理解和应用数字电位器

摘要：通过对数字电位器芯片研究和分析，同时结合低成本市场的需要，搭建硬件及软件平台，构建混合信号系统电路，从而扩展数字电位器的应用领域及范围。描述了数字电位器工作原理、特点、分类及广泛应用，阐述了与机械电位器相比，数字电位器的优点，同时也描述了数字电位器AD5272内部电路结构，在此基础上进一步提出了对数字电位器AD5272应用电路系统的设计。结果表明，在低成本的前提下，将数字电位器的性能及应用充分展示，同时验证了数字电位器更为经济实用。

关键词：数字电位器；机械电位器；单片机；AD5272

数字电位器是采用CMOS工艺制成的数模混合信号处理集成电路，也称数控可编程电阻器。采用是数控方式调节电阻值大小，多用多晶硅或薄膜电阻材料，从而有使用灵活、调节精度高、无触点、低噪声等特点。同时有体积小、节省印制板空间，易于安装，不易污损、抗振动、抗干扰、寿命长、不易受环境温度影响等优点。基于上述内容，数字电位器已被广泛用于医疗保健设备、仪器仪表、通信设备、工业控制、家用电器、数码产品等各领域。

1 数字电位器简介

1．1 主要特点

数字电位器是一种有发展前景的新型器件。与机械电位器相比，具有许多优点，见表1，所以在许多领域可取代机械电位器。任何用电阻进行参数调整、校准或控制的领域，都可用数字电位器构成可编程模拟电路进而进行调整。除上述特点外，其特点有：

1)数模混合信号产品，是一种特殊形式数模转换器(DAC)，由数字控制电路、存储器和RDAC电路组成。其中，RDAC是数字电位器重要组成部分，由电阻数-模转换器电路构成。

2)分辨率与内部RDAC位数有关(见表2)，RDAC位数越多，分辨率越高；

3)自身有控制接口、存储器和电阻系统，同时内部有非易失性(Non-volatile)存储器EEPROM，用户可对其进行读写操作，并通过软件控制接口对其阻值进行编程；

4)利用数字电位器可实现模拟电路中对电阻、电压或电流的数字控制及调整；

5)允许将几个数字电位器进行串、并联或混联；

6)受制作工艺影响，总电阻一致性较差，一般有15％～30％偏差；

7)低电压、低功耗、超小型化、工作温度范围宽。

1．2 主要参数

1)电源电压范围 最高、最低工作电压之差。该范围一般为2．5～5．5 V。

2)端电压 加在高端和低端的电压。一般端电压在0～VCC范围内。

3)分辨率 所能分辨的最小电阻值与总电阻的比，常用百分比表示。

4)抽头数 用来调节电阻值引出端个数。如n bit，则抽头数为。

5)标称电阻公差 实际电阻偏差值与理想值的百分比。

6)滑动端电阻 内部模拟开关导通电阻，该电阻值与内部电路结构及端电压有关。

7)带宽 频带宽度简称带宽，亦称通频带，描述频率响应的指标。有3种表示方式：-3 dB带宽、单位增益带宽、增益带宽乘积。

8)接口 指与微处理器或单片机连接的电路。

9)稳定时间 控制编码从最小值逐渐变化到最大值时，数字电位器达到稳定所需要的时间，一般为几微妙。

10)电阻噪声电压 在某一频率带宽范围内，由内部电阻产生的随机噪声，其单位是μV／Hz。

1．3 主要分类

生产数字电位器的公司较多，其种类和型号较多，功能也各不相同。根据不同的类别，其分类也不同。常见分类如下：

1)按抽头数分类 抽头数即内部模拟开关数量，值为2n，单元电阻个数为抽头数减1。按抽头数划分，则有16、32、64抽头。抽头数越高，调节精度越高，分辨率越高，输出电阻误差越小。

2)按滑动端分类 滑动端个数有3种：1个滑动端A、2个滑动端A和W、3个滑动端A、W和B。

3)按总阻值分类 总阻值主要有1 kΩ、10 kΩ、20 kΩ、50 kΩ、100 kΩ等，如AD5272数字电位器电阻有3种规格：20 kΩ、50 kΩ、100 kΩ。

4)按芯片是否含非易失性存储器分类 主要有3类：①非易失性(Non-Volatile)，断电后滑动端位置自动保存；②易失性(Volatile)，断电后滑动端位置不能保存；③一次性可编程(One Time Programmable，OTP)，滑动端位置一旦设定，位置不可更改。

5)按接口分类 常见接口：单线接口、I2C接口、SPI接口。

2 数字电位器基本工作原理

数字电位器属集成化三端可变电阻器件，等效电路如图1所示。当数字电位器作分压器使用时，其高、低、滑动端电压分别用UH、UL、UW表示；作可调电阻器使用时，其高、低、滑动端电阻分别用RH、RL，RW表示。

数字电位器数字控制部分包括加减计数器、译码电路、保存与恢复控制电路和非易失性存储器等4个电路模块。将n个阻值相同或不同电阻串联在UH、UL端之间，每个电阻两端分别经过一个由CMOS管而构成模拟开关连在一起，作为数字电位