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，作为数字电位器抽头，在数字信号控制下每次只能有一个模拟开关闭合，从而将串联电阻的一个节点连接到滑动端。亦即，当外部计数脉冲信号停止或片选信号无效后，译码电路输出端只有一个有效，故只选择一个MOS管导通。数字电位器的内部简化电路，如图2所示。

数字控制部分盼存储器是一种断电非易失性存储器，电路再次上电时，数字电位器中仍保存着原有控制数据，其中间抽头到两端点之间的电阻值仍是上一次的调整结果。

3 典型数字电位器

数字电位器通信接口有3种。现用I2C接口的AD5272介绍数字电位器的应用。

I2C总线速度高达400kbps，其包含有两根总线：串行数据线SDA和串行时钟线SCL，它们必须加上拉电阻然后接到正电源。同时，SCL及SDA皆是双向I／O线，总线闲时两线为高电平。总线上最大器件数受规定上升和下降时间限制，上升和下降时间分别不能超过300ns和100ns。

AD5272(其内部结构图3所示)是ADI公司生产的一种集成数字电位器。其为单通道、1024抽头、非易失性存储器，具有20 kΩ、50 kΩ以及100 kΩ 3种标称阻值，可以对芯片进行多次擦除编程。AD5272具有I2C总线接口，从而可以实现寄存器映射、改变滑片位置等操作，同时芯片采用10引脚小外形封装(MSOP)，AD5272工作电压为2．7～5．5V。

一个AD5272芯片内部结构含有：I2C总线接口、SDA串行数据线、SCL串行时钟线、RDAC寄存器以及50-TP存储区。

AD5272的步进电阻值为：

其中，RAB为A端与B端之间的阻值大小。

AD5272测量电阻值为：

其中，RWB为W端与B端之间的阻值大小，N为步进数。

4 系统电路总体架构

数字电位器通过其接口I2C方式与MCU连接，实现应用程控调节，从而可以实现电压、电阻调节功能的特殊集成电路。本文采用常见单片机AT89S52。电路结构图如图4所示。

 

由AT89S52控制AD5272，数字电位器的SCL、SDA分别与AT89S52端口P2．0、P2．1相连接：同时由5．1 kΩ电阻构成上拉电路，将SCL及SDA接于VCC；将RESET端与1 kΩ电阻连接，然后上接VCC；将EXT_CAP端与VSS端之间接1μF电容；将地址端ADDR接于VCC，再由AD5272手册中可读出设备地址，从而方便写出I2C设备地址，便于对I2C设备进行操作。

通过单片机传给数字电位器脉冲信号控制数字电位器大小，从而方便而精确地改变电阻值，也可以得到数字电位器的分压作用。本文中数字电位器AD5272提供5 V电压，测量随着脉冲的变化得到的VA、VW以及VAW间的电压，从而可以得到精确地电阻变化值。

5 结束语

数字电位器优点及通过简单电路实现其应用，这使得它能与数字电路及其他单片机简易结合在一起，导致数字电位器应用领域越来越来广泛，进而取代机械电位器。

由于每片数字电位器芯片内部的布局、技术架构，这导致其抽头数有限，常见的单片芯片最多可达1024个抽头，即相当于最高分辨率为10bit DAC。现在，DAC位数和价格呈正比，因此低成本架构从而提高数字电位器抽头数的电路设计更为经济实用。可以用单片较低分辨率数字电位器芯片，通过多路选择器、单片机的设计电路实现提高电阻值或分辨率，这些设计都可以实现并验证低成本架构电路的实用性、经济性的特点。