數(shù)字電位器的應(yīng)用特性分析

1 引言　　

soc（片上系統(tǒng)）和模擬數(shù)字混合信號處理技術(shù)是現(xiàn)代信息技術(shù)應(yīng)用中的兩個重要電子技術(shù)基礎(chǔ)。　　

一般來說，純數(shù)字系統(tǒng)的soc實現(xiàn)技術(shù)比較成熟，而模擬－數(shù)字混合信號處理系統(tǒng)的soc實現(xiàn)起來則比較困難，其主要原因就是模擬部分難以實現(xiàn)高度集成。　　

對于模擬電子系統(tǒng)，由于信號和參數(shù)具有連續(xù)與分散特征，因此在進行系統(tǒng)集成和數(shù)字程控時會遇到比較大的困難。特別是當需要通過調(diào)整電阻值來連續(xù)調(diào)整電路特性時，其困難可能會更大。例如用數(shù)字方式調(diào)整濾波器截止頻率時，就必須對電阻值進行比較精確的連續(xù)調(diào)整。　　

為了實現(xiàn)模擬電路參數(shù)的程控連續(xù)調(diào)整，解決混合信號處理中的問題，美國xicor公司研制出程控電位器，利用它可以在一定范圍內(nèi)實現(xiàn)對電阻阻值的程控調(diào)整，從而為模擬－數(shù)字混合信號處理系統(tǒng)的集成化提供有利的支持。　　

數(shù)字電位器的技術(shù)特性是應(yīng)用技術(shù)中的關(guān)鍵。因此本文將對數(shù)字電位器的電阻特性和數(shù)字控制特性進行分析。

2 x9c系列數(shù)字電位器的技術(shù)特性　　

從電路結(jié)構(gòu)上看，x9c系列數(shù)字電位器由兩大部分組成，圖1所示是其內(nèi)部結(jié)構(gòu)。從圖中可以看出：
x9c系列數(shù)字電位器結(jié)構(gòu)中的一部分是數(shù)字控制電路，另一部分是電阻網(wǎng)絡(luò)。該器件的基本設(shè)計思想是通過開關(guān)控制電阻網(wǎng)絡(luò)接點的連接方式來改變電阻值。　　

x9c系列數(shù)字電位器的輸入輸出端（參考圖1）的具體功能如下：　

控制計數(shù)方向的輸入信號，該腳為高電平時，為加計數(shù)，該腳為低電平時為減計數(shù)；

計數(shù)脈沖輸入，運行時可在脈沖的下降沿觸發(fā)計數(shù)

片選信號輸入，該引腳為低電平時，器件中的計數(shù)器接收計數(shù)脈沖并計數(shù)，該引腳為高電平時，器件中的計數(shù)器不工作而維持當前輸出，此時電位器被鎖定；　　

rh／vh和rl／vl：電位器的兩個端點，其允許最高外接電壓為5v，最低外接電壓為－5v；

rw／vw：電位器中間抽頭。

在圖1所示的數(shù)字電位器中，有一個由99個相同電阻組成的電阻網(wǎng)絡(luò)，這些電阻的每兩個之間的連接點上均有一個mos開關(guān)管作為開關(guān)，開關(guān)管導通時就把電位器的中間抽頭連接在該點上。　　

數(shù)字電位器的數(shù)字控制部分包括加減計數(shù)器、譯碼電路、保存與恢復(fù)控制電路和不揮發(fā)存儲器等四個數(shù)字電路模塊。利用串入、并出的加／減計數(shù)器在輸入脈沖和控制信號的控制下可實現(xiàn)加／減計數(shù)，計數(shù)器把累計的數(shù)據(jù)直接提供給譯碼電路控制開關(guān)陣列，同時也將數(shù)據(jù)傳送給內(nèi)部存儲器保存下來。當外部計數(shù)脈沖信號停止或片選信號無效后，譯碼電路的輸出端只有一個有效，于是只選擇一個mos管導通。　　

數(shù)字控制部分的存儲器是一種掉電不揮發(fā)存儲器，因此，當電路掉電后再次上電時，數(shù)字電位器中仍保存著原有的控制數(shù)據(jù)，其中間抽頭到兩端點之間的電阻值仍是上一次的調(diào)整結(jié)果。因此，數(shù)字電位器與機械式電位器的使用效果完全相同。　　

由于開關(guān)的工作采用“先連接后斷開”的方式，因此，在輸入計數(shù)有效期間，數(shù)字電位器的電阻值與希望值可能會有較大的差別。所以，只有在調(diào)整結(jié)束后才能達到希望值。　

3. 數(shù)字電位器的應(yīng)用誤差分析

作為數(shù)字電位器，應(yīng)用中通常十分關(guān)心電位器的電阻值，特別是調(diào)整后的電阻值與理想電阻之間的誤差。　　

數(shù)字電位器的電阻誤差由兩個因素決定，一個是電阻網(wǎng)絡(luò)中的電阻，另一個是mos管的導通電阻。　　

以圖2為例，當調(diào)整數(shù)字電位器電阻時，根據(jù)數(shù)字電位器的數(shù)據(jù)可以得到rh到rw之間的電阻值：

r＝nr　　

其中r是rh到rw之間的實際電阻，n是rh到rw之間的串聯(lián)電阻個數(shù)，r是電阻網(wǎng)絡(luò)中每個電阻的標稱值。 　

考慮到每個電阻的標稱值與實際值之間的誤差以及mos管的導通電阻誤差，則rh到rw之間的實際電阻為：　　

式中：δi是第i個電阻的誤差系數(shù)，rmos是mos管的導通電阻。這樣，可得出總的誤差為：

式中： 為數(shù)字電位器電阻網(wǎng)絡(luò)中所有電阻的平均誤差。由于同一個芯片中的mos管的參數(shù)基本相同，所以可以把mos管的導通電阻rmos看成是常數(shù)，由此得出的相對誤差隨nr的變化曲線如圖3所示。 　　

從圖3可以看出，隨著rh到rw之間串聯(lián)電阻個數(shù)的增加，相對誤差將呈下降趨勢。

4 應(yīng)用電路分析　　

圖4所示是一個利用數(shù)字電位器實現(xiàn)量程自動轉(zhuǎn)換的單片機電路。mc68hc05p9單片機內(nèi)有一個8位a／d轉(zhuǎn)換電路，該8位模數(shù)轉(zhuǎn)換電路有vh和vl兩個參考電源輸入端，a／d轉(zhuǎn)換電路的參考電壓是vh－vl。　

mc68hc05p9單片機a／d轉(zhuǎn)換電路的信號電壓分辨率為： 　　

采用數(shù)字電位器提供vl參考電壓可以把測試分為幾個不同的量程，這樣便可以保證每個量程中a／d轉(zhuǎn)換結(jié)果都在滿量程的3／2以上，從而大大地提高測試精度。　　

自動量程轉(zhuǎn)換的過程是：先利用最大參考電壓測量一個數(shù)據(jù)，然后根據(jù)測量數(shù)據(jù)的結(jié)果確定所屬量程，最后再根據(jù)量程來調(diào)整數(shù)字電位器以使參考電壓滿足所需要的量程。　　

由于數(shù)字電位器都存在有電阻誤差，因此，必須在使用前用單片機對其進行參數(shù)校正。

5. 結(jié)論　　

在現(xiàn)代應(yīng)用電子系統(tǒng)中，設(shè)計者通常總希望能對模擬電路的參數(shù)特性進行自動調(diào)整，其中包括對電阻值的總調(diào)整，數(shù)字電位器就是適應(yīng)這一要求的新型電子器件。　　

從實際應(yīng)用電路的運行上看，數(shù)字電位器與機械式電位器有兩個重要區(qū)別：一個是調(diào)整過程中，數(shù)字電位器的電阻值不是連續(xù)變化，而是在調(diào)整結(jié)束后才具有所希望的輸出。這是因為數(shù)字電位器采用mos管作為開關(guān)電路，并且采用了“先開后關(guān)”的控制方法；另一個不同之處是，數(shù)字電位器無法實現(xiàn)電阻的連續(xù)調(diào)整，而只能按數(shù)字電位器中電阻網(wǎng)絡(luò)上的最小電阻值進行調(diào)整。　　

在實際使用中應(yīng)當特別注意數(shù)字電位器的電阻調(diào)整誤差，由于不同應(yīng)用場合時的誤差影響有所不同。因此在實際應(yīng)用時，最好能利用a／d轉(zhuǎn)換電路對其進行精確測量，并采用單片機對其進行補償。