数字电位器常见问题及应用经验总结

对于设计人员而言，数字电位器正变得越来越重要，它们具有很多优点，但也存在很多限制。下面比较机械电位器，数字电位器的共同点和区别，并由此帮助读者了解如何使用数字电位器。

电位器的出现有很长的历史，它以各种方式应用在广泛的领域，如常数调整和测量领域。最常见的莫过于设定和微调电阻值来微调电路，设置电平和调整增益等。电位器也被用来设计机器人和工业设备中的位置反馈。针对电位器需要考虑的各个方面，需针对特定应用的各种需求来设置。如电位器上的最大电压，各臂所能提供的最大电流，能允许消耗的最大功率以及最需要考虑的电阻问题。从功率到噪声的各个方面。单个电阻的误差通常有+/-20%到+/-5%，温度也会造成电阻值的漂移，所以需要考虑电位器的精度，线性，单调性与否，是否考虑设计中其它因素。比如人耳对声音的频率响应将比较重要。断电与加电时电阻的变化，成本和体积，还有可靠性如装配，潮湿等。

在爱迪生一千多项的发明当中,电位器总是为人们所遗忘。它是在十九世纪七十年代被发明并应用在开关中。如图一所示。

经一百年来，随着材料及外形的改变，机械电位器在一些初级的应用中受到极大的关注。无可置疑机械电位器和数字电位器有许多区别，而它们的共性却令人惊讶。其中最大相同就是它们都具有可调性，能提供大范围的端到端电阻。

机械电位器可耐上千伏的高压，数字电位器受制于小体积通常电压在30伏以内。机械电位器电阻容量也比数字电位器大。然而我们只要稍加考虑就可以解决上述问题。

机械电位器受振动发生电阻飘移的时候会给设计造成问题。机械电位器的接触点因磨损，老化而造成电阻增大或失效，进而使机械电位器的性能无法预知。数字电位器则无因机械结构造成上述的问题，可以经上万次开关操作而依然保持一致。

数字电位器通常采用多晶硅或薄膜电阻材料，具有低噪声，高精度和优良的温度系数。

机械电位器和数字电位器尺寸大小比对如图二所示。

数字电位器另一个显著优点是可编程性，它可以象EEPROM一样电压编程来调节电阻，可以取代电压跟随器，还可以象数模转换器一样来控制或设置电压电流。数字电位器的主要参数特性如下图所示。

在使用数字电位器来设置电压时，如需限定电压输出范围，只需在数字电位器的供电回路上串联电阻即可。下图给出将输出电压范围从0到15V改变成6+/-1V，其中只需增加电阻R1和R3。

用电位器来调整放大器增益的电路得到广泛应用，如液晶显示（LCD）中的对比度调节，传感器校准和数字多媒体播放等。机械电位器因工艺原因，端到端的电阻误差行业标准是+/-20%。当电阻值偏大时，电路分辩率降低。当电阻值偏小时，电路调节范围缩小。如下图所示。此20%误差带来的增益波动，在开环应用中因无补偿控制将会引起严重的后果。数字电位器可以将通道电阻的匹配精度做到1%，从而有效解决了电阻误差带来的增益波动问题。

在数字音频应用中，数字电位器大量取代了机械电位器是因为数字电位器具有高可靠性，数字控制，易于在线性和对数性间转换和更好的稳定性。这其中的工程挑战有：

音频信号电压范围应在电路供电范围内，即不能高于Vdd也不能低于Vss。

上电顺序为：首先是电源地和正负电源，然后是数字信号，最后是数字电位器的内置ESD的A，W，B端口。

电位器端到端电阻误差问题。可以将电位器在电路中接成电阻分压式，这样电位器的输出取决于游标的位置而与电阻误差无关。如下图所示。

上电时电位器游标值问题。对于机械电位器，只要不改变游标位置，断电再复电后，游标值保持不变。对于数字电位器情况则不一样。有的数字电位器内置EEPROM，将游标值记录下来，复电后游标值保持不变。有的数字电位器复电后将游标自动设为中值。有的数字电位器在复电后将游标随机设值。这需要使用者仔细查阅相关规格书，不可一概而论。

上电噪声问题。音频电路在上电或电路切换瞬间，容易因电压突变而在喇叭中发出“砰蓬”声，对音质而言是一种噪音。有的数字电位器内置过零点电路，使音

频电路上电或电路切换发生在电压过零点处，从而避免电压突变，消除了“砰蓬”声。

音量调节均匀性问题。人耳对音频实际上是呈对数性反应而非线性。绝大部分机械电位器按线性设计，这样在调节音量大小时，声音强弱并不均匀增加或减少。数字电位器可按对数性即按dB设计，这样无需额外的电路设计而解决音量调节均匀性问题。

数字电位器还可以应用在数字滤波器电路中。下图为Analog Devices 公司给出的电路图和计算公式。需要特别注意的是数字电位器本身的带宽限制跟游标值的设定有关，详情请查阅厂家的应用手册。

数字电位器并不能完全取代机械电位器，原因有数字电位器输入电压必须在Vdd和Vss间的限定，电流的限定（如@1K=5.5mA@10K=0.55mA，详情请查datasheet），上电顺序的要求，上电初始化，EEPROM电可擦写存储器的考虑，数字接口的考虑和电阻值不能做得太大,在跟踪输入信号来调整增益时需考虑响应时间等。

结论：数字电位器较机械电位器最大缺点是目前还不能处理高电压大电流，但有非常多其它的优点可以使电子工程师开发更多新功能，降低成本。

数字电位器在应用中经常遇到的问题

数字电位器在我国还是近几年出现的新型器件，许多人在实际应用中对其不够了解，从而出现许多疑问，下面就经常出现的三个问题略作探讨。

按钮控制的数字电位器常出现按钮按下次数及输出值与预测值不符。数字电位器本身能够承受的电流和电压有限，需要扩展。

在实际应用中数字电位器的阻值范围及分辨率不够，需要扩展。

3.1 按钮控制数字电位器的防抖动和重复触发问题

上面的第一个问题所说按钮控制电位器的按键次数及输出值与预测不符，通常是其中某一档出现了重复触发动作，自然其按键次数和输出电位就会与预测值不符。出现这种现象的原因常是用了面包板做试验，或是使用了劣质按钮，造成接触不良，线路噪声加剧，或是人为按钮动作不规范引起。

美国XICOR公司提供的按钮式数字电位器的应用电路，直接用按钮来控制，就会有可能出现这些问题。X9511/14在其内部集成了40ms 延时的去抖动电路，

要求输入控制信号抖动时间短，信号有效时间在40ms～250ms之间，且在此期间不能出现干扰电平。但是由于实际应用情况不可预测，无法避免输入信号的抖动而造成输出的重复动作（按钮时间超过250ms也会造成输出的重复动作），而这却是许多人所不愿看到的。

为了控制输入信号的抖动和噪声影响，在数字电位器的控制端加上触发器，如图2所示，试验结果使输出稳定性有了较为明显的提高，