數(shù)字電位器如何解決電路調(diào)節(jié)問(wèn)題

　　幾十年來(lái)，機(jī)械式電位器一直用在從電路微調(diào)到音量控制的各種應(yīng)用中。然而，機(jī)械式電位器有其局限性：滑臂可能會(huì)磨損，容易受潮，也有可能被意外移出設(shè)定位置。此外，隨著全球數(shù)字化轉(zhuǎn)型，設(shè)計(jì)者需要一種替代方案，以滿足更精確的控制和高可靠性要求，以及能夠靈活地通過(guò)固件進(jìn)行遠(yuǎn)程調(diào)節(jié)。

　　數(shù)字式電位器 IC 通常被稱為數(shù)字電位器，是連通數(shù)字和模擬電阻世界的橋梁，讓上述問(wèn)題迎刃而解。作為一種兼容微控制器的全電子器件，數(shù)字電位器可通過(guò)處理器和軟件來(lái)控制、設(shè)置和改變其電阻值或分壓比。

　　數(shù)字電位器擁有機(jī)械式電位器無(wú)法比擬的特點(diǎn)和功能，并且數(shù)字電位器不需要滑臂，因此更加堅(jiān)固可靠。數(shù)字電位器可防止被故意或意外調(diào)節(jié)，從而避免了莫名其妙的性能變化。這種器件的應(yīng)用不計(jì)其數(shù)，包括 LED 熱穩(wěn)定、LED 調(diào)光、閉環(huán)增益控制、音量調(diào)節(jié)、校準(zhǔn)、用于傳感器的惠斯通電橋微調(diào)、控制電流源和調(diào)節(jié)可編程模擬濾波器等。

　　本文將簡(jiǎn)要介紹電位器及其向數(shù)字電位器的演變。然后，以 Analog Devices、Maxim Integrated、Microchip Technology 和 Texas Instruments 的器件為例，介紹數(shù)字電位器的操作、基本和高級(jí)配置，以及如何解決電路調(diào)節(jié)問(wèn)題。本文將展示這些器件的功能、特性、性能和選項(xiàng)如何用于簡(jiǎn)化電路，使電路與處理器兼容并減少甚至消除對(duì)笨重、不太可靠的機(jī)械電位器的需求。

　　首先介紹電位器的基礎(chǔ)知識(shí)

　　電位器在電力和電子學(xué)的最早期就已經(jīng)是一個(gè)重要的無(wú)源電路組件。電位器是一種三端子設(shè)備，帶有一個(gè)可訪問(wèn)的電阻元件，可通過(guò)旋轉(zhuǎn)軸上用戶可設(shè)置的滑動(dòng)臂實(shí)現(xiàn)分壓功能。電位器已用于無(wú)數(shù)的模擬和混合信號(hào)電路，能滿足各種各樣的應(yīng)用要求（圖 1）。

圖 1：標(biāo)準(zhǔn)電位器是一個(gè)可由用戶設(shè)置的帶轉(zhuǎn)軸可變電阻器。（圖片來(lái)源：etechnog.com）

　　當(dāng)滑臂沿著電阻元件旋轉(zhuǎn)和滑動(dòng)時(shí)，任何一端的觸頭和可調(diào)滑臂之間的電路電阻從零歐姆（標(biāo)稱）到導(dǎo)線或薄膜電阻的全額定值之間變化。大多數(shù)電位器的旋轉(zhuǎn)范圍約為 270 至 300 度，典型的機(jī)械分辨率和重復(fù)性約為滿量程值的 0.5% 和 1%（分別為 1/200 和 1/100 之間）。

　　請(qǐng)注意，電位器和其最初的同類器件——變阻器之間有一個(gè)輕微但明顯的重要區(qū)別。電位器是一個(gè)作為分壓器的三端設(shè)備（圖 2，左），而變阻器是一個(gè)兩端可調(diào)的電阻，用于控制電流流動(dòng)。連接電位器通常是為了創(chuàng)建一個(gè)變阻器，有三種類似的連接方式，即留出其中的一個(gè)端子，不做任何調(diào)節(jié)，或者直接將其與滑臂連接（圖 2，右）。

圖 2：可以很方便地用三種連接方法中的任何一種來(lái)連接帶有端子 A 和 B 以及滑臂 W 的電位器（左），將其用作變阻器（右）。（圖片來(lái)源：Analog Devices）

　　數(shù)字電位器：IC 形式的電位器

　　全電子數(shù)字電位器仿真了機(jī)電式電位器的功能，但這是通過(guò)一個(gè)沒(méi)有活動(dòng)部件的集成電路來(lái)實(shí)現(xiàn)的。數(shù)字電位器可接受多種格式的數(shù)字代碼，并確立一個(gè)相應(yīng)的電阻值。因此，這種器件有時(shí)被稱為電阻式數(shù)模轉(zhuǎn)換器 （RDAC）。

　　在傳統(tǒng)電位器中，可以用手（有時(shí)甚至是小型電機(jī)）來(lái)設(shè)定滑臂位置，以此設(shè)置分壓比。然而，在數(shù)字電位器中，計(jì)算機(jī)控制器通過(guò)數(shù)字接口與數(shù)字電位器 IC 連接，并建立一個(gè)與滑臂位置等效的數(shù)值（圖 3）。

圖 3：數(shù)字電位器 IC 用一個(gè)以數(shù)字方式設(shè)置的電子開(kāi)關(guān)來(lái)模擬機(jī)械式滑臂，從而取代了手動(dòng)設(shè)置式電位器。（圖片來(lái)源：Circuits101，修改版）

　　數(shù)字電位器使用標(biāo)準(zhǔn)的 CMOS 集成電路技術(shù)，不需要特殊的制造或處理工藝。表面貼裝數(shù)字電位器 IC 的尺寸通常為 3×3 mm 或更小，遠(yuǎn)小于旋鈕式電位器或甚至是需要用小型螺絲刀調(diào)節(jié)的微調(diào)電位器；在 PC 板生產(chǎn)方面，這種 IC 的處理方式與任何其他表面貼裝技術(shù) （SMT） 集成電路相同。

　　數(shù)字電位器的內(nèi)部拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)大體上由一個(gè)簡(jiǎn)單的串聯(lián)電阻串組成，并且在滑臂和這些電阻之間有可數(shù)字尋址電子開(kāi)關(guān)。發(fā)出數(shù)字指令時(shí)相應(yīng)的開(kāi)關(guān)閉合，而其他開(kāi)關(guān)則斷開(kāi)，從而確立所需的滑臂位置。這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)實(shí)際上有一些不足，包括需要大量的電阻、開(kāi)關(guān)以及較大的芯片尺寸。

　　為了最大限度地減少這些問(wèn)題，供應(yīng)商已經(jīng)設(shè)計(jì)了各種巧妙的電阻器和開(kāi)關(guān)布局，在確保具有相同效果的情況下減少電阻和開(kāi)關(guān)的數(shù)量。以上每一種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)都會(huì)導(dǎo)致在數(shù)字電位器如何確定范圍及其二季特性方面的小差異，但對(duì)用戶來(lái)說(shuō)絕大部分差異都是透明的。在下文中，我們將用“電位器”表示機(jī)電式電位器，用“數(shù)字電位器”表示全電子式電位器。

　　數(shù)字電位器具有一系列規(guī)格、功能

　　與任何組件一樣，在選擇數(shù)字電位器時(shí)也有主要參數(shù)和次要參數(shù)需要考慮。排名靠前的問(wèn)題是標(biāo)稱電阻值、分辨率和數(shù)字接口的類型，同時(shí)需要考慮的因素包括容差和誤差源、電壓范圍、帶寬和失真。

　　? 所需的電阻值，通常稱為端到端電阻，由電路的設(shè)計(jì)考慮事項(xiàng)決定。供應(yīng)商以 1/2/5 的順序提供 5 kΩ 和 100kΩ 之間的電阻值，還有一些其他中間值。此外，還有一些具有擴(kuò)展范圍的器件，可低至 1 kΩ 或者高至 1 MΩ。

　　? 分辨率定義了數(shù)字電位器能夠提供多少個(gè)離散式步進(jìn)或抽頭設(shè)定值，范圍從 32 到 1024 步，以使設(shè)計(jì)者能夠滿足應(yīng)用需要。請(qǐng)記住，即使是一個(gè)中程 256 步（8 位）數(shù)字電位器的分辨率也比電位器高。

　　? 微控制器和數(shù)字電位器之間的數(shù)字接口采用標(biāo)準(zhǔn)的串行 SPI、I2C 格式，還有地址引腳，這樣就可以通過(guò)一條總線連接多個(gè)設(shè)備。微控制器使用一個(gè)簡(jiǎn)單的數(shù)據(jù)編碼方案來(lái)指示所需的電阻設(shè)置。諸如 Texas Instruments 的 TPL0501 器件便是此類極簡(jiǎn)型數(shù)字電位器。這是一種具有 SPI 接口的 256 抽頭數(shù)字電位器，非常適合功率耗散和尺寸至關(guān)重要的情況（圖 4）。該器件采用節(jié)省空間的 8 針 SOT-23（1.50 mm × 1.50 mm）和 8 針 UQFN（1.63 mm × 2.90 mm）封裝。

圖4：像 Texas Instruments 的 TPL0501 這樣具有 SPI 接口的基本型數(shù)字電位器，對(duì)于不需要更多功能的空間和功率受限型應(yīng)用來(lái)說(shuō)是一種有效的器件。（圖片來(lái)源：Texas Instruments）

　　例如，在實(shí)際中可將其用于臨床級(jí)可穿戴醫(yī)療設(shè)備，如血氧儀和傳感器補(bǔ)片。該器件在本例中搭配使用 TI 的 OPA320 運(yùn)算放大器（圖 5）。通過(guò)組合這兩種器件，可以構(gòu)建一個(gè)分壓器，用于控制提供數(shù)模轉(zhuǎn)換器 （DAC） 輸出的放大器增益。很明顯有人會(huì)問(wèn)，為什么不簡(jiǎn)單地使用一個(gè)完整的標(biāo)準(zhǔn) DAC？具體原因是，這種臨床應(yīng)用需要高精度、軌至軌模擬輸出，具有高共模抑制比 （CMRR） 和低噪聲。為此，OPA320 的這兩個(gè)指標(biāo)在10 kHz 時(shí)分別為 114 dB 和 7 nV/√Hz。

圖 5： 數(shù)字電位器可與精密運(yùn)算放大器（如 TI 的 OPA320）配合使用，創(chuàng)建一個(gè)其運(yùn)算放大器輸出性能超凡的 DAC。（圖片來(lái)源：Texas Instruments）

　　此外，還有一些數(shù)字電位器接口變化，可簡(jiǎn)化其在手動(dòng)式音量控制器等應(yīng)用中的使用。另外兩個(gè)選擇是按鈕和上/下 （U/D） 接口。使用按鈕時(shí)，用戶可以按下兩個(gè)按鈕中任意一個(gè)：一個(gè)用于增加電阻，另一個(gè)用于減少電阻。請(qǐng)注意，該操作過(guò)程中沒(méi)有處理器參與（圖 6）。

圖 6：采用按鈕式接口時(shí)，允許在兩個(gè)手動(dòng)按鈕之間進(jìn)行無(wú)處理器連接，因此可以直接增加/減少數(shù)字電位器的設(shè)置。（圖片來(lái)源：Analog Devices）

　　U/D 接口可以用最小的軟件開(kāi)銷來(lái)實(shí)現(xiàn)，并通過(guò)一個(gè)簡(jiǎn)單的旋轉(zhuǎn)編碼器或與處理器相連的按鈕來(lái)觸發(fā)，使用諸如 Microchip Technology 的 MCP4011 等數(shù)字電位器來(lái)實(shí)現(xiàn)。這是一個(gè)基本的 64 步（6 位）器件，其電阻值為 2.1 kW、5 kW、10 kW 和 50 kW（圖 7）。

圖 7：像 Microchip Technology 的 MCP4011 這種具有邊沿驅(qū)動(dòng)式 U/D 控制線路和芯片選擇的數(shù)字電位器，只需主微控制器提供最少的 I/O 和軟件資源。（圖片來(lái)源：Microchip Technology，有修改）

　　該器件使用單一的高電平或低電平邊沿觸發(fā)，再加上芯片選擇，來(lái)增加或減少電阻增量（圖 8）。這樣，就可以簡(jiǎn)單地實(shí)現(xiàn)一個(gè)旋鈕，看起來(lái)就像傳統(tǒng)的音量控制器，與電位器沒(méi)有任何關(guān)系，但又有數(shù)字電位器的各種優(yōu)勢(shì)。

圖 8：數(shù)字電位器的 U/D 接口支持使用來(lái)自低分辨率編碼器的觸發(fā)器對(duì)電阻值進(jìn)行邊緣觸發(fā)式增減。（圖片來(lái)源：Microchip Technology）

　　數(shù)字電位器的容差可能會(huì)是一個(gè)問(wèn)題，因?yàn)槿莶钔ǔＴ陬~定值的 ±10 和 ±20% 之間，這個(gè)范圍在許多比率測(cè)量或閉環(huán)情況下是可以接受的。然而，如果數(shù)字電位器與外部分立電阻器或開(kāi)環(huán)應(yīng)用中的傳感器相匹配，容差就可能是一個(gè)關(guān)鍵參數(shù)。因此，有的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字電位器具有更嚴(yán)格的容差，可低至 ±1%。當(dāng)然，與所有的 IC 一樣，電阻溫度系數(shù)、與溫度有關(guān)的漂移也可能是一個(gè)因素。供應(yīng)商在他們的規(guī)格書(shū)中規(guī)定了這個(gè)數(shù)字，這樣設(shè)計(jì)者就可以通過(guò) Spice 等電路模型來(lái)評(píng)估其影響。其他緊容差選擇將在下文將討論。

　　盡管在如校準(zhǔn)或偏置點(diǎn)設(shè)置等靜態(tài)應(yīng)用中帶寬和失真不是同一個(gè)考慮因素，但在音頻及相關(guān)應(yīng)用中卻是一個(gè)問(wèn)題。特定代碼的電阻路徑與開(kāi)關(guān)寄生、引腳和電路板電容相結(jié)合，會(huì)形成一個(gè)電阻電容 （RC） 低通濾波器。較小的端對(duì)端電阻值產(chǎn)生較高的帶寬，1 kΩ 數(shù)字電位器的帶寬可達(dá)約 5 MHz，1 MΩ 數(shù)字電位器則低至 5 kHz。

　　相比之下，總諧波失真 （THD） 很大程度上是由于不同的應(yīng)用信號(hào)水平下電阻的非線性造成的。端對(duì)端電阻值較大的數(shù)字電位器減少了內(nèi)部開(kāi)關(guān)電阻相對(duì)于總電阻的貢獻(xiàn)，從而使 THD 更低。因此，帶寬與 THD 的關(guān)系是設(shè)計(jì)者在選擇標(biāo)稱數(shù)字電位器值時(shí)必須優(yōu)先考慮和權(quán)衡的一個(gè)因素。典型值范圍為從 20 kΩ 數(shù)字電位器的 -93dB，到 100 kΩ 數(shù)字電位器的 -105dB。

　　數(shù)字電位器的雙重、四重和線性與對(duì)數(shù)變化之比較

　　除了“免手動(dòng)”可控性能外，數(shù)字電位器更加簡(jiǎn)單，易于設(shè)計(jì)導(dǎo)入且成本遠(yuǎn)低于電位器。數(shù)字電位器的其他功能：

　　? 在兩個(gè)電阻值必須獨(dú)立調(diào)節(jié)時(shí)，雙重?cái)?shù)字電位器便很有用，而且當(dāng)二者必須為同一數(shù)值則優(yōu)勢(shì)更加明顯。雖然可以使用兩個(gè)獨(dú)立的數(shù)字電位器 IC，但雙重器件還有可以跟蹤電阻值的優(yōu)勢(shì)，盡管會(huì)存在容差和漂移；也可以使用四重?cái)?shù)字電位器。

　　? 線性與對(duì)數(shù) （log） 設(shè)置：雖然調(diào)節(jié)和校準(zhǔn)應(yīng)用通常要求數(shù)字編碼和合成電阻值之間是線性關(guān)系，但對(duì)數(shù)關(guān)系有利于許多音頻應(yīng)用，可以更好地適應(yīng)音頻情況下所需的分貝調(diào)節(jié)。

　　為滿足這一需求，設(shè)計(jì)人員可以使用對(duì)數(shù)型數(shù)字電位器，如 Maxim Integrated Products 的 DS1881E-050+。這種雙通道器件采用 5 V 單電源供電，其端到端電阻為 45 kΩ，具有 I2C 接口和地址引腳，允許在總線上連接多達(dá)八個(gè)器件。在兩個(gè)通道中，每個(gè)通道的電阻值都可獨(dú)立設(shè)置，并且為用戶提供了多個(gè)可選的配置設(shè)定值；基本配置為 63 步，每步衰減 1 dB，從 0 dB 到 -62 dB，以及靜音功能（圖 9）。

圖 9：Maxim DS1881E-050+ 雙通道數(shù)碼相機(jī)設(shè)計(jì)用于音頻信號(hào)路徑，在 63dB 范圍內(nèi)增益設(shè)置為 1dB/步。（圖片來(lái)源：Maxim Integrated Products）

　　DS1881E-050+ 能夠最大限度地減少串?dāng)_，且兩個(gè)通道提供 0.5 dB 通道間匹配，以最大限度地減少它們之間的音量差異。該器件還實(shí)現(xiàn)了可防止出現(xiàn)可聞咔噠聲的過(guò)零電阻切換，并包括非易失性存儲(chǔ)器；其一般效用將在下文討論。

　　數(shù)字電位器能夠應(yīng)對(duì)的最大電壓也是一個(gè)考慮因素。低電壓數(shù)字電位器可在低至 +2.5 V（或 ±2.5 V 雙極）電源軌上工作，而更高電壓的數(shù)字電位器，如 Microchip Technology 的 MCP41HV31——一款 50 kΩ、128 個(gè)抽頭的 SPI 接口器件，可在高達(dá) 36 V（±18 V）的電源軌上工作。

　　非易失性存儲(chǔ)器協(xié)助電源復(fù)位

　　基本的數(shù)字電位器有很多優(yōu)點(diǎn)，但與電位器相比有一個(gè)不足無(wú)法避免：數(shù)字電位器的設(shè)置在斷電后會(huì)丟失，而且其上電復(fù)位 （POR） 位置是由自身設(shè)計(jì)設(shè)定的，通常在中程部分。不幸的是，對(duì)于許多應(yīng)用來(lái)說(shuō)，這種 POR 設(shè)置不可接受?？紤]校準(zhǔn)設(shè)置：一旦確定就應(yīng)該保留，直到有意去調(diào)節(jié)，即使是切斷線路電源或更換電池也是如此；此外，在許多應(yīng)用中，“正確”設(shè)置是在斷電時(shí)最后使用的設(shè)置。

　　因此，電位器還能繼續(xù)使用的原因之一是，它們的設(shè)置在電源復(fù)位時(shí)不會(huì)丟失；不過(guò)數(shù)字電位器已經(jīng)消除了這一缺陷。最初常見(jiàn)的設(shè)計(jì)是讓系統(tǒng)處理器在運(yùn)行期間回讀數(shù)字電位器的設(shè)置，然后在上電時(shí)重新加載。然而，這樣做造成會(huì)開(kāi)機(jī)故障，對(duì)系統(tǒng)的完整性和性能來(lái)說(shuō)往往是不可接受的。

　　為解決這一問(wèn)題，供應(yīng)商在數(shù)字電位器中使用基于 EEPROM 的非易失性存儲(chǔ)器 （NVM） 技術(shù)。有了 NVM，數(shù)字電位器在電源關(guān)閉時(shí)可保留其最后設(shè)置的滑臂位置，而一次性可編程 （OTP） 版本則允許設(shè)計(jì)者將滑臂的上電復(fù)位 （POR） 位置設(shè)置為預(yù)先定義的值。

　　NVM 增強(qiáng)了其他方面的性能。例如，Analog Devices 的 AD5141BCPZ10 電阻容差誤差存儲(chǔ)在其 EEPROM 存儲(chǔ)器中（圖 10）。該器件是一款單通道、128/256 位、可重寫(xiě)的非易失性數(shù)字電位器，支持 I2C 和 SPI 接口。使用已保存的容差值，設(shè)計(jì)者可以計(jì)算出端到端電阻的實(shí)際值，精確度為 0.01%，從而定義“滑臂上方”部分和“滑臂下方”部分的數(shù)字電位器分段比率。這種精度比沒(méi)有采用 NVM 的數(shù)字電位器的 1% 精度高一百倍。

圖 10：Analog Devices 的 AD5141BCPZ10 數(shù)字電位器集成了可重寫(xiě)的非易失性存儲(chǔ)器 （EEPROM），可用于保存所需的上電復(fù)位設(shè)置，以及自身電阻器陣列的校準(zhǔn)系數(shù)。（圖片來(lái)源：Analog Devices）

　　這種線性增益設(shè)置模式允許通過(guò) RAW 和 RWB 電阻串對(duì)數(shù)字電位器端子之間的電阻值進(jìn)行獨(dú)立設(shè)置，可實(shí)現(xiàn)高精確度電阻匹配（圖 11）。例如，反相放大器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)經(jīng)常需要如此之高的精度，在這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中，增益是由兩個(gè)電阻的比率決定的。

圖 11：對(duì)于使用精確的電阻比來(lái)設(shè)置放大器增益的電路來(lái)說(shuō)，數(shù)字電位器中的 NVM 也可以用來(lái)保存滑臂上方和下方的校準(zhǔn)電阻值。（圖片來(lái)源：Analog Devices）

　　警惕數(shù)字電位器的特異性

　　雖然在傳統(tǒng)設(shè)備不太理想或不實(shí)用的情況下，數(shù)字電位器被廣泛用于取代傳統(tǒng)器件，但他們確實(shí)有一些需要引起設(shè)計(jì)者注意的特性。例如，電位器的金屬滑臂與電阻元件接觸時(shí)接觸電阻幾乎為零，且溫度系數(shù)通常可以忽略。然而，對(duì)數(shù)字電位器來(lái)說(shuō)，滑臂則是一個(gè) CMOS 元件，其電阻雖小，但意義大，具體為幾十歐到 1 kΩ 范圍內(nèi)。如果 1 mA 電流通過(guò) 1kΩ 的滑臂，那么滑臂上產(chǎn)生的 1 V 電壓降可能會(huì)限制輸出信號(hào)的動(dòng)態(tài)范圍。

　　此外，該滑臂的電阻是所施加電壓和溫度的函數(shù)，所以導(dǎo)致了非線性，從而使信號(hào)路徑中的交流信號(hào)失真?；鄣牡湫蜏囟认禂?shù)約為百萬(wàn)分之 300 每攝氏度 （ppm/?C），這可能很重要，在進(jìn)行高精度設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)將其考慮在誤差預(yù)算中。數(shù)字電位器型號(hào)也具有更低的系數(shù)。

　　結(jié)語(yǔ)

　　數(shù)字電位器是一種數(shù)字設(shè)置的 IC，在許多系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和電路設(shè)計(jì)中取代了經(jīng)典的機(jī)電式電位器。數(shù)字電位器不僅減少了產(chǎn)品尺寸和因意外移動(dòng)而出錯(cuò)的可能性，而且還增加了與處理器的兼容性，從而增加了軟件的兼容性，還具有更高的精度和分辨率（如果需要）以及其他的有用功能。

　　如圖所示，數(shù)字電位器具有廣泛的標(biāo)稱電阻值、步長(zhǎng)和精度，而增加的非易失性存儲(chǔ)器又?jǐn)U展了其功能，并克服了在許多應(yīng)用中使用時(shí)的一個(gè)重要障礙。