用戶也需考慮具體的指標：線性或對數調節、抽頭數、抽頭級數、非易失存儲器、成本等。控制接口有遞增/遞減、按鈕、SPI和I2C。

　　與數/模轉換器一樣，數字電位器通過串口通信，包括I2C和SPI。此外，數字電位器還提供了2線的遞增、遞減接口控制。通常，DAC與數字電位器的顯著區別在于數/模轉換器內部帶有輸出放大器。通過該輸出放大器可以驅動低阻負載。

　　4、DAC/電位器的選擇

　　很多應用場合，用戶可以輕易地在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，需要選用DAC。另外，高速應用中，例如基站、儀表等對速度、分辨率要求較高，甚至需要并行接口的DAC。電位器的線性特性便于實現放大器反饋網絡。相對于數/模轉換器，對數電位器更適合音量調節。

　　但在當前的許多應用中，DAC與數字電位器之間選擇的界限比較模糊，圖2中的DAC和數字電位器都可用于控制MAXl553LED驅動器。MAXll53亮度（BRT）輸入的直流電壓和檢流電阻決定了LED的電流。

　　區分數字電位器的性能

　　數字電位器，或digipot，方便了模擬電路的電阻、電壓以及電流的數字控制和調整。數字電位器通常用于電源校準、音量控制、亮度控制、增益調節以及光模塊的偏置/調制電流調節。數字電位器除基本功能外，還提供許多其它功能，以增強系統性能，簡化設計。這些功能包括：不同類型的非易失存儲器、過零檢測、去抖動按鍵接口、溫度補償和寫保護。這些功能針對不同的應用而設計。

　　基本的數字電位器設計

　　電位器實際上是一個三端元件（見圖1a）。低端VL在內部連接至器件地或作為引腳輸出，便于設計。三端數字電位器的結構實質上是一個具有固定端到端電阻的可調節分壓電阻。

　　可變電阻是雙端電位器，抽頭和一個電阻串端點的阻值可變（參考圖1b）。調節可變電阻數字電位器的抽頭位置，可以改變數字電位器的端到端電阻。

　　圖1.（a）三端數字電位器的結構實質上是一個具有固定端到端電阻的可調節分壓電阻。（b）可變電阻為雙端數字電位器，抽頭內部連接到電位器的一端。

　　簡單地說，數字電位器是由數字輸入控制的模擬輸出，類似于數/模轉換器（DAC）的定義。與DAC不同的是，DAC提供經過緩沖的輸出，而絕大多數數字電位器在沒有外部緩沖器的情況下不能驅動低阻負載。

　　對于數字電位器，最大抽頭電流范圍為幾百微安到毫安級。當數字電位器的抽頭連接到低阻負載時，無論是可變電阻還是真正的數字電位器，一定要確保在最糟糕的工作條件下抽頭電流處于可接受的IWIPER范圍。可變電阻的最差負載發生在VW接近VH時。在這個點上，電路中除抽頭電阻以外可能沒有其它電阻限制電流。但是，有些應用中可能要求很大的抽頭電流，這種情況下，需要重點考慮電位器抽頭的壓降，這個壓降限制了數字電位器的輸出動態范圍。

　　根據應用需求改進設計

　　數字電位器的應用范圍很廣，一些設計中可能需要外加器件，以滿足對數字電位器的“精密調節”要求。例如，數字電位器的端到端電阻范圍為10kΩ和200kΩ，而控制LED亮度時常常需要小電阻。解決這個問題的方案是DS3906，該芯片與105Ω的固定電阻并聯使用，可提供70Ω至102Ω的等效電阻。這種配置下可以獲得0.5Ω的步進調節，精確調節LED亮度。另一個解決方案是多通道數字電位器，如MAX5477或MAX5487，可以多個通道相互組合得到不同的調節電阻步長，達到數字電位器的分辨率要求。

　　有些情況可能需要更特殊的數字電位器功能，對于需要溫度補償的電壓或電流調節，如光模塊的光驅動器偏置，可以選擇基于查找表的可變電阻。一些數字電位器集成了EEPROM（用于存儲溫度變化時的校準數據）和內部溫度傳感器（用于測量環境溫度）。數字電位器按照測量溫度在查找表中檢索到對應的數值，調整可變電阻。基于溫度查找表的數字電位器通常用來修正電路元件的非線性溫度響應，如激光二極管或光電二極管；也可以根據應用需要，有意建立一個非線性電阻的溫度響應。

　　非易失存儲器是數字電位器中引入的比較常見的低成本功能電路，標準的基于EEPROM的非易失（NV）數字電位器在上電復位（POR）期間進入一個已知狀態。EEPROM能夠確保50，000次的重復寫次數，相對于機械電位器，大大提高了系統的可靠性。一次性編程（OTP）數字電位器，如MAX5427/MAX5428/MAX5429，采用熔絲設置，永久保存默認的抽頭位置。與基于EEPROM的數字電位器一樣，POR后OTP數字電位器初始化到已知狀態。然而，OTP數字電位器的POR狀態一旦編程后不能重寫。所以，OTP很適合工廠編程或產品校準。熔絲永久性地設置OTP數字電位器的POR抽頭位置，無需鎖定抽頭位置。有些OTP數字電位器的抽頭在熔絲編程后可以調節；有些OTP數字電位器的抽頭位置則被永久性地設置，得到一個精確的、經過校準的電阻分壓器。一些數字電位器提供鎖定寄存器，或數字控制輸入，使數字電位器接口呈高阻態，避免不恰當的抽頭調整。EEPROM數字電位器的寫保護功能還降低了功耗。

　　數字電位器可以在電源或其它需要工廠校準的系統中完成電壓和電流校準。與機械電位器或分離電阻等費時且不精確的手動校準相比，數字電位器有助于提高制造商的生產能力，改善校準精度和重復性指標。另外，數控電位器便于遠程調試和重新校準。需要校準多個電壓和/或電流時，使用DS3904/DS3905等三路NV數字電位器非常理想（圖2）。這種情況下，一個小體積數字電位器可以代替三個機械電位器。用數字電位器替代機械電位器還有助于提高電路布局的靈活性，因為數字電位器不需要在安裝或維護期間進行機械調整。校準是OTP或EEPROM寫保護功能的典型應用，其中EEPROM寫保護更有利于設計。

　　圖2.DS3904/DS3905三路非易失數字電位器，可理想用于需要校準多路電壓/電流的系統。這款小尺寸IC可以替代3個機械電位器。

　　雖然不是數字電位器，DS4303等具有簡單的單線數字控制接口的采樣/保持電壓基準也能用于產品校準（圖3）。緊湊的設計非常符合校準的需求，電壓基準輸出在被控制信號鎖定之前取決于輸入電壓，輸出鎖定后，除非重新編程或掉電，否則輸出將不再發生變化，與輸入電壓無關。最新產品把鎖定后的輸出電壓存儲在EEPROM中，電源上電后可重新恢復。

　　圖3.非易失采樣/保持電壓基準DS4303，雖然不是數字電位器，但可理想用于產品校準。校準時，在被控制信號（ADJ）鎖定之前，DS4303輸出（VOUT）取決于輸入電壓（VIN）。

　　改進后的按鍵接口是傳統接口（增/減和旋轉控制）的補充。帶有緩沖輸出的數字電位器MAX5486使用了這種接口。這種經過去抖的按鍵接口基于按鍵按下的時間，用變化的速度控制抽頭動作。按鍵接口不需要微控制器，降低了系統設計的復雜度。去抖動按鍵接口對于音量控制尤其重要。

　　針對音頻應用設計的數字電位器通常提供過零檢測電路，過零檢測可以抑制抽頭從一個位置跳變到另一個位置時的可聞噪聲。該功能使能后，過零檢測電路將抽頭動作推遲到VL接近VH時。很多過零檢測電路還提供最大抽頭變化的延遲，方便直流調節及其它特定電路。

　　結論

　　簡單的易失性數字電位器在系統設計中仍然實用，而針對特殊應用設計的數字電位器和可變電阻提供了更多的功能。目前，很多設計者希望替換機械電位器，提高系統的可靠性和在整個工作溫度范圍內的性能，省去系統微處理器，或抑制咔嗒/噼噗聲。對于這些需求，數字電位器充分展現它的優勢，數字電位器的應用越來越普遍。