數字電位器的應用特性分析

1 引言　　

soc（片上系統）和模擬數字混合信號處理技術(shù)是現代信息技術(shù)應用中的兩個(gè)重要電子技術(shù)基礎?！　?/p>

一般來(lái)說(shuō)，純數字系統的soc實(shí)現技術(shù)比較成熟，而模擬－數字混合信號處理系統的soc實(shí)現起來(lái)則比較困難，其主要原因就是模擬部分難以實(shí)現高度集成?！　?/p>

對于模擬電子系統，由于信號和參數具有連續與分散特征，因此在進(jìn)行系統集成和數字程控時(shí)會(huì )遇到比較大的困難。特別是當需要通過(guò)調整電阻值來(lái)連續調整電路特性時(shí)，其困難可能會(huì )更大。例如用數字方式調整濾波器截止頻率時(shí)，就必須對電阻值進(jìn)行比較精確的連續調整?！　?/p>

為了實(shí)現模擬電路參數的程控連續調整，解決混合信號處理中的問(wèn)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實(shí)現對電阻阻值的程控調整，從而為模擬－數字混合信號處理系統的集成化提供有利的支持?！　?/p>

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

2 x9c系列數字電位器的技術(shù)特性　　

從電路結構上看，x9c系列數字電位器由兩大部分組成，圖1所示是其內部結構。從圖中可以看出：
x9c系列數字電位器結構中的一部分是數字控制電路，另一部分是電阻網(wǎng)絡(luò )。該器件的基本設計思想是通過(guò)開(kāi)關(guān)控制電阻網(wǎng)絡(luò )接點(diǎn)的連接方式來(lái)改變電阻值?！　?/p>

x9c系列數字電位器的輸入輸出端（參考圖1）的具體功能如下：　

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

計數脈沖輸入，運行時(shí)可在脈沖的下降沿觸發(fā)計數

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

rh／vh和rl／vl：電位器的兩個(gè)端點(diǎn)，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所示的數字電位器中，有一個(gè)由99個(gè)相同電阻組成的電阻網(wǎng)絡(luò )，這些電阻的每?jì)蓚€(gè)之間的連接點(diǎn)上均有一個(gè)mos開(kāi)關(guān)管作為開(kāi)關(guān)，開(kāi)關(guān)管導通時(shí)就把電位器的中間抽頭連接在該點(diǎn)上?！　?

數字電位器的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不揮發(fā)存儲器等四個(gè)數字電路模塊。利用串入、并出的加／減計數器在輸入脈沖和控制信號的控制下可實(shí)現加／減計數，計數器把累計的數據直接提供給譯碼電路控制開(kāi)關(guān)陣列，同時(shí)也將數據傳送給內部存儲器保存下來(lái)。當外部計數脈沖信號停止或片選信號無(wú)效后，譯碼電路的輸出端只有一個(gè)有效，于是只選擇一個(gè)mos管導通?！　?

數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(shí)，數字電位器中仍保存著(zhù)原有的控制數據，其中間抽頭到兩端點(diǎn)之間的電阻值仍是上一次的調整結果。因此，數字電位器與機械式電位器的使用效果完全相同?！　?

由于開(kāi)關(guān)的工作采用“先連接后斷開(kāi)”的方式，因此，在輸入計數有效期間，數字電位器的電阻值與希望值可能會(huì )有較大的差別。所以，只有在調整結束后才能達到希望值?！?

3. 數字電位器的應用誤差分析

作為數字電位器，應用中通常十分關(guān)心電位器的電阻值，特別是調整后的電阻值與理想電阻之間的誤差?！　?

數字電位器的電阻誤差由兩個(gè)因素決定，一個(gè)是電阻網(wǎng)絡(luò )中的電阻，另一個(gè)是mos管的導通電阻?！　?

以圖2為例，當調整數字電位器電阻時(shí)，根據數字電位器的數據可以得到rh到rw之間的電阻值：

r＝nr　　

其中r是rh到rw之間的實(shí)際電阻，n是rh到rw之間的串聯(lián)電阻個(gè)數，r是電阻網(wǎng)絡(luò )中每個(gè)電阻的標稱(chēng)值。 　

考慮到每個(gè)電阻的標稱(chēng)值與實(shí)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(shí)際電阻為：　　

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

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

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

4 應用電路分析　　

圖4所示是一個(gè)利用數字電位器實(shí)現量程自動(dòng)轉換的單片機電路。mc68hc05p9單片機內有一個(gè)8位a／d轉換電路，該8位模數轉換電路有vh和vl兩個(gè)參考電源輸入端，a／d轉換電路的參考電壓是vh－vl?！?/p>

mc68hc05p9單片機a／d轉換電路的信號電壓分辨率為： 　　

采用數字電位器提供vl參考電壓可以把測試分為幾個(gè)不同的量程，這樣便可以保證每個(gè)量程中a／d轉換結果都在滿(mǎn)量程的3／2以上，從而大大地提高測試精度?！　?

自動(dòng)量程轉換的過(guò)程是：先利用最大參考電壓測量一個(gè)數據，然后根據測量數據的結果確定所屬量程，最后再根據量程來(lái)調整數字電位器以使參考電壓滿(mǎn)足所需要的量程?！　?

由于數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(jìn)行參數校正。

5. 結論　　

在現代應用電子系統中，設計者通?？傁Ｍ軐δM電路的參數特性進(jìn)行自動(dòng)調整，其中包括對電阻值的總調整，數字電位器就是適應這一要求的新型電子器件?！　?

從實(shí)際應用電路的運行上看，數字電位器與機械式電位器有兩個(gè)重要區別：一個(gè)是調整過(guò)程中，數字電位器的電阻值不是連續變化，而是在調整結束后才具有所希望的輸出。這是因為數字電位器采用mos管作為開(kāi)關(guān)電路，并且采用了“先開(kāi)后關(guān)”的控制方法；另一個(gè)不同之處是，數字電位器無(wú)法實(shí)現電阻的連續調整，而只能按數字電位器中電阻網(wǎng)絡(luò )上的最小電阻值進(jìn)行調整?！　?

在實(shí)際使用中應當特別注意數字電位器的電阻調整誤差，由于不同應用場(chǎng)合時(shí)的誤差影響有所不同。因此在實(shí)際應用時(shí)，最好能利用a／d轉換電路對其進(jìn)行精確測量，并采用單片機對其進(jìn)行補償。