摘要：通過對數字電位器芯片研究和分析，同時結合低成本市場的需要，搭建硬件及軟件平臺，構建混合信號系統(tǒng)電路，從而擴展數字電位器的應用領域及范圍。描述了數字電位器工作原理、特點、分類及廣泛應用，闡述了與機械電位器相比，數字電位器的優(yōu)點，同時也描述了數字電位器AD5272內部電路結構，在此基礎上進一步提出了對數字電位器AD5272應用電路系統(tǒng)的設計。結果表明，在低成本的前提下，將數字電位器的性能及應用充分展示，同時驗證了數字電位器更為經濟實用。

關鍵詞：數字電位器；機械電位器；單片機；AD5272

數字電位器是采用CMOS工藝制成的數?；旌闲盘柼幚砑呻娐?，也稱數控可編程電阻器。采用是數控方式調節(jié)電阻值大小，多用多晶硅或薄膜電阻材料，從而有使用靈活、調節(jié)精度高、無觸點、低噪聲等特點。同時有體積小、節(jié)省印制板空間，易于安裝，不易污損、抗振動、抗干擾、壽命長、不易受環(huán)境溫度影響等優(yōu)點?；谏鲜鰞热?，數字電位器已被廣泛用于醫(yī)療保健設備、儀器儀表、通信設備、工業(yè)控制、家用電器、數碼產品等各領域。

1 數字電位器簡介

1．1 主要特點

數字電位器是一種有發(fā)展前景的新型器件。與機械電位器相比，具有許多優(yōu)點，見表1，所以在許多領域可取代機械電位器。任何用電阻進行參數調整、校準或控制的領域，都可用數字電位器構成可編程模擬電路進而進行調整。除上述特點外，其特點有：

1)數?；旌闲盘柈a品，是一種特殊形式數模轉換器(DAC)，由數字控制電路、存儲器和RDAC電路組成。其中，RDAC是數字電位器重要組成部分，由電阻數-模轉換器電路構成。

2)分辨率與內部RDAC位數有關(見表2)，RDAC位數越多，分辨率越高；

3)自身有控制接口、存儲器和電阻系統(tǒng)，同時內部有非易失性(Non-volatile)存儲器EEPROM，用戶可對其進行讀寫操作，并通過軟件控制接口對其阻值進行編程；

4)利用數字電位器可實現模擬電路中對電阻、電壓或電流的數字控制及調整；

5)允許將幾個數字電位器進行串、并聯或混聯；

6)受制作工藝影響，總電阻一致性較差，一般有15％～30％偏差；

7)低電壓、低功耗、超小型化、工作溫度范圍寬。

1．2 主要參數

1)電源電壓范圍  最高、最低工作電壓之差。該范圍一般為2．5～5．5 V。

2)端電壓  加在高端和低端的電壓。一般端電壓在0～VCC范圍內。

3)分辨率  所能分辨的最小電阻值與總電阻的比，常用百分比表示。

4)抽頭數  用來調節(jié)電阻值引出端個數。如n bit，則抽頭數為。

5)標稱電阻公差  實際電阻偏差值與理想值的百分比。

6)滑動端電阻  內部模擬開關導通電阻，該電阻值與內部電路結構及端電壓有關。

7)帶寬  頻帶寬度簡稱帶寬，亦稱通頻帶，描述頻率響應的指標。有3種表示方式：-3 dB帶寬、單位增益帶寬、增益帶寬乘積。

8)接口  指與微處理器或單片機連接的電路。

9)穩(wěn)定時間  控制編碼從最小值逐漸變化到最大值時，數字電位器達到穩(wěn)定所需要的時間，一般為幾微妙。

10)電阻噪聲電壓  在某一頻率帶寬范圍內，由內部電阻產生的隨機噪聲，其單位是μV／Hz。

1．3 主要分類

生產數字電位器的公司較多，其種類和型號較多，功能也各不相同。根據不同的類別，其分類也不同。常見分類如下：

1)按抽頭數分類  抽頭數即內部模擬開關數量，值為2n，單元電阻個數為抽頭數減1。按抽頭數劃分，則有16、32、64抽頭。抽頭數越高，調節(jié)精度越高，分辨率越高，輸出電阻誤差越小。

2)按滑動端分類  滑動端個數有3種：1個滑動端A、2個滑動端A和W、3個滑動端A、W和B。

3)按總阻值分類  總阻值主要有1 kΩ、10 kΩ、20 kΩ、50 kΩ、100 kΩ等，如AD5272數字電位器電阻有3種規(guī)格：20 kΩ、50 kΩ、100 kΩ。

4)按芯片是否含非易失性存儲器分類  主要有3類：①非易失性(Non-Volatile)，斷電后滑動端位置自動保存；②易失性(Volatile)，斷電后滑動端位置不能保存；③一次性可編程(One Time Programmable，OTP)，滑動端位置一旦設定，位置不可更改。

5)按接口分類  常見接口：單線接口、I2C接口、SPI接口。

2 數字電位器基本工作原理

數字電位器屬集成化三端可變電阻器件，等效電路如圖1所示。當數字電位器作分壓器使用時，其高、低、滑動端電壓分別用UH、UL、UW表示；作可調電阻器使用時，其高、低、滑動端電阻分別用RH、RL，RW表示。

數字電位器數字控制部分包括加減計數器、譯碼電路、保存與恢復控制電路和非易失性存儲器等4個電路模塊。將n個阻值相同或不同電阻串聯在UH、UL端之間，每個電阻兩端分別經過一個由CMOS管而構成模擬開關連在一起，作為數字電位器抽頭，在數字信號控制下每次只能有一個模擬開關閉合，從而將串聯電阻的一個節(jié)點連接到滑動端。亦即，當外部計數脈沖信號停止或片選信號無效后，譯碼電路輸出端只有一個有效，故只選擇一個MOS管導通。數字電位器的內部簡化電路，如圖2所示。

數字控制部分盼存儲器是一種斷電非易失性存儲器，電路再次上電時，數字電位器中仍保存著原有控制數據，其中間抽頭到兩端點之間的電阻值仍是上一次的調整結果。

3 典型數字電位器

數字電位器通信接口有3種?，F用I2C接口的AD5272介紹數字電位器的應用。

I2C總線速度高達400kbps，其包含有兩根總線：串行數據線SDA和串行時鐘線SCL，它們必須加上拉電阻然后接到正電源。同時，SCL及SDA皆是雙向I／O線，總線閑時兩線為高電平?？偩€上最大器件數受規(guī)定上升和下降時間限制，上升和下降時間分別不能超過300ns和100ns。

AD5272(其內部結構圖3所示)是ADI公司生產的一種集成數字電位器。其為單通道、1024抽頭、非易失性存儲器，具有20 kΩ、50 kΩ以及100 kΩ 3種標稱阻值，可以對芯片進行多次擦除編程。AD5272具有I2C總線接口，從而可以實現寄存器映射、改變滑片位置等操作，同時芯片采用10引腳小外形封裝(MSOP)，AD5272工作電壓為2．7～5．5V。

一個AD5272芯片內部結構含有：I2C總線接口、SDA串行數據線、SCL串行時鐘線、RDAC寄存器以及50-TP存儲區(qū)。

AD5272的步進電阻值為：

其中，RAB為A端與B端之間的阻值大小。

AD5272測量電阻值為：

其中，RWB為W端與B端之間的阻值大小，N為步進數。

4 系統(tǒng)電路總體架構

數字電位器通過其接口I2C方式與MCU連接，實現應用程控調節(jié)，從而可以實現電壓、電阻調節(jié)功能的特殊集成電路。本文采用常見單片機AT89S52。電路結構圖如圖4所示。

由AT89S52控制AD5272，數字電位器的SCL、SDA分別與AT89S52端口P2．0、P2．1相連接：同時由5．1 kΩ電阻構成上拉電路，將SCL及SDA接于VCC；將RESET端與1 kΩ電阻連接，然后上接VCC；將EXT_CAP端與VSS端之間接1μF電容；將地址端ADDR接于VCC，再由AD5272手冊中可讀出設備地址，從而方便寫出I2C設備地址，便于對I2C設備進行操作。

通過單片機傳給數字電位器脈沖信號控制數字電位器大小，從而方便而精確地改變電阻值，也可以得到數字電位器的分壓作用。本文中數字電位器AD5272提供5 V電壓，測量隨著脈沖的變化得到的VA、VW以及VAW間的電壓，從而可以得到精確地電阻變化值。

5 結束語

數字電位器優(yōu)點及通過簡單電路實現其應用，這使得它能與數字電路及其他單片機簡易結合在一起，導致數字電位器應用領域越來越來廣泛，進而取代機械電位器。

由于每片數字電位器芯片內部的布局、技術架構，這導致其抽頭數有限，常見的單片芯片最多可達1024個抽頭，即相當于最高分辨率為10bit DAC。現在，DAC位數和價格呈正比，因此低成本架構從而提高數字電位器抽頭數的電路設計更為經濟實用。可以用單片較低分辨率數字電位器芯片，通過多路選擇器、單片機的設計電路實現提高電阻值或分辨率，這些設計都可以實現并驗證低成本架構電路的實用性、經濟性的特點。