如何突破程控電阻的阻值范圍限制

程控電阻

程控電阻(Programmable resistor)，即阻值可以通過程序進行設置的電阻器。在電路中的特性與普通的電阻器件一致，區(qū)別僅在于阻值可以隨時通過程序改變。在實際應用中，其它類型的可以改變阻值的電阻器件還有很多種，如滑動變阻器、電阻箱等。但是程控電阻普遍具有精度高、阻值范圍大、阻值調整快的優(yōu)點，在傳感器仿真、信號調理等應用中是不可替代的儀器類型。

此外，在很多板級電路中還存在一種集成電路形式的數(shù)字電位器，也可以在一定精度范圍內實現(xiàn)類似程控電阻的功能，這里暫不做進一步分析。

雖然程控電阻的種類較多，但是每一種具體產(chǎn)品都有其適用的場景，在少數(shù)情況下，如果電阻通道的可用阻值上限或下限不適合，一般有3種方法可以突破產(chǎn)品自身的限制：

換用更匹配的產(chǎn)品

按需訂制產(chǎn)品

也可以在一定條件下，不改變現(xiàn)有產(chǎn)品，通過技術手段彌補不足

請注意本文的討論對象是以Pickering的標準精度產(chǎn)品如40-290,40-295等產(chǎn)品系列，不包含高精度產(chǎn)品系列。

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程控電阻阻值的上限

程控電阻的經(jīng)典電路結構如圖所示：

一般情況下，電阻鏈中的每個電阻器的阻值按倍增排列，通過與各電阻器并聯(lián)的開關通斷的組合，可以組合輸出各種阻值。

例如，一個包含3個電阻器的電阻鏈，每個電阻器的阻值分別為1,2,4歐姆。則整個電阻鏈可以通過開關狀態(tài)的組合形成0~7歐姆，步進為1歐姆的8種阻值。

如果在上面的電阻鏈中再增加一個8歐姆電阻器和開關，構成4位的電阻鏈，則全鏈的輸出電阻值上限可以達到15歐姆，同理類推可以構成更長的電阻鏈，獲得更大的阻值范圍。

在實際的產(chǎn)品中，電阻鏈中還有一個附加的偏置電阻器，可以形成阻值的整體偏移。

因而整個電阻鏈可以輸出的阻值點由以下參數(shù)共同決定：

Roffset：偏置電阻

R1~Rn：每位的定值電阻，Rm=2*Rm-1

RRL：繼電器觸點的導通電阻，大部分場景中可忽略

在忽略繼電器電阻的情況下，

輸出阻值Rout=Roffset+(R1~Rn組合)，組合可構成0，R1，2*R1，3*R1，……

最大阻值Rmax=Roffset+R1*(2n-1)

最小阻值Rmin=Roffset

分辨力Rresolution=R1

對于大部分現(xiàn)有貨架產(chǎn)品，Roffset=0，R1=1歐姆。根據(jù)以上公式可簡單獲得：

8位電阻通道阻值范圍是0~255歐姆

16位可輸出0~65,535歐姆(64K-1)

24位可輸出16,777,215歐姆(16M-1)

分辨力均為1歐姆

(上圖Roffset=0時輸出阻值為252歐姆)

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程控電阻阻值的下限

大部分程控電阻產(chǎn)品所標稱的輸出阻值下限為0歐姆，但受到繼電器導通電阻，電路結構，板卡內部線路電阻，以及環(huán)境因素的共同作用，其能夠實際輸出的電阻下限是不確定的。一般認為，8位/12位/16位/24位產(chǎn)品實際輸出阻值的下限(設置輸出為0時)，典型值分別為1歐姆/1.5Ω/2歐姆/3歐姆，實測各自在50%~200%范圍內都是允許的。例如24位產(chǎn)品設置輸出0歐姆，實際輸出1~6歐姆均屬于合格。

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突破貨架產(chǎn)品阻值邊界的方法

對于標準精度產(chǎn)品，有若干種突破通道阻值上限的方法，這里簡要概括：

1. 最簡單的方法，如果所需的阻值上限R≤2*Rmax，即所需阻值≤2倍單個通道的最大電阻，可以將2個輸出通道串聯(lián)即可。

2. 如果所需的分辨力較低，輸出阻值上限要求較高，可以訂制產(chǎn)品，調整分辨力(即調整阻值的步長)增大的倍數(shù)，相應的阻值范圍也會提高相應的倍數(shù)。例如，訂制分辨力10歐姆的產(chǎn)品，可以把24位輸出通道的上限從16M歐姆提高到160M歐姆。這種方式需要提前與Pickering確認是否能夠采購到合適的電阻器件完成訂制，以及當輸出電阻高到一定程度后，如100M歐姆~1G歐姆甚至更高，PCB自身的絕緣性能也會產(chǎn)生比較明顯的影響，所以阻值上限不能無限提高。

(上圖調整電阻器阻值后，分辨力從1變成10歐姆，

最大阻值從255變成2550歐姆)

3. 如果所需的阻值上限高，但是調整范圍不大，可以考慮在標準產(chǎn)品之上訂制安裝一定的偏置電阻。例如，需要在2.4M歐姆~2.45M歐姆范圍內調節(jié)，可以在40-295-121-10/16 (10通道0~65K歐姆)基礎上，增加2.4M歐姆偏置電阻，構成2.4M~2.465M歐姆的產(chǎn)品。該方案相比于采用24位(16M歐姆)通道的方案，單個模塊的通道密度更高。(10 vs 6)

標準產(chǎn)品的通道阻值下限一般不用過多考慮，一則因為標準精度產(chǎn)品在低阻值端誤差較大，一般不用于做高精度的測試。二則輸出準確的低阻值不僅需要產(chǎn)品本身性能，還需要考慮外部接線因素。所以一般僅在使用高精度程控電阻產(chǎn)品時需要認真設計。因此，我們會在下一篇中介紹高精度程控電阻產(chǎn)品以及討論延伸高精度電阻低阻值端的方法。

編輯：黃飛

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