摘 要：利用數(shù)字電位器可以對模擬數(shù)字混合信號處理電路的參數(shù)特性進行自動調(diào)整。并可配合單片機完成多種測量和控制功能。文中對美國Xicor公司研制的X9C系列數(shù)字電位器的技術(shù)特性進行了討論，分析了數(shù)字電位器的誤差形成因素，給出了一個單片機應(yīng)用系統(tǒng)實例，同時指出了在需要精確電阻值的應(yīng)用系統(tǒng)中應(yīng)采用的相應(yīng)補償措施。
<!--摘要CH(結(jié)束)←--><!--→關(guān)鍵CH(開始)-->關(guān)鍵詞：數(shù)字電位器；電阻；X9C系列
<!--關(guān)鍵CH(結(jié)束)←-->1 引言
SOC（片上系統(tǒng)）和模擬數(shù)字混合信號處理技術(shù)是現(xiàn)代信息技術(shù)應(yīng)用中的兩個重要電子技術(shù)基礎(chǔ)。
一般來說，純數(shù)字系統(tǒng)的SOC實現(xiàn)技術(shù)比較成熟，而模擬－數(shù)字混合信號處理系統(tǒng)的SOC實現(xiàn)起來則比較困難，其主要原因就是模擬部分難以實現(xiàn)高度集成。
對于模擬電子系統(tǒng)，由于信號和參數(shù)具有連續(xù)與分散特征，因此在進行系統(tǒng)集成和數(shù)字程控時會遇到比較大的困難。特別是當(dāng)需要通過調(diào)整電阻值來連續(xù)調(diào)整電路特性時，其困難可能會更大。例如用數(shù)字方式調(diào)整濾波器截止頻率時，就必須對電阻值進行比較精確的連續(xù)調(diào)整。
為了實現(xiàn)模擬電路參數(shù)的程控連續(xù)調(diào)整，解決混合信號處理中的問題，美國Xicor公司研制出程控電位器，利用它可以在一定范圍內(nèi)實現(xiàn)對電阻阻值的程控調(diào)整，從而為模擬－數(shù)字混合信號處理系統(tǒng)的集成化提供有利的支持。
數(shù)字電位器的技術(shù)特性是應(yīng)用技術(shù)中的關(guān)鍵。因此本文將對數(shù)字電位器的電阻特性和數(shù)字控制特性進行分析。
2 X9C系列數(shù)字電位器的技術(shù)特性
從電路結(jié)構(gòu)上看，X9C系列數(shù)字電位器由兩大部分組成，圖1所示是其內(nèi)部結(jié)構(gòu)。從圖中可以看出：X9C系列數(shù)字電位器結(jié)構(gòu)中的一部分是數(shù)字控制電路，另一部分是電阻網(wǎng)絡(luò)。該器件的基本設(shè)計思想是通過開關(guān)控制電阻網(wǎng)絡(luò)接點的連接方式來改變電阻值。
X9C系列數(shù)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(shù)方向的輸入信號，該腳為高電平時，為加計數(shù)，該腳為低電平時為減計數(shù)；
計數(shù)脈沖輸入，運行時可在脈沖的下降沿觸發(fā)計數(shù)；
：片選信號輸入，該引腳為低電平時，器件中的計數(shù)器接收計數(shù)脈沖并計數(shù)，該引腳為高電平時，器件中的計數(shù)器不工作而維持當(dāng)前輸出，此時電位器被鎖定；
RH／VH和RL／VL：電位器的兩個端點，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。
數(shù)字電位器的數(shù)字控制部分包括加減計數(shù)器、譯碼電路、保存與恢復(fù)控制電路和不揮發(fā)存儲器等四個數(shù)字電路模塊。利用串入、并出的加／減計數(shù)器在輸入脈沖和控制信號的控制下可實現(xiàn)加／減計數(shù)，計數(shù)器把累計的數(shù)據(jù)直接提供給譯碼電路控制開關(guān)陣列，同時也將數(shù)據(jù)傳送給內(nèi)部存儲器保存下來。當(dāng)外部計數(shù)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(dǎo)通。
數(shù)字控制部分的存儲器是一種掉電不揮發(fā)存儲器，因此，當(dāng)電路掉電后再次上電時，數(shù)字電位器中仍保存著原有的控制數(shù)據(jù)，其中間抽頭到兩端點之間的電阻值仍是上一次的調(diào)整結(jié)果。因此，數(shù)字電位器與機械式電位器的使用效果完全相同。
由于開關(guān)的工作采用“先連接后斷開”的方式，因此，在輸入計數(shù)有效期間，數(shù)字電位器的電阻值與希望值可能會有較大的差別。所以，只有在調(diào)整結(jié)束后才能達到希望值。
3 數(shù)字電位器的應(yīng)用誤差分析
作為數(shù)字電位器，應(yīng)用中通常十分關(guān)心電位器的電阻值，特別是調(diào)整后的電阻值與理想電阻之間的誤差。
數(shù)字電位器的電阻誤差由兩個因素決定，一個是電阻網(wǎng)絡(luò)中的電阻，另一個是MOS管的導(dǎo)通電阻。
以圖2為例，當(dāng)調(diào)整數(shù)字電位器電阻時，根據(jù)數(shù)字電位器的數(shù)據(jù)可以得到RH到RW之間的電阻值：R＝nr
其中R是RH到RW之間的實際電阻，n是RH到RW之間的串聯(lián)電阻個數(shù)，r是電阻網(wǎng)絡(luò)中每個電阻的標稱值。
考慮到每個電阻的標稱值與實際值之間的誤差以及MOS管的導(dǎo)通電阻誤差，則RH到RW之間的實際電阻為：
式中：δi是第i個電阻的誤差系數(shù)，rMOS是MOS管的導(dǎo)通電阻。這樣，可得出總的誤差為：
式中：
為數(shù)字電位器電阻網(wǎng)絡(luò)中所有電阻的平均誤差。由于同一個芯片中的MOS管的參數(shù)基本相同，所以可以把MOS管的導(dǎo)通電阻rMOS看成是常數(shù)，由此得出的相對誤差隨nr的變化曲線如圖3所示。
從圖3可以看出，隨著RH到RW之間串聯(lián)電阻個數(shù)的增加，相對誤差將呈下降趨勢。
4 應(yīng)用電路分析
圖4所示是一個利用數(shù)字電位器實現(xiàn)量程自動轉(zhuǎn)換的單片機電路。MC68HC05P9單片機內(nèi)有一個8位A／D轉(zhuǎn)換電路，該8位模數(shù)轉(zhuǎn)換電路有VH和VL兩個參考電源輸入端，A／D轉(zhuǎn)換電路的參考電壓是VH－VL。
MC68HC05P9單片機A／D轉(zhuǎn)換電路的信號電壓分辨率為：
采用數(shù)字電位器提供VL參考電壓可以把測試分為幾個不同的量程，這樣便可以保證每個量程中A／D轉(zhuǎn)換結(jié)果都在滿量程的3／2以上，從而大大地提高測試精度。
自動量程轉(zhuǎn)換的過程是：先利用最大參考電壓測量一個數(shù)據(jù)，然后根據(jù)測量數(shù)據(jù)的結(jié)果確定所屬量程，最后再根據(jù)量程來調(diào)整數(shù)字電位器以使參考電壓滿足所需要的量程。
由于數(shù)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行參數(shù)校正。
5 結(jié)論
在現(xiàn)代應(yīng)用電子系統(tǒng)中，設(shè)計者通�？傁Ｍ軐δM電路的參數(shù)特性進行自動調(diào)整，其中包括對電阻值的總調(diào)整，數(shù)字電位器就是適應(yīng)這一要求的新型電子器件。
從實際應(yīng)用電路的運行上看，數(shù)字電位器與機械式電位器有兩個重要區(qū)別：一個是調(diào)整過程中，數(shù)字電位器的電阻值不是連續(xù)變化，而是在調(diào)整結(jié)束后才具有所希望的輸出。這是因為數(shù)字電位器采用MOS管作為開關(guān)電路，并且采用了“先開后關(guān)”的控制方法；另一個不同之處是，數(shù)字電位器無法實現(xiàn)電阻的連續(xù)調(diào)整，而只能按數(shù)字電位器中電阻網(wǎng)絡(luò)上的最小電阻值進行調(diào)整。
在實際使用中應(yīng)當(dāng)特別注意數(shù)字電位器的電阻調(diào)整誤差，由于不同應(yīng)用場合時的誤差影響有所不同。因此在實際應(yīng)用時，最好能利用A／D轉(zhuǎn)換電路對其進行精確測量，并采用單片機對其進行補償。<!--→參考文獻CH(開始)-->
參考文獻
