数字电位器报告

自动检测技术（课外报告）一、数字电位器的介绍数字电位器也称为数控电位器，是一种用数字信号控制其阻值改变的器件(集成电路)。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、寿命长等显着优点，可在许多领域取代机械电位器。二、数字电位器的特点总的来说，数字电位器与机械式电位器相比，具有可程控改变阻值、耐震动、噪声小、寿命长、抗环境污染等重要优点，因而，已在自动检测与控制、智能仪器仪表、消费类电子产品等许多重要领域得到成功应用。但是，数字电位器额定阻值误差大、温度系数大、通频带较窄、滑动端允许电流小(一般1～3mA)等，这在很大程度上限制了它的应用。数字电位器取消了活动件，是一个半导体集成电路。其优点为：调节精度高；没有噪声，有极长的工作寿命；无机械磨损；数据可读写；具有配置寄存器及数据寄存器；多电平量存储功能，特别适用于音频系统；易于软件控制；体积小，易于装配。它适用于家族影院系统，音频环绕控制，音响功放和有线电视设备等。具体地说：（1）数字电位器是一种步进可调电阻。其输入为数字量，输出为模拟量，是一种特殊的数/模转换器（DAC）。但其输出量并非电压或电流，而是电阻值或电阻比率，故亦称之为电阻式数/模转换器（RDAC）。（2）分辨率与内部RDAC的位数有关，RDAC的位数愈多，分辨率愈高。分辨率、抽头数与RDAC位数的对应关系见表9-1-1。数字电位器内部单元电阻的个数等于抽头数减去1。分辨率、抽头数与RDAC位数的对应关系RDAC的位数45678910抽头数24＝1625＝3226＝6427＝12828＝25629＝512210＝1024单元电阻的个数1531631272555111023分辨率/（％）6.73.21.60.790.390.1960.098采用4位RDAC的分辨率仅为6.7％，而采用10位RDAC的分辨率达到0.098％。因此，采用10位RDAC的数字电位器调节精度优于0.1％。（3）数字电位器主要有8种接口电路：①按键式接口；②单线接口；③I2C总线接口；④三线加/减式串行接口；⑤二线加/减式串行接口；⑥SPI总线接口；⑦Microwire总线接口；⑧二线并行接口。其中，①～⑦为串行接口，⑧为并行接口，很容易配微控制器（MCU，含微处理器μP或单片机μC）进行编程。MCU可通过串行总线来控制滑动端的位置，对数字电位器的电阻值进行自动调整。（4）实现模拟功能的计算机化。实现模拟功能计算机化的示意图三、数字电位器的基本原理数字电位器一般由数字控制电路、存储器和RDAC电路组成。RDAC电路是数字电位的重要组成部分，它是一种特殊的数/模转换电路，与一般的数/模电路不同的是转换后的模拟量不是电压值而是电阻值。不同型号的数字电位器其数字控制电路的结构形式不同，但主要功能都是将输入的控制信号进行处理后控制RDAC，非易失性存储器用来存储控制信号和电位器的抽头位置。特性：◆采用集成电路工艺生产，具有良好的线性、精度和温度稳定性◆采用电信号控制电阻的变化◆可选择记忆功能和不记忆功能◆温度特性好，抗冲击具有优越的环境适应性◆体积小，节省空间，易于装配◆寿命长，可靠性高◆应用范围广，使用灵活1、数字电位器的基本工作原理数字电位器属于集成化的三端可变电阻器件，其等效电路如图所示。数字电位器的等效电路数字电位器的原理示意图如图所示。数字电位器的原理示意图2.数字电位器的数学模型数字电位器（DCP）的数学模型如图a、b、c所示，数字电位器的数学模型a）数字电位器的拓扑结构b）数字电位器的等效电路c）SPICE模型假定数字电位器的总抽头数为n，所用抽头序号为n1，数字电位器滑动端的比例位置为k。有关系式11－＝nnk式中，0≤k≤1。因此，数字电位器的总电阻R就被滑动端划分成两个互补电阻：kR，（1－k）R。二者呈互补关系，具体电阻值取决于由输入代码所确定的滑动端的位置。结论：（1）数字电位器可等效于三端可编程电阻。（2）互补电阻kR和（1－k）R是输入代码的函数。（3）数字电位器可视为能输出电阻值的一种特殊的数/模转换器，且输出电阻可转换成电压或电流输出。3、数字电位器的配置模式a、b分别示出数字电位器有两种配置模式，一种为可调电阻器模式，另一种为分压器模式。数字电位器的两种配置模式a）配制成可调电阻器b）配制成分压器1.配制成可调电阻器计算RWH、RWL的公式如下：RWH＝Wn22RRDmm＋－RWL＝Wn2RRDm＋2.配制成分压器计算RH、RL的公式如下：RH＝RDmm22n－RL＝RDm2n四、数字电位器的基本应用可编程增益放大器（ProgrammableGainAmplifier，PGA），是用数字电位器来代替机械电位器，再利用单片机或微处理器（μP）自动调节运算放大器的增益，可满足不同用户的需要。一、同相可编程增益放大器1.数字电位器作可调电阻器使用的同相可编程增益放大器令数字电位器的总抽头数为N，滑动端所接抽头的序号为n1，滑动端的比例位置为k（k＝0～1）。有关系式11－＝Nnk对256抽头的线性数字电位器而言，N＝256，假定n1＝89，则k＝89/（256－1）＝0.3490。数字电位器端对端的总电阻R被滑动端划分成两部分，一部分的阻值为kR，另一部分的阻值为（1－k）R。数字电位器作可调电阻器使用的同相可编程增益放大器a）电路结构b）增益与滑动端位置的关系曲线计算增益的公式为G＝1＋1RkR该电路的优点是增益与滑动端位置呈线性关系，因此它具有良好的线性增益调整特性,适用于对增益要求不高的场合，2.数字电位器作可调分压器使用的同相可编程增益放大器数字电位器作可调分压器使用的同相可编程增益放大器电路如图所示。数字电位器作可调分压器使用的同相可编程增益放大器a）电路结构b）增益与滑动端位置的关系曲计算增益的公式为G＝1＋）－（＋＝）－（kkRkkR111当k＝0时，Gmin＝1；当k＝1时，Gmax→∞。因此，增益的调整范围是1～∞。该电路有两个优点：第一，滑动端电阻随温度的变化量可忽略不计；第二，公式中不含R，证明G与R无关，因此能消除数字电位器端对端的总电阻对增益的影响。该电路的缺点是增益与滑动端位置呈非线性关系。该电路特别适合构成电子血压计。二、反相可编程增益放大器1.数字电位器作可调电阻器使用的反相可编程增益放大器数字电位器作可调电阻器使用的反相可编程增益放大器电路如图所示。数字电位器作可调电阻器使用的反相可编程增益放大器a）电路结构b）增益与滑动端位置的关系曲线计算增益的公式为G＝－1RkR该电路的优点是增益与滑动端位置呈线性关系。缺点是增益受R的偏差影响可能存在±25%的变化量。2.数字电位器作可调分压器使用的反相可编程增益放大器数字电位器作可调分压器使用的反相可编程增益放大器电路如图所示。数字电位器作可调分压器使用的反相可编程增益放大器a）电路结构b）增益与滑动端位置的关系曲线增益的计算公式为G＝－kkRkkR－＝－）－（11该电路的优点是电路简单，外围元件少，增益不受R的影响，也不必考虑滑动端电阻随温度的变化。缺点是增益与滑动端位置呈非线性关系。该电路适用于音量控制电路、亮度控制电路、校准电路及自动增益控制电路。参考文献：[1]屈志磊.《理解和应用数字电位器》.中国知网,2012.[2]OFweek电子工程网.《详解数字电位器的原理及应用》.[3]沙占友.《数字电位器设计原理与应用》.机械工业出版社,2013.