四端電位器的介紹和作用

此文來源于清華大學(xué)自動(dòng)化系卓晴老師的公眾號(hào)- TsinghuaJoking，對(duì)基礎(chǔ)的器件進(jìn)行了非常詳盡的分析，分享給電子森林的朋友們。

01四端電位器

電位器（potentiometer）也被稱作滑動(dòng)變阻器（rheostat）是一個(gè)機(jī)械電子器件，通常具有三個(gè)端口，即左右兩個(gè)固定端以及中間的滑動(dòng)端。

兩個(gè)固定端連接在 一個(gè)由電阻絲、碳膜、陶瓷、有機(jī)膜等組成的固定電阻兩端?；瑒?dòng)端可以在電位器旋鈕機(jī)械驅(qū)動(dòng)下（單圈、多圈、直線）在電阻中間位置移動(dòng)，從而改變滑動(dòng)端與兩個(gè)端口之間的電阻。

▲ 各種形式的電位器

電位器可以看成由兩個(gè)電阻R12,R23串聯(lián)起來的分壓電路。其中R12,R23的阻值隨著滑動(dòng)端的位置變化而改變，但R12,R23相加等于一個(gè)固定的阻值。

▲ 電位器表示符號(hào)以及等效電路

在電路中，電位器可以對(duì)（直流、交流）信號(hào)產(chǎn)生可變比例的分壓、可以產(chǎn)生不同阻值的電阻。例如用于放大器輸入信號(hào)強(qiáng)度調(diào)節(jié)，反饋電路倍數(shù)調(diào)節(jié)，線路阻抗匹配調(diào)節(jié)，也可以作為位置傳感器獲取相應(yīng)的角度和距離。

三端電電位器的概念一直持續(xù)到看到一個(gè)電動(dòng)雙聯(lián)電位器，它包括兩個(gè)電位器，都具有四個(gè)端口。

▲ 電動(dòng)雙聯(lián)電位器

02內(nèi)部接口

電動(dòng)雙聯(lián)電位器是用于一些傳統(tǒng)音箱放大器進(jìn)行自動(dòng)音量調(diào)節(jié)使用，可以同時(shí)控制左右兩路聲道音量。即可手工調(diào)節(jié)，也可以有內(nèi)部電路驅(qū)動(dòng)進(jìn)行自動(dòng)音量調(diào)節(jié)。

下圖顯示了這款電位器的外部接線和性能指標(biāo)。奇怪的是，它的每個(gè)電位器都具有四個(gè)輸出端口。

▲ 電位器的主要特性

通過測(cè)量可以看到，相比于傳統(tǒng)電位器的三個(gè)端口之外，還有一個(gè)位于電阻中間的固定端口，它與兩個(gè)固定端口之間的阻值基本相同。

下圖網(wǎng)絡(luò)上的圖片顯示了四端電位器內(nèi)部的結(jié)構(gòu)。其中第四個(gè)端口是固定在導(dǎo)電碳膜的中間位置。

▲ 四條管腳的電位器內(nèi)部結(jié)構(gòu)

這類電位器為什么增加了一個(gè)固定中間引腳呢？

03增加端口作用

Steve Somers在 其博文 TheMysterious Loudness Control：What Does It Do?中給出用于音箱放大器中四端口電位器的功能。

他首先在一開始對(duì)人類聽覺系統(tǒng)的特性總結(jié)了相關(guān)一些研究結(jié)果，顯示在聲音大的時(shí)候，人耳對(duì)于不同頻率聲音感知能力是相對(duì)平坦的。但當(dāng)聲音強(qiáng)度小時(shí)，對(duì)于低頻和高頻衰減的程度更大，特別是低頻聲音。

下圖顯示了貝爾實(shí)驗(yàn)室Harvey Fletcher等人在1930通過實(shí)驗(yàn)測(cè)量的很多人人耳實(shí)際相應(yīng)曲線，然后平均計(jì)算之后得到的人耳感知曲線分布，正好說明了上面的特點(diǎn)。

▲ 人耳實(shí)際感知相應(yīng)曲線分布

在早期高保真音箱系統(tǒng)中，還都使用分離的電子元器件來實(shí)現(xiàn)信號(hào)頻率均衡。下圖就顯示了通過一個(gè)雙刀雙擲開關(guān)按鍵來選擇音頻補(bǔ)償?shù)碾娐贰?/p>

電路中C1，R，C2組成了一個(gè)帶阻濾波電路，增強(qiáng)后的頻率分量通過電位器的中間固定管腳被引入電位器的輸出。這樣就可以在輸出信號(hào)中增加低頻和高頻的信號(hào)分量。

▲ 頻率補(bǔ)償電路

由于補(bǔ)償?shù)皖l、高頻分量是注入在電位器的中間位置，所以當(dāng)音量控制電位器在高端（音量大）的時(shí)候，這個(gè)作用并不明顯。當(dāng)電位器處于低端（音量?。┑臅r(shí)候，補(bǔ)償信號(hào)對(duì)于輸出影響就很大。

下面給出了上述電路網(wǎng)絡(luò)簡(jiǎn)化線性模型。假設(shè)其中電位器有R2，R3串聯(lián)而成。電位器第四個(gè)固定端口位于中間，R2=R3。

▲ 電路的等效模型

那么U1電位器中間U3處的傳遞函數(shù)為：

假設(shè)電路參數(shù)為：R1=1kΩ，R2=10kΩ，R3=10kΩ，C1=0.012uF，C2=0.3uF。那么該傳遞函數(shù)為：

將s=j2πΩ代入上面表達(dá)式，令Ω從0變化到10kHz。取表達(dá)式的模（絕對(duì)值）可以得到電路網(wǎng)絡(luò)的頻率響應(yīng)，如下圖所示：

▲ 電阻網(wǎng)絡(luò)U3/U1的頻率響應(yīng)

可以看到它的確是一個(gè)對(duì)低頻和高頻信號(hào)提升，對(duì)于中頻（1000Hz）左右的信號(hào)有較大衰減的濾波器網(wǎng)絡(luò)。

04音量控制電位器

本想使用這款電動(dòng)雙聯(lián)電位器用作實(shí)驗(yàn)中自動(dòng)調(diào)整，但在購買時(shí)沒有考慮到它是用于音頻放大器所使用。不僅它具有四個(gè)端口，而且它的中間滑動(dòng)端的電阻變化與角度之間不是線性的。

▲ 電位器運(yùn)動(dòng)

下圖給出了一款標(biāo)稱值為100kΩ電動(dòng)電位器滑動(dòng)端與其中一個(gè)固定端之間的電阻隨著角度旋轉(zhuǎn)的變化值。它明顯呈現(xiàn)出一種指數(shù)變化的特性。這對(duì)于音量調(diào)整來說，符合人耳對(duì)于聲音強(qiáng)度的感知規(guī)律。

▲ 施加+5V，脈沖100ms電位器移動(dòng)步數(shù)

圖中也可以看到，由于中間固定點(diǎn)的存在，中間電阻變化存在一個(gè)小小的非線性波動(dòng)。

在現(xiàn)代音箱中，對(duì)于聲音的控制和均衡逐步過渡到專用集成化和數(shù)字處理器（DSP）來實(shí)現(xiàn)相同的功能。這不僅省去了體積較大的電位器，而且在處理效果上也比使用離散元器件組成的濾波器好。

隨著技術(shù)的發(fā)展，這種四管腳電位器將會(huì)逐步消失在我們的視野中了。

責(zé)任編輯：PSY

原文標(biāo)題：四條管腳電位器的構(gòu)成和使用

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