數字可編程電位計器件的基本原理及注意事項

很多電子系統設計都要求某種形式的系統內調節，要么是生產(chǎn)期間的一次性(oneoff)校準，要么是日常工作期間改變某個(gè)參數。這種功能非常重要，應用示例繁多，諸如微調胎壓監測器的傳感器靈敏度、改變音頻放大器的增益控制、調整游戲機的動(dòng)作控制，以及對電源設備進(jìn)行最終調節，等等。

過(guò)去使用的是(基于某種類(lèi)型的旋轉或線(xiàn)性調節原理的)傳統機械式電位計，但它們的應用日趨比微。而數字電位計變得越來(lái)越有競爭力且更易于使用，故正逐步在寬廣的工業(yè)領(lǐng)域中替代機械式電位計。

數字可編程電位計市場(chǎng)已有跡象顯示，未來(lái)幾年間將經(jīng)歷可觀(guān)的增長(cháng)，背后包含幾項關(guān)鍵因素，其中包括消費電子產(chǎn)品更高控制等級的需求、汽車(chē)應用中傳感器應用增多(要求進(jìn)行精確的校準)等。

數字可編程電位計器件的基本原理

數字可編程電位計是一種混合信號器件，由不同模擬及數字電路部分構成。三端電位計位于模擬部分。數字部分與模擬部分相輔相成，包含所需的不同編程接口、寄存器及控制元件。數字部分將模擬部分與系統設計的其他部分相連。數字電位計的基本功能與機械式電位計相同。三個(gè)端子中有兩個(gè)端子與電阻的兩端接觸，而第三個(gè)端子(即電阻觸點(diǎn)wiper)可連接電阻長(cháng)度范圍內的不同點(diǎn)，從而能夠設定所要求的電阻值。將數字電位計方法與機械式電位計區分開(kāi)來(lái)的就是控制電阻觸點(diǎn)的方式。機械式電位計以物理方式移動(dòng)電阻觸點(diǎn)的連接，而數字電位計通過(guò)串行總線(xiàn)或數字控制線(xiàn)路來(lái)以電氣方式完成。

圖1機械式電位計與數字電位計基本的工作原理差別

數字可編程電位計的優(yōu)勢

機械式電位計并不是特別方便，因為它們需要手動(dòng)調節電阻觸點(diǎn)位置。由于需要手動(dòng)，容易日久損耗，縮短集成了它們的系統的工作壽命。

相對而言，數字電位計已被證明是更強固的方案，提供更高的可靠性及更長(cháng)的工作壽命，遭受沖擊/震動(dòng)時(shí)易于恢復，更適合用于嚴格的環(huán)境中。數字可編程電位計的尺寸也較小，使其更適合便攜應用。這些器件能夠使用新式接口(如I2C或SPI同步串行總線(xiàn))，更易于集成到系統之中，這樣就能夠直接以微控制器(MCU)來(lái)控制它們。此外，它們也不易受到干擾效應的影響。

由于它們配合在產(chǎn)品開(kāi)發(fā)時(shí)采用平臺策略，它們要求的工程負擔更小，大幅加快上市。此外，數字方法支持在設計中納入溫度傳感器，從而能夠調節電位計的精度，補償極熱或極冷條件。

在制造/校準流程，它們允許更便利的自動(dòng)調節，不需要人為干預，并兼容貼片機，這些因素顯著(zhù)降低了生產(chǎn)總成本。數字可編程電位計的電阻觸點(diǎn)位置可以存儲在單獨的易失性(EEPROM)存儲器中，或者集成在電位計本身中的非易失性存儲器中，使得前面的設置信息不會(huì )丟失，在它再次往回調節時(shí)系統恢復這些設置。

雖然數字可編程電位計的單位價(jià)格一般都比機械式電位計高，這其實(shí)是誤導的。當考慮到機械式電位計的現場(chǎng)維護/調節成本及其更高的生產(chǎn)成本時(shí)，數字可編程電位計不僅在經(jīng)濟上還在技術(shù)上證明了自己的優(yōu)勢。

應用數字電位計時(shí)的注意事項

雖然數字電位計能夠有效地在傳統設備中直接替代機械式產(chǎn)品，但工程師也需要注意幾項問(wèn)題。想要在模擬電路中應用數字可編程電位計，應當慎重對待這些問(wèn)題，從而確保這器件是考慮中應用的最佳選擇。

1精度–這種器件的精度由其含有的電阻增量(亦即抽頭)數量決定。抽頭數量越多，數字可編程電位計的精度越高。新式數字可編程電位計提供多達256個(gè)抽頭，故支持高精度等級。然而，通過(guò)使用相對簡(jiǎn)單的電路，有可能進(jìn)一步提升精度。這可以通過(guò)將數個(gè)數字可編程電位計以并聯(lián)、堆疊或級聯(lián)(cascaded)配置布設在一起來(lái)實(shí)現，但會(huì )增大總體物料單(BOM)，并可能延長(cháng)開(kāi)發(fā)時(shí)間。

2線(xiàn)性度(Linearity)–數字可編程電位計的線(xiàn)性度指的是實(shí)際電阻觸點(diǎn)電壓與預計電阻觸點(diǎn)電壓之間的散度(divergence)。性能較高的器件應當擁有不超過(guò)±1最低有效位(LSB)的最大值。

3溫度特性–在許多應用中，特別是汽車(chē)或工業(yè)終端應用中，需要顧及數字可編程電位計的溫度系數，使得極高熱等級不影響其工作。這個(gè)數字以電阻在給定溫度與參考溫度之間的10-6/℃漂移的形式來(lái)表述。當面臨嚴格的應用環(huán)境時(shí)，就值得指定使用溫度相關(guān)度極低的數字可編程電位計。另外使用閉環(huán)反饋原理來(lái)校準系統，就可以校正由溫度波動(dòng)導致的任何變化。

4電阻觸點(diǎn)(wiper)內部阻抗–處理電阻觸點(diǎn)的內部阻抗對系統精度的影響是要顧及的另一問(wèn)題，特別是在電阻觸點(diǎn)接近電位計的高端端子或低端端子的時(shí)候，可使用消減技術(shù)來(lái)消解這個(gè)問(wèn)題。這些技術(shù)通?；谠鎏砥ヅ潆娮栌|點(diǎn)內部阻抗的補償電阻。

應用示例

使用數字可編程電位計的應用多種多樣，接下來(lái)重點(diǎn)討論其中的幾個(gè)應用示例。

1固態(tài)照明–使用LED取代白熾燈泡來(lái)照明日趨普及，因為L(cháng)ED照明支持節能，并能夠提供更高的系統可靠性。LED器件要求穩流電流，它們的亮度與施加的電流成正比。LED驅動(dòng)器常使用外部電阻來(lái)設定LED電流。如果使用數字可編程電位計來(lái)取代外部電阻，就可以根據存儲在非易失性存儲器中的電阻值來(lái)調節LED亮度。圖2顯示的是這類(lèi)系統設計中使用的32抽頭數字可編程電位計。電阻觸點(diǎn)的位置通過(guò)三輸入接口來(lái)控制?？刂破鞯腎NC輸入以向上/向下輸入的邏輯狀態(tài)確定的方向來(lái)調節電阻觸點(diǎn)增量。電阻觸點(diǎn)位置通過(guò)CS輸入存儲在控制器中，故掉電時(shí)信息不會(huì )丟失。

圖2固態(tài)照明系統的調光控制

2顯示器控制–隨著(zhù)平板顯示器的應用持續增多，另一個(gè)數字控制的重要商機應運而生。顯示器的VCOM信號用作參考電壓，讓制造商生產(chǎn)的每個(gè)顯示器都能夠精微調節，使其關(guān)鍵參數相互匹配。因此，與機械式電位計相比，數字可編程電位計擁有串行總線(xiàn)輸入，使得微調過(guò)程能夠自動(dòng)進(jìn)行，這就降低了相關(guān)成本，并避免人為誤差發(fā)生的可能性。顯示器控制器的典型應用如圖3所示。

圖3數字可編程電位計用于VCOM緩沖控制

3汽車(chē)–新式汽車(chē)的成本中電子電路構成的比例越來(lái)越高。汽車(chē)半導體市場(chǎng)規模預計將從2010年的210億美元增長(cháng)至2017年的380億美元(依據StategyAnalytics的最新研究)。為了校準新車(chē)型中的不同傳感器，很有可能使用這些數字可編程電位計。從儀表盤(pán)/前照燈亮度到液位感測(用于油箱監測等)，再到引擎控制和供暖/空調系統中涉及的傳感器，都有可能使用某種形式的數字可編程電位計。

4工業(yè)數字可編程電位計也能夠集成在多種工業(yè)系統中。例如，氣體檢漏器檢測加工廠(chǎng)的危險氣體等級，確保工人安全。隨著(zhù)使用的增多，這些設備使用的電化學(xué)單元需要重新校準，因為其靈敏度發(fā)生了改變。

5通信–在通信應用中，數字可編程電位計能夠為光纖收發(fā)器提供溫度補償。環(huán)境熱等級的變化會(huì )影響激光二極管輸出的波長(cháng)，而這會(huì )損傷網(wǎng)絡(luò )的數據傳輸能力。使用如圖4所示的數字控制方法，就可以消解這個(gè)問(wèn)題。

圖4數字可編程電位計為激光二極管提供溫度補償

由于這些應用示例中需要處理的多種不同任務(wù)及應付大量設計事項，使得數字電位計的未來(lái)很有希望。這種極為靈活多用的器件能夠證明具有明顯優(yōu)勢，適合于多種工業(yè)領(lǐng)域的設計工程師，提供連接至電子系統的更簡(jiǎn)單接口，并具備更高可靠性。而且，隨著(zhù)眾多制造商為這些產(chǎn)品提供全面的技術(shù)設計入選(design-in)及應用支援，即使對這種技術(shù)感到陌生的工程師都可以自信地為其終端產(chǎn)品甄選及應用最優(yōu)的數字可編程電位計方案。