数控电位器应用技术详析

数控电位器应用技术详析
金瑞
【摘要】数控电位器是一种新型 CMOS 模拟、数字混合信号处理集成电路芯片，目前这一新器件具有强大的生命力和非常广泛的应用前景。

数控电位器自问世以来，主要产品均由国外公司生产，在国内这一新器件还不为很多从事电子技术方面工作的人员所知。

通过对数控电位器的长期研究，结合四个典型的应用案例，由浅入深、逐级深入地对数控电位器的应用技术作了通俗易懂的介绍，可为相关教学和科技人员了解和掌握这一新器件的应用方法提供很好的参考。

文中所有应用实例皆为作者原创设计，并通过 NI Multisim 13软件仿真和实际电路测试。

%Digital control potentiometer is a new type of CMOS analog and digital mixed signal process-ing IC chip,at present,this new device has a strong vitality and a very wide range of applications. Since the appearance of digitally control potentiometer,the main products are produced by foreign com-panies.In China,this new device is not known to many people engaged in the work
of electronic tech-nology.An introduction to the application of numerical control potentiometer technology made easy to understand was given by long -term studied on the Digital Potentiometer,combined with the four typi-cal application cases,progressively,step by step in depth.It can provide a good reference for teaching and technical personnel to understand and master application methods of the new device.All of the ap-plication examples are original design,and are tested by the Multisim NI 13 software simulation and ac-tual circuit.
【期刊名称】《昆明冶金高等专科学校学报》
【年(卷),期】2015(000)005
【总页数】7页(P53-59)
【关键词】数控电位器;键控;可编程;单片机
【作者】金瑞
【作者单位】昆明冶金高等专科学校电气学院，昆明 650033
【正文语种】中文
【中图分类】TM547
数控电位器DCP（Digita11y Contro1Potentiometer），也称为数字电位器（Digita1Potentiometer），是一种新型的CMOS模拟、数字混合信号处理集成电路芯片。

该器件可采用数字控制的方式来对电阻值进行调节，可代替传统的机械电位器，而且还具有使用灵活、调节精度高、无触点、低噪声、不易污损、抗振动、抗干扰、体积小、寿命长，可直接实现总线控制、程序控制等优势，因此在计算机、工业控制、汽车、仪器仪表、医用设备、数码产品和家用电器等领域都有非常广泛的应用空间。

数控电位器自20世纪90年代问世以来，主要产品均由国外公司生产，在国外的
应用已非常广泛。

而在国内，这一新器件还不为很多从事电子技术方面工作的教育和工程技术人员所知。

基于这一现状，本文通过分析说明作者原创的典型数控电位器应用实例，让读者能快速掌握数控电位器的应用方法，为这一新型器件的普及和推广应用做出有益的工作。

1.1 数控电位器的生产厂家
目前，数控电位器的生产丁家都集中在美国，主要产品均由美国的Intersi1（收购了Xicor）、MAXIM（收购了Da11as）、OnSemi（收购了Cata-1yst）、ADI、Microchip等公司生产，一些常见数控电位器的外观如图1所示。

1.2 数控电位器的选用方法
数控电位器的生产厂家和类型较多，常用数控电位器的类型及选用方法如下：
1）按照集成电路芯片内部所包含数控电位器的个数来进行分类。

主要有单路、双路、四路和六路数控电位器。

根据所需数控电位器的个数即可选用。

2）按照数控电位器的总电阻值来进行分类。

主要有1 kΩ、10 kΩ、50 kΩ、100 kΩ、200 kΩ、1MΩ几种类型。

对于同一型号的数控电位器，电阻值不同，也可
有多种规格，例如X9313型数控电位器就有4种规格：X9313Z（总电阻值1
kΩ），X9313W（总电阻值10 kΩ），X9313U（总电阻值50 kΩ），X9313T （总电阻值100 kΩ）。

根据所需数控电位器的阻值即可选用。

3）按照数控电位器的抽头数来进行分类。

数控电位器的抽头数就是内部模拟开关的数量，而单元电阻的个数等于抽头数减去1。

若按抽头数来划分，数控电位器主要有以下8种：16抽头，32抽头，64抽头，100抽头，128抽头，256抽头，512抽头，1024抽头。

抽头数量愈多，调节精度愈高，输出电阻的误差愈小，根据所需数控电位器的调节级数和调节精度即可选用。

4）按照数控电位器的滑动端个数来进行分类。

一般的数控电位器均只有1个滑动端，极少数产品有两个滑动端，例如X9455型双路双滑动端数控电位器，内部包
含2个独立的数控电位器，且每个数控电位器都有两个滑动端。

没有特殊要求均
选用一个滑动端的普通数控电位器，如有特殊需求可考虑两个滑动端的产品。

5）按照数控电位器的接口来进行分类。

目前数控电位器的接口主要有以下8种类型：
①按键式接口；
②单线接口；
③I2C总线接口；
④三线加/减式串行接口；
⑤二线加/减式串行接口；
⑥SPI（Seria1Periphera1 Interface，串行外围设备接口）；
⑦Microwire总线接口；
⑧二线并行接口。

这是数控电位器最复杂的一种分类，也是数控电位器选用和运用最灵活的一种分类。

例如，如果电路仅需用按键来控制，一般选择按键式接口的数控电位器就行了；而如果控制信号是由数字电路、单片机、CPU或其它控制芯片发出的，那就要考虑
单线接口、I2C总线接口、SPI、Microwire、二线和三线等接口了，具体可根据
发出控制指令的芯片总线接口形式、开发人员对上述各种总线的熟悉程度以及对总线传输速度和可靠性要求来综合确定选择。

6）按照数控电位器电阻值的变化特性来进行分类。

可分为直线型电位器（X）、对数型电位器（D）和指数型电位器（Z）3种类型。

数控电位器以直线型居多，这种电位器适合构成线性调节电路，例如可编程增益放大器、分压器等；对数型电位器常用于音调控制；指数型电位器广泛用于音量控制。

7）按照电源电压来分类。

①低压数控电位器。

普通数控电位器大多采用低压单电源供电，电源电压范围一般为+2.7～+5.5 V，典型值可选+3.3 V或+5 V。

但也有的数控电位器采用双电源供电；
②高压数控电位器。

采用+30 V单电源或±15 V双电源供电。

例如，MAX5436～MAX5439属于高压数控电位器。

根据电路的总体供电电压以及数控电位器所驱动的负载性质可确定适合选用哪种电源电压；另外，因为一般数控电位器的输出端口驱动能力均较小，如要驱动较大负载，可在输出端加接三极管、电磁继电器、固态继电器、驱动集成电路等器件就可扩展数控电位器的驱动电压及驱动能力。

8）按照数控电位器芯片内部是否包含非易失性存储器来分类。

①非易失性数控电位器：掉电后滑动端位置可自动保存；
②易失性数控电位器：掉电后滑动端位置不能保存；
③一次性可编程数控电位器：滑动端位置一旦设定好了，就不可再更改。

主要根据上电时对数控电位器的初始值有无特殊要求来选用，如无特殊要求，上电后可逐步调节电路，即可选择易失性数控电位器；如果上电时要求数控电位器输出一定数值，使电路有确定初始值，或需要继续保持上次断电前的数值，就应选用非易失性数控电位器；一次性可编程数控电位器适用于设定数控电位器后，其阻值就不需调整的场合。

9）按照数控电位器的用途以及扩展功能来进行分类。

一般用途和场合均可根据实际要求选用上述普通数控电位器，另外，还有一些特殊用途的数控电位器，主要类型如下：
①光纤数控电位器，光纤数控电位器适用于光纤监测及控制领域，其内部带温度传感器或温度传感器接口，典型产品有DS1859（内置温度传感器）、DS1857（带温度传感器接口）。

②带缓冲器的数控电位器，X9438、DS1667型数控电位器内部包含了缓冲器，可拓展芯片的输出负载驱动能力。

③带放大器的数控电位器，在MAX5437/MAX5439型数控电位器中，均带有一个高电源电压的通用放大器，可对信号进行放大。

④带过零检测器的数控电位器，典型产品有DS1802，在滑动端位置发生变化的瞬
间，利用过零检测功能可消除音频干扰，对高保真音响十分适用。

⑤适合构成可编程增益放大器（PGA）的数控电位器，典型产品有MAX5431，内部包含用于补偿运放输入偏置电流的匹配电阻，适合作为PGA的精密分压器，可提供1、2、4和8倍的同相增益，增益精确度为0.025%。

⑥内置特殊功能的数控电位器，某些数控电位器带基准电压源及温度补偿电路；
X4023X型数控电位器增加了上电复位、手动复位、三路电压监测等功能，该数控电位器内部还包含2KB的E2PROM，可用来存储产品的序列号（ID号）及自定
义数据；在DS1854、DS1857和DS1858型数控电位器内部，包含有12位ADC、智能温度传感器、温度补偿电阻和256B E2PROM，其功能更加完善，适
用于射频功放及光电发射机应答设备。

以一个由数控电位器构成的键控音频功率放大器为例（图2），进一步介绍数控
电位器的应用方法。

图2中的数控电位器选用了美国Da11as公司的按键式接口型数控电位器
DS1669-100，该数控电位器内含64个抽头，总阻值为100 kΩ，也就是电位器
的调节有64档，每次调节的阻值变化为100 kΩ/64 =1.562 5 kΩ；其RH和RL
端为电位器的2个固定端，RW为滑动输出端，使用方法与一般机械电位器类似；UC端为递增控制端，当按动SB2时，RW端的对地阻值增加；DC端为递减控制端，当按动SB1时，RW端的对地阻值减小。

D端为其数字信号控制端，可由数
字电路或单片机等用脉冲来对输出阻值进行控制；UCC为电源正，USS为电源负。

图2中，数控电位器DS1669-100中的电位器其实是一个音量电位器的接法，当
按动SB1时，RW端的对地阻值减小，输出音频信号减弱，音量减小；当按动
SB2时，RW端的对地阻值增加，输出音频信号增强，音量增加。

配合后续的集成音频功率放大器LM386，就可以构成一个结构紧凑、易于实现的用按键控制的音
频功率放大器。

图2中C2和C6起到滤波和退耦的作用。

可以设想，按照一般电子线路的设计思路，键控电路的设计一般要由单片机来进行控制，单片机要进行按键扫描和键值识别；另外，要实现按键对功率放大电路放大倍数的控制，一般的设计思路要引入A/D和D/A转换电路。

按照通常的设计思路，键控音频功率放大器将是一个由单片机控制的软硬件结合的复杂控制电路，不仅要设计硬件，还要编写软件控制程序，另外还要涉及软件调试、芯片程序刷写等一系列问题；而使用图2的电路设计，电路既简洁又方便实现，不涉及任何软件问题，这就是数控电位器的优势。

究其本质，因为键控音频功率放大器是一个模拟数字混合功能电路，要用数字信号来控制模拟量，而数控电位器正是一种新型的CMOS
模拟、数字混合信号处理集成电路芯片，因此就特别适合用来设计类似的模拟数字混合功能电路。

通过上述介绍，读者对数控电位器的使用方法及其优势应该已经有了一个初步的认识，以下再通过2个典型的设计实例，对数控电位器的一些较为深入的设计和应
用方法来进一步分析。

图3是一个由数控电位器构成带按键防抖功能的键控可调直流稳压电源，电源电
压为5 V，通过按动按键SB1和SB2，电路的输出电压可在0～5 V的范围内调节。

图3电路的控制核心是数控电位器X9312，这是由美国Xicor公司生产的产品，
是一个内含100抽头的带三线加/减式串行接口的单路非易失性数控电位器，总阻值有1 kΩ、10 kΩ、50 kΩ和100 kΩ4种规格，图3中选用总阻值为100 kΩ的规格。

图3中，每按动SB1一次，输出电压升高0.05 V；而在按下SB2的同时，每按动SB1一次，输出电压降低0.05 V，这样就可以构成一个键控的高精度可调直流稳
压电源。

按键控制普遍存在防抖动问题，因此在电路设计中加入了美国MAXIM（美信）公司的按键防抖专用集成块MAX6817，能提供50ms的去抖动延时，去除±25 V
的抖动信号，这样从硬件上就解决了按键的防抖问题。

另外，一般数控电位器的输出端带负载能力都比较弱，如图3中数控电位器X9312输出端UW的最大输出电流仅为1mA，因此在其后面加接了由美国NSC（美国国家半导体）生产的低功耗、具有满幅电源电压输出特性的LMC7101构成的输出缓冲器，使电路的输出电流
扩展到了20mA。

在实际应用中，如想获得更大的输出电流，在图3中再加入电
流放大电路即可。

图4是一个由数控电位器构成带ESD保护的键控精密可调方波发生器，由按键
SB1和SB2调节，可在5MHz～10MHz范围内输出频率精度及稳定度很高的方
波信号。

图4电路的控制核心是数控电位器X9511，这是由美国Intersi1公司生产的产品，是一个内含32抽头带按键式接口的单路非易失性数控电位器，总阻值为10 kΩ。

图4中，数控电位器控制精密可编程信号产生集成块LTC1799，按动SB1时，输出方波频率降低；按下SB2时，输出方波频率升高。

LTC1799是美国Linear Techno1ogy公司生产的精密可编程振荡器，通过控制其SET端和DIV端，可以调整其输出方波的频率，输出方波频率计算公式为：
式（1）中，RSET为LTC1799的SET端引脚所接电阻值，单位为kΩ，RSET的
数值范围在3 kΩ～1MΩ。

N为振荡器的分频系数，其数值取决于LTC1799的DIV端引脚的接法，当DIV脚接地时，N=1；当DIV脚悬空时，N=10；当DIV
脚接正电源（典型值+5 V）时，N=100。

因此，在图4中可计算出该信号发生器的输出方波频率为5MHz～10MHz。

图4中，数控电位器X9511内部已自带40ms的按键防抖动电路，因此无需再增加按键防抖设计。

但同时，按键控制还普遍存在另一个问题——人体静电放电。

为此特别在图4电路中专门加入了MAXIM公司生产的双路高速ESD（静电放电）保护集成块MAX3207E，这样就能很好地解决数控电位器在按键控制模式下的人
体静电放电问题。

现代的数控电位器，不仅可以用按键控制，内部一般还集成了数字信号控制接口，常用的有单线接口、I2C总线接口、三线加/减式串行接口、二线加/减式串行接口、SPI（Seria1Periphera1 Interface，串行外围设备接口）总线接口、Microwire
总线接口、二线并行接口等，使得数控电位器可以与数字电路、单片机、CPU或
其它控制芯片能够相互配合工作，这样就可进一步拓展数控电位器的应用范围。

很多液晶显示屏的背光亮度都可以调节，图5就是一个由单片机控制数控电位器
构成的LED背光调节电路。

电路中，选用应用非常普遍的AT89S51单片机作为
控制核心，在构成单片机最小系统后，单片机对4×4键盘进行扫描，键盘中“START”键为开始输入数值键，“OK”键为数值输入完成键，“END”键为退出输入数值键。

当扫描到对应的符合规则的按键操作后，单片机使用P2.3、P2.4、P2.5口，通过SPI总线，将控制信号发送给数控电位器MCP41010，对数控电位器的阻值进行调节，经过LM358缓冲放大后，去调节背光LED的发光亮度（图5）。

数控电位器MCP41010是美国Microchip（微芯）公司生产的基于SPI总线接口的单路256抽头易失性数控电位器，总阻值为10 kΩ。

在SPI总线接口定义中，SCK引脚为串行时钟端、SI引脚为串行数据输入端、CS引脚为片选端。

在单片机控制系统中，程序设计是非常重要的环节，限于篇幅，这里给出单片机控制程序的程序流程图，如图6所示。

如果在控制系统中加入环境光线检测电路，那么系统还可通过对环境光线强弱的检测判别，来自动调节液晶显示屏的背光LED亮度。

数控电位器作为一种新型电子器件，其应用非常灵活，在掌握其应用方法的基础上，可设计出很多构思巧妙、易于实现的电路。

希望本文能为读者及相关教育工作者和
工程技术人员在数控电位器的应用方面提供有益的参考和借鉴。

【相关文献】
［1］毛兴武，潘文正，张明伟，等.新型电子元器件及其应用技术［M］.北京：中国电力出版社，2009.
［2］金瑞.按图索骥学电子线路388例［M］.北京：中国电力出版社，2012.
［3］王俊峰.电子实用电路300例［M］.北京：机械工业出版社，2010.
［4］金瑞，李福军.EDA与电子CAD应用技术［M］.北京：中国传媒大学出版社，2011. ［5］陈传虞，刘明，陈家桢.LED驱动芯片工作原理与电路设计［M］.北京：人民邮电出版社，2012.
［6］何晓帆，彭琼，刘丽.实用电源电路与充电电路图集［M］.北京：中国电力出版社，2008. ［7］刘海江，吴万国.数字电子技术［M］.2版.北京：中国铁道出版社，2011.。