數字電位器常見問題及應用經驗總結

對于設計人員而言，數字電位器正變得越來越重要，它們具有很多優(yōu)點，但也存在很多限制。下面比較機械電位器，數字電位器的共同點和區(qū)別，并由此幫助讀者了解如何使用數字電位器。

電位器的出現有很長的歷史，它以各種方式應用在廣泛的領域，如常數調整和測量領域。最常見的莫過于設定和微調電阻值來微調電路，設置電平和調整增益等。電位器也被用來設計機器人和工業(yè)設備中的位置反饋。針對電位器需要考慮的各個方面，需針對特定應用的各種需求來設置。如電位器上的最大電壓，各臂所能提供的最大電流，能允許消耗的最大功率以及最需要考慮的電阻問題。從功率到噪聲的各個方面。單個電阻的誤差通常有+/-20%到+/-5%，溫度也會造成電阻值的漂移，所以需要考慮電位器的精度，線性，單調性與否，是否考慮設計中其它因素。比如人耳對聲音的頻率響應將比較重要。斷電與加電時電阻的變化，成本和體積，還有可靠性如裝配，潮濕等。

在愛迪生一千多項的發(fā)明當中,電位器總是為人們所遺忘。它是在十九世紀七十年代被發(fā)明并應用在開關中。如圖一所示。

經一百年來，隨著材料及外形的改變，機械電位器在一些初級的應用中受到極大的關注。無可置疑機械電位器和數字電位器有許多區(qū)別，而它們的共性卻令人驚訝。其中最大相同就是它們都具有可調性，能提供大范圍的端到端電阻。

機械電位器可耐上千伏的高壓，數字電位器受制于小體積通常電壓在30伏以內。機械電位器電阻容量也比數字電位器大。然而我們只要稍加考慮就可以解決上述問題。

機械電位器受振動發(fā)生電阻飄移的時候會給設計造成問題。機械電位器的接觸點因磨損，老化而造成電阻增大或失效，進而使機械電位器的性能無法預知。數字電位器則無因機械結構造成上述的問題，可以經上萬次開關操作而依然保持一致。

數字電位器通常采用多晶硅或薄膜電阻材料，具有低噪聲，高精度和優(yōu)良的溫度系數。

機械電位器和數字電位器尺寸大小比對如圖二所示。

數字電位器另一個顯著優(yōu)點是可編程性，它可以象EEPROM一樣電壓編程來調節(jié)電阻，可以取代電壓跟隨器，還可以象數模轉換器一樣來控制或設置電壓電流。數字電位器的主要參數特性如下圖所示。

在使用數字電位器來設置電壓時，如需限定電壓輸出范圍，只需在數字電位器的供電回路上串聯電阻即可。下圖給出將輸出電壓范圍從0到15V改變成6+/-1V，其中只需增加電阻R1和R3。

用電位器來調整放大器增益的電路得到廣泛應用，如液晶顯示(LCD)中的對比度調節(jié)，傳感器校準和數字多媒體播放等。機械電位器因工藝原因，端到端的電阻誤差行業(yè)標準是+/-20%。當電阻值偏大時，電路分辯率降低。當電阻值偏小時，電路調節(jié)范圍縮小。如下圖所示。此20%誤差帶來的增益波動，在開環(huán)應用中因無補償控制將會引起嚴重的后果。數字電位器可以將通道電阻的匹配精度做到1%，從而有效解決了電阻誤差帶來的增益波動問題。

在數字音頻應用中，數字電位器大量取代了機械電位器是因為數字電位器具有高可靠性，數字控制，易于在線性和對數性間轉換和更好的穩(wěn)定性。這其中的工程挑戰(zhàn)有：

音頻信號電壓范圍應在電路供電范圍內，即不能高于Vdd也不能低于Vss。

上電順序為：首先是電源地和正負電源，然后是數字信號，最后是數字電位器的內置ESD的A，W，B端口。

電位器端到端電阻誤差問題。可以將電位器在電路中接成電阻分壓式，這樣電位器的輸出取決于游標的位置而與電阻誤差無關。如下圖所示。

上電時電位器游標值問題。對于機械電位器，只要不改變游標位置，斷電再復電后，游標值保持不變。對于數字電位器情況則不一樣。有的數字電位器內置EEPROM，將游標值記錄下來，復電后游標值保持不變。有的數字電位器復電后將游標自動設為中值。有的數字電位器在復電后將游標隨機設值。這需要使用者仔細查閱相關規(guī)格書，不可一概而論。

上電噪聲問題。音頻電路在上電或電路切換瞬間，容易因電壓突變而在喇叭中發(fā)出“砰蓬”聲，對音質而言是一種噪音。有的數字電位器內置過零點電路，使音頻電路上電或電路切換發(fā)生在電壓過零點處，從而避免電壓突變，消除了“砰蓬”聲。

音量調節(jié)均勻性問題。人耳對音頻實際上是呈對數性反應而非線性。絕大部分機械電位器按線性設計，這樣在調節(jié)音量大小時，聲音強弱并不均勻增加或減少。數字電位器可按對數性即按dB設計，這樣無需額外的電路設計而解決音量調節(jié)均勻性問題。

數字電位器還可以應用在數字濾波器電路中。下圖為Analog Devices 公司給出的電路圖和計算公式。需要特別注意的是數字電位器本身的帶寬限制跟游標值的設定有關，詳情請查閱廠家的應用手冊。

數字電位器并不能完全取代機械電位器，原因有數字電位器輸入電壓必須在Vdd和Vss間的限定，電流的限定(如@1K=5.5mA@10K=0.55mA，詳情請查datasheet)，上電順序的要求，上電初始化，EEPROM電可擦寫存儲器的考慮，數字接口的考慮和電阻值不能做得太大,在跟蹤輸入信號來調整增益時需考慮響應時間等。

結論：數字電位器較機械電位器最大缺點是目前還不能處理高電壓大電流，但有非常多其它的優(yōu)點可以使電子工程師開發(fā)更多新功能，降低成本。

數字電位器在應用中經常遇到的問題

數字電位器在我國還是近幾年出現的新型器件，許多人在實際應用中對其不夠了解，從而出現許多疑問，下面就經常出現的三個問題略作探討。