數(shù)字電位器的原理及用法

幾十年來，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)字電位器可通過處理器和軟件來控制、設(shè)置和改變其電阻值或分壓比。

數(shù)字電位器擁有機(jī)械式電位器無法比擬的特點和功能，并且數(shù)字電位器不需要滑臂，因此更加堅固可靠。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、基本和高級配置，以及如何解決電路調(diào)節(jié)問題。本文將展示這些器件的功能、特性、性能和選項如何用于簡化電路，使電路與處理器兼容并減少甚至消除對笨重、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

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

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

當(dāng)滑臂沿著電阻元件旋轉(zhuǎn)和滑動時，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）。

請注意，電位器和其最初的同類器件——變阻器之間有一個輕微但明顯的重要區(qū)別。電位器是一個作為分壓器的三端設(shè)備（圖 2，左），而變阻器是一個兩端可調(diào)的電阻，用于控制電流流動。連接電位器通常是為了創(chuàng)建一個變阻器，有三種類似的連接方式，即留出其中的一個端子，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，但這是通過一個沒有活動部件的集成電路來實現(xiàn)的。數(shù)字電位器可接受多種格式的數(shù)字代碼，并確立一個相應(yīng)的電阻值。因此，這種器件有時被稱為電阻式數(shù)模轉(zhuǎn)換器 (RDAC)。

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

圖 3：數(shù)字電位器 IC 用一個以數(shù)字方式設(shè)置的電子開關(guān)來模擬機(jī)械式滑臂，從而取代了手動設(shè)置式電位器。（圖片來源：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)大體上由一個簡單的串聯(lián)電阻串組成，并且在滑臂和這些電阻之間有可數(shù)字尋址電子開關(guān)。發(fā)出數(shù)字指令時相應(yīng)的開關(guān)閉合，而其他開關(guān)則斷開，從而確立所需的滑臂位置。這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)實際上有一些不足，包括需要大量的電阻、開關(guān)以及較大的芯片尺寸。

為了最大限度地減少這些問題，供應(yīng)商已經(jīng)設(shè)計了各種巧妙的電阻器和開關(guān)布局，在確保具有相同效果的情況下減少電阻和開關(guān)的數(shù)量。以上每一種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)都會導(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，但對用戶來說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)字電位器時也有主要參數(shù)和次要參數(shù)需要考慮。排名靠前的問題是標(biāo)稱電阻值、分辨率和數(shù)字接口的類型，同時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)計考慮事項決定。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)計者能夠滿足應(yīng)用需要。請記住，即使是一個中程 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，這樣就可以通過一條總線連接多個設(shè)備。微控制器使用一個簡單的數(shù)據(jù)編碼方案來指示所需的電阻設(shè)置。諸如 Texas Instruments 的 TPL0501 器件便是此類極簡型數(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，對于不需要更多功能的空間和功率受限型應(yīng)用來說是一種有效的器件。（圖片來源：Texas Instruments）

例如，在實際中可將其用于臨床級可穿戴醫(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 運算放大器（圖 5）。通過組合這兩種器件，可以構(gòu)建一個分壓器，用于控制提供數(shù)模轉(zhuǎn)換器 (DAC) 輸出的放大器增益。很明顯有人會問，為什么不簡單地使用一個完整的標(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 的這兩個指標(biāo)在10 kHz 時分別為 114 dB 和 7 nV/√Hz。

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

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

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

U/D 接口可以用最小的軟件開銷來實現(xiàn)，并通過一個簡單的旋轉(zhuǎn)編碼器或與處理器相連的按鈕來觸發(fā)，使用諸如 Microchip Technology 的 MCP4011 等數(shù)字電位器來實現(xiàn)。這是一個基本的 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，來增加或減少電阻增量（圖 8）。這樣，就可以簡單地實現(xiàn)一個旋鈕，看起來就像傳統(tǒng)的音量控制器，與電位器沒有任何關(guān)系，但又有數(shù)字電位器的各種優(yōu)勢。

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

數(shù)字電位器的容差可能會是一個問題，因為容差通常在額定值的 ±10 和 ±20% 之間，這個范圍在許多比率測量或閉環(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環(huán)應(yīng)用中的傳感器相匹配，容差就可能是一個關(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因素。供應(yīng)商在他們的規(guī)格書中規(guī)定了這個數(shù)字，這樣設(shè)計者就可以通過 Spice 等電路模型來評估其影響。其他緊容差選擇將在下文將討論。

盡管在如校準(zhǔn)或偏置點設(shè)置等靜態(tài)應(yīng)用中帶寬和失真不是同一個考慮因素，但在音頻及相關(guān)應(yīng)用中卻是一個問題。特定代碼的電阻路徑與開關(guān)寄生、引腳和電路板電容相結(jié)合，會形成一個電阻電容 (RC) 低通濾波器。較小的端對端電阻值產(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)用信號水平下電阻的非線性造成的。端對端電阻值較大的數(shù)字電位器減少了內(nèi)部開關(guān)電阻相對于總電阻的貢獻(xiàn)，從而使 THD 更低。因此，帶寬與 THD 的關(guān)系是設(shè)計者在選擇標(biāo)稱數(shù)字電位器值時必須優(yōu)先考慮和權(quán)衡的一個因素。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、四重和線性與對數(shù)變化之比較

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

? 在兩個電阻值必須獨立調(diào)節(jié)時，雙重數(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)勢更加明顯。雖然可以使用兩個獨立的數(shù)字電位器 IC，但雙重器件還有可以跟蹤電阻值的優(yōu)勢，盡管會存在容差和漂移；也可以使用四重數(shù)字電位器。

? 線性與對數(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)計人員可以使用對數(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)八個器件。在兩個通道中，每個通道的電阻值都可獨立設(shè)置，并且為用戶提供了多個可選的配置設(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)計用于音頻信號路徑，在 63dB 范圍內(nèi)增益設(shè)置為 1dB/步。（圖片來源：Maxim Integrated Products）

DS1881E-050+ 能夠最大限度地減少串?dāng)_，且兩個通道提供 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。該器件還實現(xiàn)了可防止出現(xiàn)可聞咔噠聲的過零電阻切換，并包括非易失性存儲器；其一般效用將在下文討論。

數(shù)字電位器能夠應(yīng)對的最大電壓也是一個考慮因素。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。

非易失性存儲器協(xié)助電源復(fù)位

基本的數(shù)字電位器有很多優(yōu)點，但與電位器相比有一個不足無法避免：數(shù)字電位器的設(shè)置在斷電后會丟失，而且其上電復(fù)位 (POR) 位置是由自身設(shè)計設(shè)定的，通常在中程部分。不幸的是，對于許多應(yīng)用來說，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)位時不會丟失；不過數(shù)字電位器已經(jīng)消除了這一缺陷。最初常見的設(shè)計是讓系統(tǒng)處理器在運行期間回讀數(shù)字電位器的設(shè)置，然后在上電時重新加載。然而，這樣做造成會開機(jī)故障，對系統(tǒng)的完整性和性能來說往往是不可接受的。

為解決這一問題，供應(yīng)商在數(shù)字電位器中使用基于 EEPROM 的非易失性存儲器 (NVM) 技術(shù)。有了 NVM，數(shù)字電位器在電源關(guān)閉時可保留其最后設(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 電阻容差誤差存儲在其 EEPROM 存儲器中（圖 10）。該器件是一款單通道、128/256 位、可重寫的非易失性數(shù)字電位器，支持 I2C 和 SPI 接口。使用已保存的容差值，設(shè)計者可以計算出端到端電阻的實際值，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的非易失性存儲器 (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)。（圖片來源：Analog Devices）

這種線性增益設(shè)置模式允許通過 RAW 和 RWB 電阻串對數(shù)字電位器端子之間的電阻值進(jìn)行獨立設(shè)置，可實現(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，增益是由兩個電阻的比率決定的。

圖 11：對于使用精確的電阻比來設(shè)置放大器增益的電路來說，數(shù)字電位器中的 NVM 也可以用來保存滑臂上方和下方的校準(zhǔn)電阻值。（圖片來源：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，但他們確實有一些需要引起設(shè)計者注意的特性。例如，電位器的金屬滑臂與電阻元件接觸時接觸電阻幾乎為零，且溫度系數(shù)通?？梢院雎浴Ｈ欢?，對數(shù)字電位器來說，滑臂則是一個 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 1kΩ 的滑臂，那么滑臂上產(chǎn)生的 1 V 電壓降可能會限制輸出信號的動態(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，從而使信號路徑中的交流信號失真。滑臂的典型溫度系數(shù)約為百萬分之 300 每攝氏度 (ppm/?C)，這可能很重要，在進(jìn)行高精度設(shè)計時應(yīng)將其考慮在誤差預(yù)算中。數(shù)字電位器型號也具有更低的系數(shù)。

結(jié)語

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而出錯的可能性，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、步長和精度，而增加的非易失性存儲器又?jǐn)U展了其功能，并克服了在許多應(yīng)用中使用時的一個重要障礙。