数字电位器的原理是什么？数字电位器模拟对数锥度以准确设置增益

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一、数字电位器的原理

数字电位器一般带有总线接口，可通过单片机或逻辑电路进行编程。它适合构成各种可编程模拟器件，如可编程增益放大器、可编程滤波器、可编程线性稳压电源及音调/音量控制电路，真正实现了“把模拟器件放到总线上”（即单片机通过总线控制系统的模拟功能块）这一全新设计理念。

由于数字电位器可代替机械式电位器，所以二者在原理上有相似之处。数字电位器属于集成化的三端可变电阻器件其等效电路。当数字电位器用作分压器时，其高端、低端、滑动端分别用VH、VL、VW表示；而用作可调电阻器时，分别用RH、RL和RW表示。

数字电位器的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不挥发存储器等4个数字电路模块。利用串入、并出的加/减计数器在输入脉冲和控制信号的控制下可实现加/减计数，计数器把累计的数据直接提供给译码电路控制开关阵列，同时也将数据传送给内部存储器保存。当外部计数脉冲信号停止或片选信号无效后，译码电路的输出端只有一个有效，于是只选择一个MOS管导通。

数字控制部分的存储器是一种掉电不挥发存储器，当电路掉电后再次上电时，数字电位器中仍保存着原有的控制数据，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。因此，数字电位器与机械式电位器的使用效果基本相同。但是由于开关的工作采用“先连接后断开”的方式，所以在输入计数有效期间，数字电位器的电阻值与期望值可能会有一定的差别，只有在调整结束后才能达到期望值。

二、数字电位器模拟对数锥度以准确设置增益

如果可以使用具有对数锥度（电阻的对数与设置成正比）的、稳定、高分辨率数字电位器，则很容易安排一个增益控制电路，在整个调整范围内提供以 dB/增量为单位的恒定分辨率。 不幸的是，不存在具有良好分辨率（例如，每步《 6dB）的对数数字电位器（log dpot）。但一切都没有丢失。图 1所示的设计理念 使用普通的线性锥形电位器（例如 ADI 的廉价双极 AD5200）实现近似对数增益控制。

图 1 线性数字电位器模拟对数锥度

如果 Dx（上图）表示游标设置 （0 – 255），那么如果我们逐个求解放大器增益 Vout/Vin 与 Dx 的设计方程式就很容易。首先，求解作为 Vin 函数的抽头电压 （Vw）：

Vw = ？Vin R AB Dx / （255 R1）

接下来，求解作为 Vw 函数的 Vout：

Vout = ？Vw 255 R2 / （R AB （255 – Dx））

然后结合等式 1 和 2：

增益 = Vout / Vin = ？Vw 255 R2 / （R AB （255 – Dx）） / （？Vin R AB Dx / （255 R1））

增益 = （R2 / R1）（Dx / （255 – Dx））

Dx = 255 增益 （R1 / R2） / （1 + 增益 （R1 / R2））

而且当然：

dB（增益）= 20 Log 10 （（R2 / R1）（Dx / （255 – Dx）））

和

增益 = 10分贝/20

我们得到：

Dx = 255 10 dB/20 （R1 / R2） / （1 + 10 dB/20 （R1 / R2））

图 2 dB 增益（左侧的 y 轴）和增益集分辨率（右侧的 y 轴）与 Dx（x 轴）

所得增益方程的有趣特征包括：

Dx/（255 – Dx） 的承诺（近似）对数行为。如图2所示，R2/R1=100，Dx=8，增益=~10dB；Dx = 23 产生 20dB；128给出40dB；232给出60dB；247 给出 70dB。在整个 60dB =1，000:1 范围内，增益设置分辨率保持不低于 1dB，这一点尤为重要。此外，Dx = 0 设置增益为零，而 Dx = 255 选择开环。

将电位计滑动器用作输入端子的策略有效地移动了放大器 A1 反馈环路内的滑动器触点（图 1），从而将其作为误差项移除并提高了增益设置的时间和温度稳定性。

同时，将 RAB 电阻元件用于 A1 反馈和 A2 输入（图 1）将灵敏度与 RAB 容差和温度系数 （tempco）（在 AD5200 中为 +/-30% 和 500ppm/oC）进行比率计算，留下 R1 和 R2作为增益集精度的主导因素。

如果需要优于 8 位 （1/256） 的分辨率，可以将 10 位 AD5292 等部件放入拓扑中以获得 4 倍更高的增益设置精度。只要记住在增益方程式中出现 255 的地方用 1023 代替即可！或者，更一般地，如果 N = 位数：

Dx = （2N – 1） Gain （R1 / R2） / （1 + Gain （R1 / R2））

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