数字电位器的应用

１ 用数字电位器替代机械式电位器

数字电位器的写次数很容易达到５０?０００次，而机械式电位器的调节次数一般只有几千次，甚至几百次。目前市场上提供的数字电位器的分辨率在３２级（５位）到２５６级（８位）甚至更高。对于像ＬＣＤ显示器对比度调节或其它动态范围要求不高的应用，设计时可以选用低分辨率、低成本的数字电位器。而高分辨率的数字电位器则被广泛用于动态范围高达９０ｄＢ的音频和Ｈｉ－Ｆｉ设备中。数字电位器具有易失和非易失两种类型，非易失数字电位器与机械式电位器很相似，它们无论上电与否都可以保持电阻值设置，特别是ＭＡＸ５４２７／ＭＡＸ５４２８／ＭＡＸ５４２９数字电位器，更具有独特的编程特性，每个器件带有一个一次性编程（ＯＴＰ）存储器，能够在上电复位（ＰＯＲ）时将抽头位置设置在用户定义的数值，且抽头位置保持可调，但在上电时总是返回到所设置的位置。另外，利用ＯＴＰ功能也可以关闭接口操作，使抽头位置始终保持在所希望的地方。这样，器件就像一个阻值固定的分压器，而不是电位器。

大多数数字电位器可以通过传统的Ｉ２Ｃ或ＳＰＩ接口进行编程，有些器件则采用上／下脉冲计数调节方式。采用数字电位器有很多优势，首先，这些电位器对灰尘、污垢和潮湿的环境不敏感，而这些因素对于机械式电位器来说则是致命的。数字电位器几乎能够在任何电子系统中替代老式的机械电位器，而不仅仅是在音频产品，图１列出了数字电位器的几种典型应用。

图1

２　数字电位器在音频设备中的应用

与机械式电位器相比，数字电位器的另一优势是可以直接安装在电路板的信号通道上，而不需要复杂、昂贵的机械与电控的整合方案。数字电位器可提高电子噪声抑制能力，不存在机械电位器连线拾取的干扰信号。传统的数字电位器只是简单地直接取代机械式电位器，它们具有相同的使用方法，因而无需做过多的说明。然而，对于特殊用途的器件，（如低成本立体声音量控制），使用时可能会出现一些特殊问题。

数字电位器可以提供对数和线性变化函数，对数变化的数字电位器常用于Ｈｉ－Ｆｉ音频设备中的音量调节，可为具有非线性响应特性的人耳建立一个线性变化的音量控制。目前，高度集成的数字电位器可以在单芯片内提供六个独立的电位器，并支持多声道音频设备，如立体声、环绕杜比系统等。对于音频设备，需要注意每一级抽头位置的瞬变过程，如果抽头位置没有精确地切换到０Ｖ，音频信号会带有噼啪声和砰然声。幸运的是，新一代数字电位器包含的过零检测功能（如ＤＳ１８０２）可确保在检测到过零（０Ｖ）或５０ｍｓ延迟时改变抽头位置，从而可降低抽头位置瞬变时的音频噪声。

新一代的ＤＳ１８０２音频电位器包含了两个数控电位器，对数抽头，每级变化１ｄＢ。最大衰减量为６３ｄＢ。此外，它还带有静音功能，可将信号衰减９０ｄＢ。ＤＳ１８０２有四个按键输入，可用于音量／平衡控制。合理利用其过零检测器，能够实现音量的无缝调节，以得到纯净的音频信号。图２提供了一个前置放大器方案，可通过按键控制两个立体声声道。用ＤＳ１８０２构成音量控制电路时，需要将交流信号偏置在直流电源范围内，否则，ＤＳ１８０２会将低于ＧＮＤ、高于ＶＣＣ的音频信号钳位掉，ＤＳ１８０２可以采用３Ｖ或５Ｖ电源。由于音频信号通常是对称的，所以，最好将直流偏置设置在ＶＣＣ／２，以获得最大的音频信号摆幅。图２（ａ）是一个惠斯通桥电路，可用来将输入信号偏置在ＶＣＣ／２。该电路允许交流信号通过位于中间位置的电阻（电位器），来对电阻两端进行相同的直流偏置。这一点对于数字电位器非常关键，因为过零检测器是在电位器两端电压为零时切换电位器的位置，因而，可以消除由于数字电位器的非连续切换所造成的噼啪声和砰然声。图２（ｂ）是在图（ａ）基础上构建的电路，该电路的输入阻抗为１３．７ｋΩ，桥电路和输入电容造成的信号衰减为１．２ｄＢ（２０Ｈｚ）。此外，还需要在靠近DS1802和MAX4167的VCC引脚加旁路电容。

图2

3 基于电位器的电压电阻转换电路

在工业控制和偏置调节电路中，有时需要将电压信号转换成电阻，这一过程在具体实施时有一定的难度。图３利用两路数字电位器提供了一个简单的转换方案。图中，数字电位器Ｕ１和运算放大器Ｕ３构成数字采样保持电路，Ｕ１通过调节其内部分压比保证ＶＷＩＰＥＲ对 ＶＩＮ的跟踪，这样，滑动端电阻将与ＶＩＮ成正比。由于Ｕ１、Ｕ２的数字输入是连接在一起的，Ｕ２的滑动端位置与Ｕ１相同，对应端的电阻也相同。这样便可得到与ＶＩＮ成正比的电阻，从而实现电压至电阻的转换。

由于Ｕ１、Ｕ２是完全相同的数字电位器，其数字输入连接在一起，因此，它们的滑动端位置也相同。ＬＯＣＫ置为低电平，输出电阻将随着ＶＩＮ而改变；而ＬＯＣＫ置为高电平则将保持阻值不变。也可以将ＬＯＣＫ始终接地，在这种情况下，即使ＶＩＮ保持恒定，输出电阻也会在两个相邻状态之间连续翻转。假如电位器端电阻为１０ｋΩ，抽头数为３２，那么，当滑动输出端电阻设置在５ｋΩ时，输出电阻将随时钟在５ｋΩ和５．３１２５ｋΩ之间跳变。需要时，可以在滑动输出端接一个电容来滤除跳变效应。该电路所允许的时钟频率范围为１００Ｈｚ～１０ｋＨｚ。而输出电阻并非实时跟随ＶＩＮ的变化，但经过若干个时钟周期后可以达到其终值。时钟数取决于滑动端的初始位置和输入电压，最大值为３２（电位器抽头数）。如果需要更高的分辨率，可以用６位或８位数字电位器替代本电路中的５位芯片。注意，ＭＡＸ５１６０上电时将滑动端设置在中心位置，因而，可使两路数字电位器同步工作，并保持相同的电阻。选择数字电位器时，通常需要知道电位器的上电初始状态。

４ 结论

数字电位器与机械式电位器相比，除可靠性外，还占用空间较小。另外，由于减小了寄生参数，因而具有较强的抗干扰能力。数字电位器几乎可以在所有应用中替代机械式电位器，以减轻设计人员和最终用户的负担。但使用数字电位器时需要注意其温度系数（ＴＣ）指标，而且对于大多数数字电位器，必需给出两个不同的ＴＣ指标：一个是端至端ＴＣ，表示电阻随温度的绝对变化量，另一个ＴＣ参数指的是比例ＴＣ。数字电位器通常用作分压器，这些应用对绝对阻值的要求并不严格，特别是比例应用。一个比例ＴＣ为５ｐｐｍ的数字电位器便可以在整个温度范围内提供非常稳定的增益配置。而用于可编程增益放大器（ＰＧＡ）和仪表放大器（ＩＡ）的数字电位器一般需要较高的精度，这些应用一般要求比例系数的容差（精度）在－４０℃～＋８５℃范围内优于０．０２５％。