數字電位器
來源：作者：日期：2017-12-20 15:04:36點擊：9236次
數字電位器WDH22也稱為非接觸式電位器，是一種用數字傳感器檢測轉軸的角度變化，并將這個角度變化用多種信號類型反饋輸出的器件。
| 中文名 | 外文名 | 規格種類 |
| 數字電位器 | DigitalPotenTIometer | 單路數字電位器多路數字電位器 |
目錄
1、數字電位器的簡介
2、數字電位器的作用
3、數字電位器工作原理
4、數字電位器的優點
5、數字電位器的選型
6、數字電位器設計考慮
7、區分數字電位器的性能
8、數字電位器的應用
9、數字電位器缺點的解決方法
數字電位器的簡介：
數字電位器（DigitalPotenTIometer）亦稱數控可編程電阻器，是一種代替傳統機械電位器（模擬電位器）的新型CMOS數字、模擬混合信號處理的集成電路。數字電位器由數字輸入控制，產生一個模擬量的輸出。依據數字電位器的不同，抽頭電流最大值可以從幾百微安到幾個毫安。數字電位器采用數控方式調節電阻值的，具有使用靈活、調節精度高、無觸點、低噪聲、不易污損、抗振動、抗干擾、體積小、壽命長等顯著優點，可在許多領域取代機械電位器。
數字電位器的作用：
數字電位器是由數字輸入控制的模擬輸出，類似于數/模轉換器(DAC)的定義。和DAC不同的是，DAC提供經過緩沖的輸出，而絕大多數數字電位器在沒有外部緩沖器的情況下不能驅動低阻負載。
對于數字電位器，最大抽頭電流范圍為幾百微安到毫安級。當數字電位器的抽頭連接到低阻負載時，無論是可變電阻還是真正的數字電位器，一定要確保在最糟糕的工作條件下抽頭電流處于可接受的IWIPER范圍。
可變電阻的最差負載發生在VW接近VH時。在這個點上，電路中除抽頭電阻以外可能沒有其它電阻限制電流。但是，有些應用中可能要求很大的抽頭電流，這種情況下，需要重點考慮電位器抽頭的壓降，這個壓降限制了數字電位器的輸出動態范圍。
對于需要溫度補償的電壓或電流調節，如光模塊的光驅動器偏置，可以選擇基于查找表的可變電阻。一些數字電位器集成了EEPROM (用于存儲溫度變化時的校準數據)和內部溫度傳感器(用于測量環境溫度)。
數字電位器按照測量溫度在查找表中檢索到對應的數值，調整可變電阻。基于溫度查找表的數字電位器通常用來修正電路元件的非線性溫度響應，如激光二極管或光電二極管;也可以根據應用需要，有意建立一個非線性電阻的溫度響應。
數字電位器工作原理：
如圖所示為數字電位器的內部簡化電路，將n個阻值相同的電阻串聯，每只電阻的兩端經過一個由MOS管構成的模擬開關相連，作為數字電位器的抽頭。這種模擬開關等效于單刀單擲開關，且在數字信號的控制下每次只能有一個模擬開關閉合，從而將串聯電阻的每一個節點連接到滑動端。
數字電位器的數字控制部分包括加減計數器、譯碼電路、保存和恢復控制電路和不揮發存儲器等4個數字電路模塊。
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關陣列，同時也將數據傳送給內部存儲器保存。當外部計數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。
數字控制部分的存儲器是一種掉電不揮發存儲器，當電路掉電后再次上電時，數字電位器中仍保存著原有的控制數據，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。
數字電位器的優點：
數字電位器的最大的優點在于數字電位器的使用壽命。一般的機械電位器使用壽命較低，很多使用數千次后就出現磨損，失效等異常。而數字電位器一般以百萬次為單位。
通過將電位器中心抽頭與高端或低端相連，或使高端或低端浮空，數字電位器能配置成2端可變電阻。與數/模轉換器不同，數字電位器能將H端接最高電壓或最低電壓端。
數字電位器的選型：
如果你的系統中如果需要多個數字電位器的話，可以考慮選型集成多個數字電位器的芯片，如CAT5221，CAT5241等;
如果你的系統要求電位器的分辨率要求比較高的話，可以選擇滑片數目多一些的電位器，比如CAT5251等，當然，也可以使用兩個數字電位器串聯達到這個目的;
對于帶緩沖器輸出的電位器，輸出是一個電壓值，而不是一個電阻值，所以如果用于運放反饋回路上的電阻的話，是不合適的，這個時候應該選擇不帶緩沖器的;
如果你的系統重新上電時，希望能阻值能夠恢復上一次掉電時的阻值，則要選擇非易失性的數字電位器;
對于變化的信號，還要考慮器件的頻率響應相關參數。
數字電位器設計考慮：
使用數字電位器的最大限制是電位器端點的電壓，通常該電壓必須保持在VCC和GND之間，以避免ESD結構內部的二極管將音頻信號嵌位。當VCC在規定的范圍(2．7~5．5 V)內時，DS3903的ESD結構允許輸入信號處于6 V與GND之間，這一特性對于要求輸入信號大于VCC的應用非常靈活。但是，在圖l所示電路中并未處理6．0 VP-P信號，因為運放電源低于6 V時將會嵌位信號。如果運算放大器能夠采用更高的電壓供電，即可使用DS3903的大信號處理功能。
電位器抽頭的變化形式(線性或對數)決定了電路截止頻率的線性調節或對數調節形式。對于圖l所示音頻范圍的濾波電路，為保證在40～800 Hz之間提供盡可能多的截止頻率設置，采用線性電位器比較合適。
電位器的分辨率(如128或256抽頭)決定了截止頻率的調節精度，抽頭數越多，截止頻率的調節精度也越高。對于音頻應用，不太可能使用64或128抽頭以上的電位器來設置低通濾波器的截止頻率。對于寬帶應用則要求更多的電位器抽頭。
一些數字電位器采用非易失存儲，能夠在沒有電源供電時保持抽頭位置。這種特性可用于保存校準后的濾波器位置，而在上電時不再調整濾波器設置。易失電位器總是從一個預置位置啟動，電路在被修改之前將一直保持默認位置。
數字電位器的端到端電阻和滑動電阻具有較寬的公差，圖l所示電路中的兩個電阻(POTO和POT2)則保持相等，因為這兩個電阻制作在同一硅片上。電位器的實際阻值差別較大，通常端到端電阻的變化范圍是±20％，但它們的相對值基本保持穩定。
另外，數字電位器內部也具有一定的寄生電容，這會限制最大截止頻率。截止頻率大于500 kHz時，不推薦使用10 kΩ的數字電位器，也不建議將50 kΩ數字電位器用于100 kHz以上的設計或將100 kΩ的數字電位器用于50 kHz以上的設計。對于音頻應用，所選擇的電位器能夠提供足夠的帶寬，但對于寬帶應用，必須慎重考慮這一因素。
區分數字電位器的性能：
數字電位器，或digipot，方便了模擬電路的電阻、電壓以及電流的數字控制和調整。數字電位器通常用于電源校準、音量控制、亮度控制、增益調節以及光模塊的偏置/調制電流調節。數字電位器除基本功能外，還提供許多其它功能，以增強系統性能，簡化設計。這些功能包括：不同類型的非易失存儲器、過零檢測、去抖動按鍵接口、溫度補償和寫保護。這些功能針對不同的應用而設計。
數字電位器的應用：
與機械式電位器相比，數字電位器的另一優勢是可以直接安裝在電路板的信號通道上，而不需要復雜、昂貴的機械與電控的整合方案。數字電位器可提高電子噪聲抑制能力，不存在機械電位器連線拾取的干擾信號。傳統的數字電位器只是簡單地直接取代機械式電位器，它們具有相同的使用方法，因而無需做過多的說明。然而，對于特殊用途的器件，（如低成本立體聲音量控制），使用時可能會出現一些特殊問題。
數字電位器可以提供對數和線性變化函數，對數變化的數字電位器常用于Ｈｉ－Ｆｉ音頻設備中的音量調節，可為具有非線性響應特性的人耳建立一個線性變化的音量控制。目前，高度集成的數字電位器可以在單芯片內提供六個獨立的電位器，并支持多聲道音頻設備，如立體聲、環繞杜比系統等。對于音頻設備，需要注意每一級抽頭位置的瞬變過程，如果抽頭位置沒有精確地切換到０Ｖ，音頻信號會帶有噼啪聲和砰然聲。幸運的是，新一代數字電位器包含的過零檢測功能（如ＤＳ１８０２）可確保在檢測到過零（０Ｖ）或５０ｍｓ延遲時改變抽頭位置，從而可降低抽頭位置瞬變時的音頻噪聲。
新一代的ＤＳ１８０２音頻電位器包含了兩個數控電位器，對數抽頭，每級變化１ｄＢ。最大衰減量為６３ｄＢ。此外，它還帶有靜音功能，可將信號衰減９０ｄＢ。ＤＳ１８０２有四個按鍵輸入，可用于音量／平衡控制。合理利用其過零檢測器，能夠實現音量的無縫調節，以得到純凈的音頻信號。圖２提供了一個前置放大器方案，可通過按鍵控制兩個立體聲聲道。用ＤＳ１８０２構成音量控制電路時，需要將交流信號偏置在直流電源范圍內，否則，ＤＳ１８０２會將低于ＧＮＤ、高于ＶＣＣ的音頻信號鉗位掉，ＤＳ１８０２可以采用３Ｖ或５Ｖ電源。由于音頻信號通常是對稱的，所以，最好將直流偏置設置在ＶＣＣ／２，以獲得最大的音頻信號擺幅。圖２（ａ）是一個惠斯通橋電路，可用來將輸入信號偏置在ＶＣＣ／２。該電路允許交流信號通過位于中間位置的電阻（電位器），來對電阻兩端進行相同的直流偏置。這一點對于數字電位器非常關鍵，因為過零檢測器是在電位器兩端電壓為零時切換電位器的位置，因而，可以消除由于數字電位器的非連續切換所造成的噼啪聲和砰然聲。圖２（ｂ）是在圖（ａ）基礎上構建的電路，該電路的輸入阻抗為１３．７ｋΩ，橋電路和輸入電容造成的信號衰減為１．２ｄＢ（２０Ｈｚ）。此外，還需要在靠近DS1802和MAX4167的VCC引腳加旁路電容。
數字電位器缺點的解決方法：
數字電位器的額定阻值差大，一般在(20-30)%，主要是由P型硅擴散層的表面電阻率及內部開關的導通電阻等工藝方面的差異引起的。
數字電位器的溫度系數大，選擇雙數字電位器將可變增益差分放大器設計，則可始終保持集成運放的同相端和反相端對外的電阻相等，從而始終保持很高的CMRR，抑制了溫漂誤差。
數字電位器的通頻帶一般較窄，主要是由于數字電位器內存在雜散電容，頻率響應受RC時間常數的限制。
數字電位器受CMOS工藝的限制，數字電位器的滑動段允許通過電流較小，一般不超過3ma，電流過大會使、器件過早失效。
數字電位器一般不能直接接負電源，但在構成分壓器時，有時候需要輸出正負電壓，可以得到一定范圍可正可負的分壓輸出。
