數字電位器的研究及應用

孫耀杰，杜 森，王國君，董津生

（河北工業大學 信息學院，天津 300401）

數字電位器（Digital Potentiometer）亦稱數控可編程電阻器，是一種代替傳統機械電位器（模擬電位器）的新型CMOS數字、模擬混合信號處理的集成電路。數字電位器采用數控方式調節電阻值的，具有使用靈活、調節精度高、無觸點、低噪聲、不易污損、抗振動、抗干擾、體積小、壽命長等顯著優點，可在許多領域取代機械電位器[1]。

數字電位器一般帶有總線接口，可通過單片機或邏輯電路進行編程。它適合構成各種可編程模擬器件，如可編程增益放大器、可編程濾波器、可編程線性穩壓電源及音調/音量控制電路，真正實現了“把模擬器件放到總線上”（即單片機通過總線控制系統的模擬功能塊）這一全新設計理念。

目前，數字電位器正在國內外迅速推廣，并大量應用于檢測儀器、PC、手機、家用電器、現代辦公設備、工業控制、醫療設備等領域。

1 基本工作原理

由于數字電位器可代替機械式電位器，所以二者在原理上有相似之處。數字電位器屬于集成化的三端可變電阻器件其等效電路，如圖1所示。當數字電位器用作分壓器時，其高端、低端、滑動端分別用VH、VL、VW表示；而用作可調電阻器時，分別用RH、RL和RW表示。

圖1 數字電位器等效電路

圖2 數字電位器內部電路原理

圖2所示為數字電位器的內部簡化電路，將n個阻值相同的電阻串聯，每只電阻的兩端經過一個由MOS管構成的模擬開關相連，作為數字電位器的抽頭。這種模擬開關等效于單刀單擲開關，且在數字信號的控制下每次只能有一個模擬開關閉合，從而將串聯電阻的每一個節點連接到滑動端。

數字電位器的數字控制部分包括加減計數器、譯碼電路、保存與恢復控制電路和不揮發存儲器等4個數字電路模塊。利用串入、并出的加/減計數器在輸入脈沖和控制信號的控制下可實現加/減計數，計數器把累計的數據直接提供給譯碼電路控制開關陣列，同時也將數據傳送給內部存儲器保存。當外部計數脈沖信號停止或片選信號無效后，譯碼電路的輸出端只有一個有效，于是只選擇一個MOS管導通[2]。

數字控制部分的存儲器是一種掉電不揮發存儲器，當電路掉電后再次上電時，數字電位器中仍保存著原有的控制數據，其中間抽頭到兩端點之間的電阻值仍是上一次的調整結果。因此，數字電位器與機械式電位器的使用效果基本相同。但是由于開關的工作采用“先連接后斷開”的方式，所以在輸入計數有效期間，數字電位器的電阻值與期望值可能會有一定的差別，只有在調整結束后才能達到期望值。

從圖2可以看出，數字電位器與機械式電位器有2個重要區別：1）調整過程中，數字電位器的電阻值不是連續變化的，而是在調整結束后才具有所希望的輸出。這是因為數字電位器采用MOS管作為開關電路，并且采用“先開后關”的控制方法；2）數字電位器無法實現電阻的連續調整，而只能按數字電位器中電阻網絡上的最小電阻值進行調整。

2 數字電位器的典型應用

數字電位器的應用廣泛，而且按照不同的分類標準也有很多種類，但是基本原理是相似的，這里以三線加/減式接口的數字電位器X9313為例，介紹數字電位器的應用。

2.1 內部結構及工作原理

X9313為工業級的32抽頭數控電位器，最大阻值為10 kΩ，采用 8引腳，有 DIP、OIC、FSSOP 3種封裝。 X9313的內部功能框圖，如圖3所示。它由輸入部分、5位E2PROM、存儲和調用電路、32選1譯碼器、由MOS場效應管構成的32路模擬開關、電阻陣列6部分組成。其中輸入部分是5位加/減計數器經過三線加/減式接口（INC、U/D和CS）與單片機相連，其工作像一個升/降計數器，輸出經譯碼，控制接通某個電子開關，這樣就把電阻陣列上的一個點連接到滑動輸出端。電阻陣列由32個等值的電阻和與之相配套的電子開關組成。根據控制端的電平，計數器的內容還可以儲存到非易失存儲器中以便后續使用。

圖3 X9313內部結構

2個頂腳引線分別接VH和VL，中間抽頭為VW。INC、U/D和CS為3個控制端，其中，CS為片選端，CS為低電平時，X9313被選中。此時才能接收U/D和INC的信號。INC在下降沿使計數器增或減1[3]。如果U/D=1，滑動端向VH方向滑動，VW與VH之間的電阻減小一個階值。反之，如果U/D=0，滑動端向VL方向滑動。計數器輸出譯碼后，經過32選1，使滑動端的位置沿電阻陣列移動。當計數器達到某個極端（00000或11111）時，不會循環回復，從00000自動變成11111，或從11111變成00000，也就是說當CS為高電平而INC也為高電平時，計數器的值存儲到非易失存儲器中，系統上電時，器件自動將非易失性存儲器中的值送到計數器，作為計數器的輸出。

2.2 典型應用

2.2.1 手控調壓電路

圖4所示為由X9313構成的0～+5 V輸出的按鍵式調壓電路。將VH端接+5 V，VL接地。從VW端輸出0～+5 V的可調電壓。R1、R2為上拉電阻。只要按動開關S1，輸出電壓就升高，每按一次電壓升高0.05 V，最高可達5 V。如果按住S2即U/D為低電平，此時按S1則每按一次電壓降低0.05 V[4]。

圖4 輸出按鍵調壓電路

2.2.2 X9313與單片機的接口電路

這里以常用的AT89C2051單片機為例介紹數字電位器與單片機的接口電路。電位器的INC、U/D和CS 3個控制端分別接 AT89C2051的 P1.7、P1.6和 P1.5。 由 R1、C1構成上電復位電路，C2、C3和石英晶體JT構成晶振電路。因為單片機I/O端口內部已有上拉電阻，所以上電時上述控制端均為高電平，電位器處于待機狀態，此時應用[5]和上例相同。

圖5 X9313與單片機接口電路

相關程序代碼如下：

上面的程序實現了使UD為高電平，此時給數字電位器發送50個脈沖，增大電阻使高低端之間電壓為2.5 V。通過單片機傳給數字電位器脈沖信號來控制數字電位器的大小，從而方便而精確地改變電阻值。但是在實際應用中，要注意對數字電位器的誤差進行分析和補償[6]。

3 結束語

數字電位器是一種頗具發展前景的新型電子器件，在許多領域可取代傳統的機械電位器。其優點為：調節精度高；無噪聲，工作壽命極長；無機械磨損；數據可讀寫；具有配置寄存器及數據寄存器；多電平量存儲功能。它廣泛應用于儀器儀表、計算機及通信設備、家用電器、醫療保健產品、工業控制等領域。任何需要用電阻來進行參數調整和控制的場合，都可使用數字電位器構成可編程模擬電路。但是在實際使用中應特別注意數字電位器的電阻調整誤差，由于不同應用場合時的誤差影響因素有所不同。因此在實際應用時，最好利用A/D轉換電路對其進行精確測量，并采用單片機對其補償。

[1]沙占友.數字電位器設計原理與應用[M].北京：機械工業出版社，2007.

[2]沙占友，孟志永，王彥鵬.單片機外圍電路設計[M].北京：電子工業出版社，2006.

[3]黃法，孔秀華.數字電位器的應用拓展[J].電子元器件應用，2009（1）：23-27.

[4]葉淑彬.數字電位器的結構特點及典型應用[J].浙江樹人大學學報，2004（4）：17-21.

[5]蔣雙梅，曹立進，高敦堂，等.一種按鈕式數字電位器在視頻數據混合器中的應用[J].微電子學，200131（1）：33-38.

[6]SHA Zhan-you.Dust-like object temperature measurement system based on programmable silicon oscillator[C].Shengyang：Northeastern University Press，2006：337-341.